При выборе монитора, сканера, фотоаппарата, а также других устройств, работающих с изображением, мы чаще всего обращаем внимание лишь на одну из их характеристик — разрешающую способность этого устройства. Неудивительно — ведь именно её в первую очередь выпячивают в рекламе, как наиболее простую для понимания широкими массами.
Однако, помимо разрешающей способности, существуют другие, не менее важные для качества картинки, характеристики. Таковыми, например, являются фотографическая широта и динамический диапазон. И если с разрешающей способностью всё более-менее понятно, то с упомянутыми характеристиками часто возникают затруднения.
Более того, эти два понятия на первый взгляд кажутся настолько похожими, что вносит только дополнительную путаницу. Попробуем внести ясность в этот вопрос на примерах как аналоговых, так и цифровых устройств.
Определение
Фотографы обычно понимают под этими терминами одно и то же, но относят фотографическую широту к плёнке (к аналоговым носителям) а динамический диапазон к цифровой фотографической матрице (к цифровым носителям). Это допустимо, но если копнуть чуть глубже, то становится понятна некоторая разница.
Фотографическая широта — максимально возможный диапазон внешних яркостей, которые каким либо образом может зафиксировать внутри себя фотоустройство.
Динамический диапазон — максимально возможный полезный диапазон собственных оптических плотностей плёнки, фотобумаги и т.п. (или максимально возможный полезный диапазон количеств электронов, могущих помещаться в каждом пикселе электронной матрицы фотоустройства).
Ещё раз, термин «фотографическая широта» применяется для оценки величины диапазона внешних яркостей, способных запечатлеться на плёнке или цифровой матрице, а динамический диапазон — для оценки диапазона запоминающих свойств среды, предназначенной для такого запечатлевания (зависит от крайних значений оптической плотности плёнки, ёмкости и шумности пикселей матрицы и т.п.). Чувствуете разницу?
Скажем, фотоаппарат может зафиксировать некоторую фотошироту сцены, используя для этого носитель определённого динамического диапазона. Фотоплёнка обладает определённой фотоширотой (т.е. возможностью фиксировать некую фотошироту сцены) благодаря достаточному динамическому диапазону своей эмульсии. Или цифровая матрица фотоаппарата обладает определённой фотоширотой благодаря достаточному динамическому диапазону своих пикселей.
В случае цифровой матрицы зависимость её фотошироты от динамического диапазона её пикселей находится в прямой и прозрачной зависимости, и более технически полезной характеристикой для пользователя является именно её динамический диапазон, поэтому понятие фотошироты для цифровых устройств практически перестало использоваться, уступив место динамическому диапазону.
В случае же фотоплёнки пользователю мало интересны особенности динамического диапазона её эмульсии. Вместо этого термина там используется более наглядный для фотографа термин — контрастность, по сути отражающий то же самое свойство плёнки. Поэтому термин «динамический диапазон» в аналоговой технике не используется.
В цифровых устройствах причиной чёткой зависимости фотографической широты от динамического диапазона матрицы является изначальная строгая яркостная дискретность получения и кодирования изображения. Пиксели матрицы во время экспозиции накапливают определённое количество электронов, линейно зависящее от внешней яркости.
Количество электронов — конечное, от единиц до десятков тысяч. Больше определённого предела пиксель чисто физически вместить не сможет. Градация яркостей определяется именно этими количествами электронов. Электроны, когда их счёт идёт на единицы, не могут дать подобие аналоговой, плавно изменяющейся оптической плотности. Без заметной потери градаций, в электроны, число которых и так невелико, большую фотографическую широту не уместить. Вот она и привязана к этому количеству, и линейно от неё зависит. А это количество и есть динамический диапазон.
Теперь рассмотрим пример не с фотоплёнкой, а с фотобумагой. Контрастная фотобумага имеет меньшую фотографическую широту (может принять меньшую фотошироту картинки, проецируемой из фотоувеличителя), потому что её эмульсия имеет меньший динамический диапазон. Поэтому при фотопечати на такой бумаге яркие места кадра становятся ещё ярче, а тёмные — ещё темнее. В целом, фотография становится контрастнее.
Такая фотобумага применяется для серых, вялых негативов, имеющих небольшой динамический диапазон оптической плотности эмульсии и дающих при просвечивании небольшую фотошироту проецируемой картинки. Для резких же кадров с большим динамическим диапазоном оптической плотности эмульсии больше подходит мягкая фотобумага, которая сможет вместить в себя всю фотошироту проецируемого кадра.
Для подведения итога этой главы и закрепления материала, давайте рассмотрим определения фотографической широты и динамического диапазона в применении к различным фотоустройствам и фотоматериалам:
- Фотографическая широта плёнки (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. Приблизительные значения для негативов 2,5-9 EV, для слайдов 2-4 EV, для киноплёнки 14EV.
- Динамический диапазон плёнки (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять свою прозрачность (оптическую плотность) в зависимости от воздействия внешней яркости. Приблизительные значения для негативов 2-3D, для слайдов 3-4D.
- Фотографическая широта фотобумаги (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей (от фотоувеличителя). Типичные значения для чёрно-белых бумаг: 0,7 EV (контрастная) — 1,7 EV (мягкая).
- Динамический диапазон фотобумаги (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять степень отражения (оптическую плотность) в зависимости от внешней яркости (от фотоувеличителя). Типичные значения 1,2-2,5D.
- Фотографическая широта матрицы цифрового аппарата — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. У цифрокомпактов 7-8 EV, у зеркалок 10-12 EV.
- Динамический диапазон матрицы цифрового фотоаппарата — способность пикселей матрицы в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от уровня внешней яркости. Динамический диапазон цифрокомпактов — 2,1-2,4D, зеркалок — 3-3,6D.
- Фотографическая широта графического файла — Поскольку файл — это всего лишь способ хранения информации, то за счёт потери градаций в любой формат файла можно запихнуть любой диапазон внешних яркостей. Стандартные же величины у формата восьмибитного JPEG — это 8 EV, у HDRI (Radiance RGBE) — до 252 EV. От количества бит, выделяемых для хранения каждого пикселя, этот параметр зависит лишь косвенно, поскольку способ упаковки информации в эти биты у разных форматов может быть различен.
- Динамический диапазон графического файла — способность файла хранить в себе некоторый диапазон значений каждого пикселя.
- Фотографическая широта монитора — Поскольку монитор — это только устройство отображения, то применительно к нему этот параметр не имеет особого смысла. Ближайшим по смыслу параметром будет способность монитора отображать закодированный в графическом файле диапазон значений яркости. Но величина этого параметра зависит в основном от программы отображения и используемого цветового профиля, которые с тем или иным успехом втискивают всю (или не всю) фотографическую широту изображения, содержащуюся в файле, в рамки динамического диапазона монитора. Замечу, что чем большая фотоширота втиснута в динамический диапазон, тем менее контрастно выглядит изображение. Однако существует специальный метод коррекции (тональная компрессия), позволяющий при сохранении фотографической широты увеличить контрастность.
- Динамический диапазон монитора (контрастность) — способность пикселя монитора в некотором диапазоне изменять свою яркость в зависимости от напряжения входящего сигнала. Динамический диапазон современных мониторов находится в пределах 2,3-3D (200:1 — 1000:1).
- Фотографическая широта матрицы сканера — способность её фиксировать некоторый диапазон яркостей отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Составляет от 6-8 EV у офисных планшетных до 13-16 EV у профессиональных барабанных сканеров.
- Динамический диапазон матрицы сканера — аналогично матрице фотоаппарата, способность пикселей матрицы сканера в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от яркости отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Динамический диапазон сканеров может принимать значения от 1,8-2,4D у офисных планшетников до 4-4,9D у профессиональных барабанных сканеров.
Примечание по сканеру: Поскольку лампа сканера создаёт постоянную освещённость сканируемого материала, верхняя граница яркости этого материала (абсолютно белый лист или полностью прозрачная плёнка) оказывается известной. Верхняя граница динамического диапазона матрицы сканера заводской калибровкой подгоняется под эту максимальную яркость. Следовательно, верхние края шкал фотографической широты сканера и динамического диапазона плёнки (с учётом её вуали) будут совпадать.
Принимая во внимание, что у цифрового устройства динамический диапазон равен фотографической широте, можно сказать, что будут совпадать верхние края шкал динамических диапазонов сканера и плёнки+вуаль. А значит, наложив их диапазоны друг на друга, мы сможем их корректно сравнить, и определить, сможет ли тот или иной сканер оцифровать плёнку, не обрубив её диапазон.
Для справки: динамический диапазон вуали (максимальной прозрачности) фотоплёнок приблизительно составляет 0,1D, и эту цифру при сравнении следует прибавлять к динамическому диапазону плёнки.
Общее примечание: Не все вышеперечисленные словосочетания реально используются, но они упомянуты для полноты картины, чтобы яснее можно было прочувствовать разницу между фотографической широтой и динамическим диапазоном.
Единицы измерения
Динамический диапазон измеряют по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению измеряемого параметра в 10 раз, а фотографическую широту — по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению измеряемого параметра в 2 раза.
Исходя из понятия логарифма (показатель степени, в которую надо возвести одно число, чтобы получить другое), обе эти шкалы являются логарифмическими. В первом случае используется логарифм по основанию 10 (десятичный логарифм — lg), во втором — по основанию 2 (двоичный логарифм — log₂).
Логарифмическая шкала — это удобный способ уложить огромный диапазон значений измеряемого параметра в компактном виде. Можно предположить, что к концу шкалы теряется её точность. Это так, но дело в том, что и органы чувств человека ведут себя так же. Глаз человека, например, может различить небольшой перепад в свете звёзд, но такой же в абсолютных числах перепад яркости двух ярких ламп глаз уже не зафиксирует.
Поэтому десятичный логарифм используется для соответствия каждого следующего деления шкалы динамического диапазона зрительному ощущению падения яркости в 2 раза при фактическом десятикратном падении величины измеряемого параметра, а двоичный — для соответствия каждого следующего деления шкалы фотографической широты зрительному ощущению равномерного падения яркости при падении вдвое количества света.
Размер динамического диапазона или фотографической широты записываются цифрой, обозначающей количество делений по соответствующей шкале между измеренными точками. При этом, если измерения проходят по шкале динамического диапазона, рядом с цифрой ставят обозначение D (2D, 2,7D, 4D, 4,2D), а если по шкале фотографической широты, то используется обозначение EV (Exposure Value — значение экспозиции) или просто количество ступеней или стопов (делений).
Часто динамический диапазон записывают в виде отношения, показывающего, во сколько раз между крайними точками диапазона происходит перепад измеряемого параметра, например 100:1 (2D) или 1000:1 (3D). Обычно такой способ записи применяется для указания контрастности мониторов.
Формула же для измерения полезного динамического диапазона следующая: динамический диапазон равен десятичному логарифму из отношения максимальной величины измеряемого параметра к минимальному, то есть уровню шума:
D = lg(Max/Min)
Формула вычисления фотографической широты аналогична, но вместо десятичного логарифма применяется двоичный.
Динамический диапазон цифровых устройств измеряют ещё и в децибелах. Способ измерения практически аналогичен вышеописанному, поскольку децибел — тоже логарифмическая величина, и тоже вычисляется через десятичный логарифм. Но значение в децибелах будет в 20 раз больше (1D = 20 дБ), и сейчас я объясню, почему.
Измерению в этом случае подвергается разница напряжений, в которые преобразовываются накопленные в каждом пикселе матрицы электроны. Впрочем, это напряжение пропорционально количеству накопленных электронов, но я упомянул напряжение не случайно. Дело в том, что в децибелах измеряют диапазоны только энергетических величин: мощностей, энергий и интенсивностей. И способ их вычисления полностью аналогичен вышеописанному за исключением умножения итогового числа на 10, потому что мы меряем не белы а децибелы, которые в 10 раз меньше.
Однако, существует возможность померить в децибелах и амплитудные величины, такие как напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов. Но для этого надо учесть зависимость от них соответствующей им энергетической величины. А зависимость эта всегда квадратичная.
Например, вычислим зависимость мощности от напряжения. Мощность равна квадрату напряжения делённого на сопротивление, то есть она зависит от напряжения квадратично. Увеличивая напряжение в 2 раза мощность увеличивается в 4 раза. Значит, чтобы сохранить мощностную пропорцию, придётся мерить диапазон не напряжений, а квадратов этих напряжений:
lg(Umax²/Umin²) = lg(Umax/Umin)² = 2*lg(Umax/Umin)
Мы получим значение в белах. Для перевода в децибелы умножаем на 10. В итоге полная формула принимает вид:
Децибелы = 20*lg(Umax/Umin)
Таким образом, у нас получается, что динамический диапазон в децибелах равен подсчитанному нами по шкале динамическому диапазону, умноженному на коэффициент 20.
Иногда из-за путаницы в терминологии динамический диапазон измеряют в единицах экспозиции (EV), ступенях или стопах, как фотографическую широту, а фотографическую широту — как динамический диапазон. Чтобы привести параметры к нормальному виду, приходится пересчитывать диапазон из одной шкалы в другую. Для этого необходимо вычислить цену деления одной шкалы в цифрах другой. Например, цену деления шкалы фотографической широты в цифрах шкалы динамического диапазона.
Поскольку деления шкалы представляют собой степени, вычислим, в какую степень надо возвести десятку (размерность шкалы динамического диапазона), чтобы получить двойку (размерность шкалы фотографической широты). Для этого берём десятичный логарифм от двойки и получаем искомый результат — цену одного деления шкалы фотографической широты в единицах шкалы динамического диапазона — приблизительно 0,301. Это число и будет коэффициентом перевода. Теперь, для перевода EV в D, следует EV умножить на 0,3, а для перевода из D в EV, следует D разделить на 0,3.
Замечу, что шкала фотографической широты применяется не только для измерения диапазонов, но и для измерения конкретных величин экспозиции. В этом случае шкала имеет условный ноль, который соответствует яркости света, падающего от объекта, освещённость которого составляет 2,5 люкса (для нормальной экспозиции объекта с таким освещением требуется диафрагма 1.0 и выдержка 1 сек. при чувствительности ISO 100). Таким образом, экспозиция вполне может принимать по этой шкале отрицательные значения в EV. Диапазон же, естественно, всегда положителен.
Заключение
Материал главы «Единицы измерения» оказался довольно сложным, но я решил всё же дать здесь исчерпывающую информацию по всей этой теме. Ведь те, кому это не интересно, могут просто не читать эту главу, но есть смысл в любом случае сохранить ссылку на эту статью, пригодится.
На сегодня всё. Ставьте нравлики, если статья понравилась или оказалась полезной. Излагайте свои мысли в комментариях и обязательно подпишитесь на мой канал, если вы этого ещё не сделали :-) Пока!
