Что такое динамический диапазон камеры, и в чем может быть выгода для фотографа? Как запечатлеть все тона снимаемой сцены.

светочувствительных сенсоров фотоаппаратов. В связи с этим говорилось и о т. н. (фотопленки или матрицы неважно).

Теперь рассмотрим понятие динамического диапазона с физической точки зрения, т. е. исходя из устройства матрицы цифрового фотоаппарата.

Динамический диапазон ПЗС-матрицы.

Для того, чтобы сенсор был чувствителен к большому диапазону освещенностей объекта съемки, т. е. мог воспроизводить как темные (теневые) его стороны, так и светлые (яркости) адекватно, пропорционально, у каждого пиксела должна быть потенциальная яма достаточной емкости. Такая потенциальная яма должна быть способной удерживать минимальный заряд при попадании на света от слабо освещенной части объекта, и в то же время могла вмещать большой заряд если освещенность части объекта велика.

Эту способность потенциальной ямы накапливать и удерживать заряд определенной величины называют глубиной потенциальной ямы. Как раз глубиной потенциальной ямы определяется матрицы.

Схематичное изображение бокового дренажа.

Использование дренажа ведет к усложнению конструкции ПЗС-элементов, но это оправдано тем вредом, который наносится изображению благодаря блюмингу.

Еще одна проблема, ухудшающая качество изображения, получаемого ПЗС-матрицей - т. н. залипшие пикселы (stuck pixels), у нас их часто называют «битыми». Эти пикселы появляются при любой выдержке, в отличие от шума, имеющего хаотический характер, локализуются в одном и том же месте. Связаны они с некачественно изготовленными ПЗС-элементами, в которых даже при минимальном времени засветки происходит лавинообразный срыв электронов в потенциальную яму. Проявляются они на каждом снимке в виде точек, значительно отличающихся по цвету от рядом расположенных.

Динамический диапазон -- это отношение максимального допустимого значения измеряемой величины (яркости по каждому из каналов) к минимальному значению (уровню шумов). В фотографии динамический диапазон принято измерять в единицах экспозиции (шаг, стоп, EV), т.е. логарифмом по основанию 2, реже - десятичным логарифмом (обозначается буквой D). 1EV = 0,3D. Изредка используют и линейное обозначение, например 1:1000, что равно 3D или почти 10EV.

Характеристика «динамический диапазон» также используется для форматов файлов , используемых для записи фотографий . В этом случае он назначается авторами конкретного формата файла, исходя из тех целей, для которых этот формат будет использоваться. Например, ДД

Термином «динамический диапазон» иногда неверно называют любое отношение яркостей в фотографии:

• отношение яркостей самых светлых и тёмных объектов съемки
• максимальное отношение яркостей белого и чёрного цветов на мониторе/фотобумаге (верный английский термин contrast ratio)
• диапазон оптических плотностей плёнки
• другие, ещё более экзотические варианты

Динамический диапазон современных цифровых фотоаппаратов на начало 2008 года составляет от 7-8 EV у компактных камер до 10-12 EV у цифровых зеркальных камер (см. тесты современных камер на http://dpreview.com). При этом необходимо помнить, что матрица передает объекты съёмки с разным качеством, детали в тенях искажаются шумами , в светах - передаются очень хорошо. Максимальный ДД зеркалок доступен только при съемке в RAW , при конвертации в JPEG камера обрезает детали, сокращая диапазон до 7,5-8,5EV (в зависимости от настроек контраста камеры).

Динамический диапазон файлов и матриц фотоаппаратов часто путают с количеством бит , используемых для записи информации, однако прямой связи между этими величинами нет. Поэтому, например, ДД Radiance HDR (32 бита на пиксель) больше, чем 16-битного RGB (фотоширота), показывающая тот диапазон яркостей, который пленка может передать без искажений, с равным контрастом (диапазон яркостей линейной части характеристической кривой плёнки). Полный ДД плёнки обычно несколько шире фотошироты и виден на графике характеристической кривой плёнки.

Фотоширота слайда составляет 5-6EV, профессионального негатива - около 9EV, любительского негатива - 10EV, киноплёнки - до 14EV.

Расширение динамического диапазона

Динамического диапазона современных камер и пленок недостаточно для того, чтобы передать любой сюжет окружающего мира. Особенно это заметно при съемке на слайд или компактную цифровую камеру, которые зачастую не могут передать даже яркий дневной пейзаж в средней полосе России , если там есть объекты в тени (а диапазон яркостей ночного сюжета с искусственным освещением и глубокими тенями может доходить до 20EV). Эта проблема решается двумя путями:

• увеличение динамического диапазона камер (видеокамеры для систем наблюдения имеют заметно больший динамический диапазон, чем фотокамеры, однако это достигается путем ухудшения других характеристик камеры; каждый год выходят новые модели профессиональных камер с лучшими характеристиками, при этом их динамический диапазон медленно растет)
• комбинирование изображений, снятых с разной экспозицией (технология HDR в фотографии), в результате которого возникает единое изображение, содержащее все детали из всех исходных изображений, как в крайних тенях, так и в максимальных светах.

Файл:HDRIexample.jpg

HDRi фотография и три снимка, из которых она собрана

Оба пути требуют решения двух проблем:

• Выбор формата файла, в который можно записать изображение с расширенным диапазоном яркостей (обычные 8-битные sRGB файлы для этого не подходят). На сегодня самыми популярным форматами являются Radiance HDR, Open EXR, а так же Microsoft HD Photo , Adobe Photoshop PSD , RAW -файлы зеркальных цифровых камер с большим динамическим диапазоном.
• Отображение фотографии с большим диапазоном яркостей на мониторах и фотобумаге , имеющих существенно меньший максимальный диапазон яркостей (contrast ratio). Данная проблема решается с помощью одного из двух методов:
  • тональная компрессия, при которой большой диапазон яркостей уменьшается в небольшой диапазон бумаги, монитора или 8-битного sRGB-файла путем уменьшения контраста всего изображения, единым образом для всех пикселей изображения;
  • тональное отображение (tone mapping, тонмаппинг), при котором производится нелинейное изменение яркостей пикселей, на разную величину для разных областей изображения, при этом сохраняется (или даже увеличивается) оригинальный контраст, однако тени могут выглядеть неестественно светлыми, и на фотографии могут появиться ореолы на границах областей с разным изменением яркости.

Тонмаппинг также может использоваться и для обработки изображений с небольшим диапазоном яркостей для повышения локального контраста.

Из-за способности тонмаппинга выдавать «фантастические» картинки в стиле компьютерных игр, и массового представления таких фотографий с вывеской «HDR» (даже полученных из одного изображения с небольшим диапазоном яркостей) у большинства профессиональных фотографов и опытных любителей выработалось стойкое отвращение к технологии расширения динамического диапазона из-за неверного мнения о том, что она нужна для получения таких картинок (приведенный выше пример показывает использование методов HDR для получения нормального реалистического изображения).

См. также

Ссылки

• Определения основных понятий:
  • БСЭ, статья «фотографическая широта»
  • Горохов П. К. «Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины» - М.: Рус. яз., 1993
• Фотоширота пленок и ДД фотоаппаратов
  • http://www.kodak.com/global/en/professional/support/techPubs/e4035/e4035.jhtml?id=0.2.26.14.7.16.12.4&lc=en
• Форматы файлов:

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Динамический диапазон в фотографии" в других словарях:

Динамический диапазон: Динамический диапазон (техника) характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления, представляющая логарифм… … Википедия

Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления и т. д.), представляющая логарифм отношения максимального и… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Динамический диапазон. Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового… … Википедия

Фотографическая широта характеристика светочувствительного материала (фотоплёнки, передающей телевизионной трубки, матрицы) в фотографии, телевидении и кино. Определяет способность светочувствительного материала правильно передавать яркость… … Википедия

Контраст в наиболее общем смысле, любая значимая или заметная разница (например, «Россия страна контрастов…», «контраст впечатлений», «контраст вкуса пельменей и бульона вокруг них»), не обязательно измеряемая количественно. Контрастность степень … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. HDR. High Dynamic Range Imaging, HDRI или просто HDR общее название технологий работы с изображениями и видео, диапазон яркости которых превышает возможности стандартных технологий. Чаще… … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

В Википедии есть п … Википедия

- (лат. redactus приведённый в порядок) изменение оригинала изображения классическими или цифровыми методами. Также может обозначаться термином ретуширование, ретушь (фр. retoucher подрисовывать, подправлять). Целью редактирования… … Википедия

16 ноября 2009 года

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном (WDR) предназначены для обеспечения качественного изображения при встречной засветке и наличии в кадре как очень ярких, так и очень темных областей и деталей. При этом яркие области не насыщаются, а темные не отображаются слишком темными. Такие камеры обычно рекомендуются для организации наблюдения за объектом, находящимся напротив окон, в освещенном сзади проеме двери или ворот, а также при большом контрасте объектов.

Динамический диапазон видеокамеры обычно определяется как отношение самого яркого фрагмента изображения к самому темному фрагменту того же самого изображения, то есть в пределах одного кадра. Это отношение по-другому называется максимальным контрастом изображения.

Проблема динамического диапазона

К сожалению, реальный динамический диапазон видеокамер строго ограничен. Он существенно у"же динамического диапазона большинства реальных объектов, ландшафтов и даже сцен кино и фотографии. Кроме того, условия применения видеокамер наблюдения в части освещения зачастую далеки от оптимальных. Так, интересующие нас объекты могут быть расположены на фоне ярко освещенных стен и предметов или встречного (контро-вого) света. В этом случае объекты или их детали на изображении будут слишком темными, так как видеокамера автоматически адаптируется к высокой средней яркости кадра. В некоторых ситуациях на наблюдаемой "картинке" могут иметь место яркие пятна со слишком большими градациями яркости, которые трудно передаются стандартными камерами. Например, обычная улица при солнечном освещении и с тенями от домов имеет контраст от 300:1 до 500:1, для темных пролетов арок или ворот с освещенным солнцем фоном контраст достигает 10 000:1, внутренность темной комнаты против окон имеет контраст до 100 000:1.

Ширина результирующего динамического диапазона ограничивается несколькими факторами: диапазонами самого датчика (фотоприемника), обрабатывающего процессора (DSP) и дисплея (видеоконтрольного устройства). Типовые CCD (ПЗС-матрицы) имеют максимальный контраст не более 1000:1 (60 дБ) по интенсивности. Самый темный сигнал ограничен тепловым шумом или "темновым током" датчика. Самый яркий сигнал ограничен суммой заряда, который может быть накоплен в отдельном пикселе. Обычно CCD построены так, что этот заряд составляет приблизительно 1000 темновых зарядов, обусловленных температурой CCD.

Динамический диапазон может быть существенно увеличен для специального применения камер, например для научных или астрономических исследований, путем охлаждения CCD и применения специальных систем считывания и обработки. Однако такие методы, будучи очень дорогими, не могут использоваться широко.

Как указывалось выше, множество задач требует размера динамического диапазона 65-75 дБ (1:1800-1:5600), поэтому при отображении сцены даже с диапазоном в 60 дБ детали в темных областях потеряются в шуме, а детали в ярких областях — из-за насыщения, либо диапазон будет обрезан сразу с двух сторон. Системы считывания, аналоговые усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для видеосигнала в режиме реального времени ограничивают сигнал CCD до динамического диапазона в 8 бит (48 дБ). Такой диапазон может быть расширен до 10-14 бит за счет использования соответствующих АЦП и обработки аналогового сигнала. Однако зачастую это решение оказывается непрактичным.

Другой альтернативный тип схемы использует нелинейное преобразование в виде логарифмической функции или ее аппроксимации для сжатия 60 дБ выходного сигнала CCD до диапазона в 8 бит. Обычно такие методы подавляют детали изображения.

Последний (указанный выше) фактор ограничения — вывод картинки на дисплей. Динамический диапазон для нормального CRT-монитора, работающего в освещенной комнате, составляет около 100 (40 дБ). LCD-монитор еще более "ограничен". Сигнал, сформированный видеотрактом и даже ограниченный до контраста 1:200, будет уменьшен в динамическом диапазоне при показе. Чтобы оптимизировать показ, пользователь часто должен регулировать контраст и яркость монитора. И если он хочет получить изображение с максимальным контрастом, придется пожертвовать частью динамического диапазона.

Типовые решения

Имеются два основных технологических решения, которые используются, чтобы обеспечить видеокамеры расширенным динамическим диапазоном:

• множественное отображение кадра — видеокамера захватывает несколько полных изображений или его отдельных областей. При этом каждая "картинка" отображает различную область динамического диапазона. После чего камера объединяет эти различные изображения, чтобы воспроизвести единое изображение с расширенным динамическим диапазоном (WDR);
• использование нелинейных, обычно логарифмических, датчиков — в этом случае степень чувствительности при различных уровнях освещения различна, что позволяет обеспечить широкий динамический диапазон яркости изображения в одном кадре.

Применяются разные комбинации этих двух технологий, но наиболее распространенная — первая.

Для получения одного оптимального изображения из нескольких используется 2 метода:

• параллельное отображение двумя или более датчиками изображения, сформированного общей оптической системой. В этом случае каждый датчик захватывает различную часть динамического диапазона сцены за счет различного времени экспонирования (накопления), различного оптического ослабления в индивидуальном оптическом тракте или за счет использования датчиков различной чувствительности;
• последовательное отображение изображения единственным датчиком с различными временами экспонирования (накопления). В крайнем случае производится по крайней мере два отображения: одно с максимальным, а другое — с более коротким временем накопления.

Последовательное отображение, как наиболее простое решение, обычно используется в промышленности. Длительное накопление обеспечивает видимость наиболее темных частей объекта, однако самые яркие фрагменты могут не прорабатываться и даже приводить к насыщению фотоприемника. Картинка, получаемая с малым накоплением, адекватно отображает светлые фрагменты изображения, не прорабатывая темные области, находящиеся на уровне шума. Сигнальный процессор изображения камеры объединяет обе картинки, беря яркие части от "короткой", а темные части от "длительной" картинки. Алгоритм комбинации, позволяющий создавать гладкое изображение без шва, достаточно сложен, и мы не будем здесь его касаться.

Первыми представила концепцию объединения двух цифровых изображений, полученных при разном времени накопления, в единое изображение с широким динамическим диапазоном группа разработчиков во главе с профессором И.И. Зиви из компании "Tech-nion", Израиль. В 1988 г. концепция была запатентована ("Камера широкого динамического диапазона" Y.Y. Zeevi, R. Ginosar и O. Hilsenrath), а в 1993 г. ее применили при создании коммерческой медицинской видеокамеры.

Современные технические решения

В современных камерах для расширения динамического диапазона на основе получения двух изображений в основном применяются матрицы Sony двойного сканирования (Double Scan CCD) ICX 212 (NTSC), ICX213 (PAL) и специальные процессоры для обработки изображения, например SS-2WD или SS-3WD. Примечательно, что такие матрицы невозможно обнаружить в ассортименте SONY и не все производители указывают на их использование. На рис. 1 схематически представлен принцип двойного накопления. Время указано по формату NTSC.

Из диаграмм видно, что если типовая камера накапливает поле 1/60 с (PAL-1/50 с), то камера WDR составляет поле из двух изображений, полученных путем накопления, за 1/120 с (PAL-1/100 с) для мало освещенных деталей и за период от 1/120 до 1/4000 с для сильно освещенных деталей. На фото 1 представлены кадры с разным экспонированием и результат суммирования (обработки) режима WDR.

Эта технология позволяет "довести" динамический диапазон до 60-65 дБ. К сожалению, числовые значения WDR, как правило, приводятся только производителями верхней ценовой категории, остальные же ограничиваются информацией о наличии функции. Имеющаяся регулировка градуирована обычно в относительных единицах. На фото 2 представлен пример сравнительной отработки типовой и камерой WDR встречного света от стеклянной витрины и дверей. Встречаются модели телекамер, в документации на которые указано, что они работают в режиме WDR, но нет упоминания о требуемой специальной элементной базе. В этом случае, естественно, может возникать вопрос, является ли заявленный режим WDR таким, каким мы ожидаем? Вопрос справедлив, поскольку даже в сотовых телефонах уже применяется режим авторегулирования яркости изображения встроенного фотоаппарата, называемый WDR. С другой стороны, встречаются модели с заявленным режимом расширения динамического диапазона, названным как Easy Wide-D или EDR, которые работают с типовыми CCD. Если в данном случае указывается величина расширения, то она не превышает 20-26 дБ. Одним из способов расширения динамического диапазона является применяемая сейчас компанией Panasonic технология Super Dinamic III. Она также основана на двойном экспонировании кадра за 1/60 с (1/50С-PAL) и 1/8000 с (с последующим анализом гистограмм, разделением картинки на четыре варианта с различной гамма-коррекцией и их интеллектуальным суммированием в DSP). На рис. 2 представлена обобщенная структура этой технологии. Подобная система расширяет динамический диапазон до 128 раз (на 42 дБ).

Наиболее перспективной технологией расширения динамического диапазона телекамеры на сегодня является технология Digital Pixel System™ (DPS), разработанная в Стен-фордском университете в 1990-х гг. и запатентованная компанией PIXIM Inc. Основным нововведением для DPS является использование AЦП для переведения величины фотозаряда в ее цифровое значение непосредственно в каждом пикселе сенсора. CMOS(КМОП)-матрицы сенсора препятствуют ухудшению качества сигнала, что увеличивает общее отношение сигнал/шум. Технология DPS позволяет вести обработку сигнала в режиме реального времени.

Технология PIXIM использует метод, известный как мультисемплинг (многократная выборка), что позволяет сформировать изображение высочайшего качества и обеспечить широкий динамический диапазон преобразователя (свет/сигнал). В технологии PIXIM DPS используется пятиуровневый мультисемплинг, это позволяет получать сигнал от сенсора с одним из пяти значений экспозиции. Во время экспонирования производится измерение величины освещенности каждого пикселя кадра (для стандартного видеосигнала — 50 раз в секунду). Система обработки изображения определяет оптимальное время экспонирования и сохраняет полученное значение до того, как произойдет перенасыщение пикселя и прекратится дальнейшее накопление заряда. Рис. 3 поясняет принцип адаптивного накопления. Значение светлого пикселя сохранено при времени экспонирования Т3 (перед насыщением пикселя на 100%). Темный пиксель накапливал заряд более медленно, что требовало дополнительного времени, его значение сохранено при времени Т6. Сохраненные значения (интенсивность, время, уровень шума), измеренные в каждом пикселе, одновременно обрабатываются и преобразуются в высококачественное изображение. Поскольку у каждого пикселя есть свой встроенный АЦП и параметры освещенности измерены и обработаны независимо, то каждый пиксель в действительности действует как отдельная камера.

Системы формирования изображения PIXIM, основанные на технологии DPS, состоят из цифрового сенсора изображения и процессора обработки изображения. В современных цифровых сенсорах используется квантование в 14 и даже в 17 бит. Относительно невысокая чувствительность, как основной недостаток CMOS-технологии, характерна и для DPS. Типовая чувствительность камер этой технологии ~1 лк. Типовое значение отношения сигнал/шум для формата 1/3" составляет 48-50 дБ. Заявляемый максимальный динамический диапазон — до 120 дБ с типовым значением 90-95 дБ. Возможность регулирования времени накопления для каждого пикселя матрицы сенсора позволяет при формировании изображения использовать такой уникальный метод обработки сигнала, как метод выравнивания локальных гистограмм, позволяющий резко повысить информативность изображения. Технология позволяет полностью компенсировать засветку фона, выделить детали, оценить пространственное положение объектов и деталей, находящихся не только на переднем, но и на заднем плане изображения. На фото 3, 4 и 5 приведены кадры, полученные типовой CCD-камерой и камерой PIXIM.

Практика

Итак, можно сделать вывод о том, что сегодня при необходимости вести видеонаблюдение в сложных условиях высококонтрастного освещения можно подобрать телекамеру, достаточно адекватно передающую весь диапазон яркости объектов. Для этого наиболее предпочтительно использование видеокамер с технологией PIXIM. Довольно хорошие результаты обеспечивают системы на основе двойного сканирования. Как компромисс можно рассматривать дешевые телекамеры на основе типовых матриц и электронных систем EWD и многозонной BLC. Естественно, желательно использовать оборудование с оговоренными величинами характеристик, а не только с упоминанием наличия того или иного режима. К сожалению, на практике результаты работы конкретных моделей не всегда соответствуют ожиданиям и рекламным заявлениям. Но это тема для отдельного разговора.

© 2014 сайт

Или фотографическая широта фотоматериала – это отношение между максимальным и минимальным значениями экспозиции , которые могут быть корректно запечатлены на снимке. Применительно к цифровой фотографии, динамический диапазон фактически эквивалентен отношению максимального и минимального возможных значений полезного электрического сигнала, генерируемого фотосенсором в ходе экспонирования.

Динамический диапазон измеряется в ступенях экспозиции (). Каждая ступень соответствует удвоению количества света. Так, например, если некая камера имеет динамический диапазон в 8 EV, то это означает, что максимальное возможное значение полезного сигнала её матрицы относится к минимальному как 2 8:1, а значит, камера способна запечатлеть в пределах одного кадра объекты, отличающиеся по яркости не более чем в 256 раз. Точнее, запечатлеть-то она может объекты с любой яркостью, однако объекты, чья яркость будет превышать максимальное допустимое значение выйдут на снимке ослепительно белыми, а объекты, чья яркость окажется ниже минимального значения, – угольно чёрными. Детали и фактура будут различимы лишь на тех объектах, яркость которых укладывается в динамический диапазон камеры.

Для описания отношения между яркостью самого светлого и самого тёмного из снимаемых объектов часто используется не вполне корректный термин «динамический диапазон сцены». Правильнее будет говорить о диапазоне яркости или об уровне контраста, поскольку динамический диапазон – это обычно характеристика измеряющего устройства (в данном случае, матрицы цифрового фотоаппарата).

К сожалению, диапазон яркости многих красивых сцен, с которыми мы сталкиваемся в реальной жизни, может ощутимо превышать динамический диапазон цифровой фотокамеры. В таких случаях фотограф бывает вынужден решать, какие объекты должны быть проработаны во всех деталях, а какие можно оставить за пределами динамического диапазона без ущерба для творческого замысла. Для того чтобы максимально эффективно использовать динамический диапазон вашей камеры, от вас порой может потребоваться не столько доскональное понимание принципа работы фотосенсора, сколько развитое художественное чутьё.

Факторы, ограничивающие динамический диапазон

Нижняя граница динамического диапазона задана уровнем собственного шума фотосенсора. Даже неосвещённая матрица генерирует фоновый электрический сигнал, называемый темновым шумом. Также помехи возникают при переносе заряда в аналого-цифровой преобразователь, да и сам АЦП вносит в оцифровываемый сигнал определённую погрешность – т.н. шум дискретизации.

Если сделать снимок в полной темноте или с крышкой на объективе, то камера запишет только этот бессмысленный шум. Если позволить минимальному количеству света попасть на сенсор, фотодиоды начнут накапливать электрический заряд. Величина заряда, а значит, и интенсивность полезного сигнала, будет пропорциональна числу пойманных фотонов. Чтобы на снимке проступили хоть сколько-нибудь осмысленные детали, необходимо, чтобы уровень полезного сигнала превысил уровень фонового шума.

Таким образом, нижнюю границу динамического диапазона или, иначе говоря, порог чувствительности сенсора формально можно определить как уровень выходного сигнала, при котором отношение сигнал/шум больше единицы.

Верхняя граница динамического диапазона определяется ёмкостью отдельного фотодиода. Если во время экспозиции какой-либо фотодиод накопит электрический заряд предельной для себя величины, то соответствующий перегруженному фотодиоду пиксель изображения получится абсолютно белым, и дальнейшее облучение уже никак не повлияет на его яркость. Это явление называют клиппингом. Чем выше перегрузочная способность фотодиода, тем больший сигнал способен он дать на выходе, прежде чем достигнет насыщения.

Для большей наглядности обратимся к характеристической кривой, которая представляет собой график зависимости выходного сигнала от экспозиции. На горизонтальной оси отложен двоичный логарифм облучения, получаемого сенсором, а на вертикальной – двоичный логарифм величины электрического сигнала, генерируемого сенсором в ответ на это облучение. Мой рисунок в значительной степени условен и преследует исключительно иллюстративные цели. Характеристическая кривая настоящего фотосенсора имеет несколько более сложную форму, да и уровень шума редко бывает столь высок.

На графике хорошо видны две критические переломные точки: в первой из них уровень полезного сигнала пересекает шумовой порог, а во второй – фотодиоды достигают насыщения. Значения экспозиции, лежащие между этими двумя точками, и составляют динамический диапазон. В данном абстрактном примере он равен, как несложно заметить, 5 EV, т.е. камера способна переварить пять удвоений экспозиции, что равнозначно 32-кратной (2 5 =32) разнице в яркости.

Зоны экспозиции, составляющие динамический диапазон неравноценны. Верхние зоны отличаются более высоким отношением сигнал/шум, и потому выглядят чище и детальнее, чем нижние. Вследствие этого верхняя граница динамического диапазона весьма вещественна и ощутима – клиппинг обрубает света при малейшей передержке, в то время как нижняя граница неприметным образом тонет в шумах, и переход к чёрному цвету далеко не так резок, как к белому.

Линейная зависимость сигнала от экспозиции, а также резкий выход на плато являются уникальными чертами именно цифрового фотографического процесса. Для сравнения взгляните на условную характеристическую кривую традиционной фотоплёнки.

Форма кривой и особенно угол наклона сильно зависят от типа плёнки и от процедуры её проявления, но неизменным остаётся главное, бросающееся в глаза отличие плёночного графика от цифрового – нелинейный характер зависимости оптической плотности плёнки от величины экспозиции.

Нижняя граница фотографической широты негативной плёнки определяется плотностью вуали, а верхняя – максимальной достижимой оптической плотностью фотослоя; у обращаемых плёнок – наоборот. Как в тенях, так и в светах наблюдаются плавные изгибы характеристической кривой, указывающие на падение контраста при приближении к границам динамического диапазона, ведь угол наклона кривой пропорционален контрастности изображения. Таким образом, зоны экспозиции, лежащие на средней части графика, обладают максимальным контрастом, в то время как в светах и тенях контраст снижен. На практике разница между плёнкой и цифровой матрицей особенно хорошо заметна в светах: там, где в цифровом изображении света выжжены клиппингом, на плёнке детали всё ещё различимы, хоть и малоконтрастны, а переход к чисто белому цвету выглядит плавным и естественным.

В сенситометрии используются даже два самостоятельных термина: собственно фотографическая широта , ограниченная сравнительно линейным участком характеристической кривой, и полезная фотографическая широта , включающая помимо линейного участка также основание и плечо графика.

Примечательно, что при обработке цифровых фотографий, к ним, как правило, применяется более или менее выраженная S-образная кривая , повышающая контраст в полутонах ценой его снижения в тенях и светах, что придаёт цифровому изображению более естественный и приятный глазу вид.

Разрядность

В отличие от матрицы цифрового фотоаппарата человеческому зрению свойственен, скажем так, логарифмический взгляд на мир. Последовательные удвоения количества света воспринимаются нами как равные изменения яркости. Световые числа можно даже сравнить с музыкальными октавами, ведь двукратные изменения частоты звука воспринимаются на слух как единый музыкальный интервал. По такому принципу работают и другие органы чувств. Нелинейность восприятия очень сильно расширяет диапазон чувствительности человека к раздражителям различной интенсивности.

При конвертировании RAW-файла (не важно – средствами камеры или в RAW-конвертере), содержащего линейные данные, к нему автоматически применяется т.н. гамма-кривая, которая призвана нелинейно повысить яркость цифрового изображения, приводя её в соответствие с особенностями человеческого зрения.

При линейной конверсии изображение получается слишком тёмным.

После гамма-коррекции яркость приходит в норму.

Гамма-кривая как бы растягивает тёмные тона и сжимает светлые, делая распределение градаций более равномерным. В результате изображение приобретает естественный вид, но шум и артефакты дискретизации в тенях неизбежно становятся более заметными, что только усугубляется малым числом уровней яркости в нижних зонах.

Линейное распределение градаций яркости.

Равномерное распределение после применения гамма-кривой.

ISO и динамический диапазон

Несмотря на то, что в цифровой фотографии используется та же концепция светочувствительности фотоматериала, что и в фотографии плёночной, следует понимать, что происходит это исключительно в силу традиции, поскольку подходы к изменению светочувствительности в цифровой и плёночной фотографии различаются принципиально.

Повышение чувствительности ISO в традиционной фотографии означает замену одной плёнки на другую с более крупным зерном, т.е. происходит объективное изменение свойств самого фотоматериала. В цифровой камере светочувствительность сенсора жёстко задана его физическими характеристиками и не может быть изменена в буквальном смысле. При повышении ISO камера изменяет не реальную чувствительность сенсора, а всего лишь усиливает электрический сигнал, генерируемого сенсором в ответ на облучение и соответствующим образом корректирует алгоритм оцифровки этого сигнала.

Важным следствием этого является снижение эффективного динамического диапазона пропорционально повышению ISO, ведь вместе с полезным сигналом усиливается и шум. Если при ISO 100 оцифровывается весь диапазон значений сигнала – от нуля и до точки насыщения, то при ISO 200 уже только половина ёмкости фотодиодов принимается за максимум. С каждым удвоением чувствительности ISO верхняя ступень динамического диапазона как бы отсекается, а оставшиеся ступени, подтягиваются на её место. Именно поэтому использование сверхвысоких значений ISO лишено практического смысла. С тем же успехом можно осветлить фотографию в RAW-конвертере и получить сопоставимый уровень шумов. Разница между повышением ISO и искусственным осветлением снимка заключается в том, что при повышении ISO усиление сигнала происходит до поступления его в АЦП, а значит, шум квантования не усиливается, в отличие от собственных шумов сенсора, в то время как в RAW-конвертере усилению подлежат в том числе и ошибки АЦП. Кроме того, уменьшение диапазона оцифровки означает более точную дискретизацию оставшихся значений входного сигнала.

Кстати, доступное на некоторых аппаратах понижение ISO ниже базового значения (например, до ISO 50), отнюдь не расширяет динамический диапазон, а просто ослабляет сигнал вдвое, что равноценно затемнению снимка в RAW-конвертере. Эту функцию можно даже рассматривать как вредную, поскольку использование субминимального значения ISO, провоцирует камеру на увеличение экспозиции, что при оставшемся неизменным пороге насыщения сенсора повышает риск получить клиппинг в светах.

Истинная величина динамического диапазона

Существует ряд программ вроде (DxO Analyzer, Imatest, RawDigger и пр.) позволяющих измерить динамический диапазон цифрового фотоаппарата в домашних условиях. В принципе, в этом нет большой необходимости, поскольку данные для большинства камер можно свободно найти в интернете, например, на сайте DxOMark.com .

Стоит ли верить результатам подобных испытаний? Вполне . С той лишь оговоркой, что все эти тесты определяют эффективный или, если можно так выразиться, технический динамический диапазон, т.е. отношение между уровнем насыщения и уровнем шума матрицы. Для фотографа же в первую очередь важен полезный динамический диапазон, т.е. количество зон экспозиции, которые действительно позволяют запечатлеть какую-то полезную информацию.

Как вы помните, порог динамического диапазона задан уровнем шумов фотосенсора. Проблема в том, что на практике нижние зоны, формально уже входящие в динамический диапазон, содержат всё ещё слишком много шума, чтобы их можно было с толком использовать. Здесь многое зависит от индивидуальной брезгливости – приемлемый уровень шума каждый определяет для себя сам.

Моё субъективное мнение таково, что детали в тенях начинают выглядеть более-менее прилично при отношении сигнал/шум не меньше восьми. На этом основании я определяю для себя полезный динамический диапазон, как технический динамический диапазон минус примерно три ступени.

К примеру, если зеркальная камера согласно результатам достоверных тестов обладает динамическим диапазоном в 13 EV, что очень неплохо по сегодняшним меркам, то её полезный динамический диапазон будет составлять около 10 EV, что, в общем-то, тоже весьма недурно. Разумеется, речь идёт о съёмке в RAW, с минимальным ISO и максимальной разрядностью. При съёмке в JPEG динамический диапазон сильно зависит от настроек контраста, но в среднем следует отбросить ещё две-три ступени.

Для сравнения: цветные обращаемые фотоплёнки обладают полезной фотографической широтой в 5-6 ступеней; чёрно-белые негативные плёнки дают 9-10 ступеней при стандартных процедурах проявления и печати, а при определённых манипуляциях – вплоть до 16-18 ступеней.

Подытоживая вышесказанное, попробуем сформулировать несколько простых правил, соблюдение которых поможет вам выжать из сенсора вашей камеры максимум производительности:

• Динамический диапазон цифрового фотоаппарата в полной мере доступен только при съёмке в RAW.
• Динамический диапазон уменьшается с ростом светочувствительности, а потому избегайте высоких значений ISO, если в них нет острой необходимости.
• Использование более высокой разрядности для RAW-файлов не увеличивает истинный динамический диапазон, но улучшает тональное разделение в тенях за счёт большего количества уровней яркости.
• Exposure to the right . Верхние зоны экспозиции всегда содержат максимум полезной информации при минимуме шумов и должны использоваться наиболее эффективно. При этом не стоит забывать и об опасности клиппинга – пиксели, достигшие насыщения, абсолютно бесполезны.

И главное: не стоит излишне переживать по поводу динамического диапазона вашей камеры. С динамическим диапазоном у неё всё в порядке. Ваше умение видеть свет и грамотно управлять экспозицией – намного важнее. Хороший фотограф не станет жаловаться на недостаток фотографической широты, а постарается дождаться более комфортного освещения, или изменит ракурс, или воспользуется вспышкой, словом, будет действовать в соответствии с обстоятельствами. Я вам скажу больше: некоторые сцены только выигрывают из-за того, что не укладываются в динамический диапазон камеры. Часто ненужное обилие деталей просто необходимо спрятать в полуабстрактный чёрный силуэт, делающий фотографию одновременно лаконичнее и богаче.

Высокий контраст это не всегда плохо – нужно лишь уметь с ним работать. Научитесь эксплуатировать недостатки оборудования так же, как и его достоинства, и вы удивитесь, насколько расширятся ваши творческие возможности.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект , внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Добрый день, друзья!

Продолжаем сегодня знакомство с . Привел ссылку, где обзорно рассказывал о принципе работы фотокамер. Далее мы детальнее остановимся на отдельных элементах, о которых в общих чертах фотограф должен иметь понятие. Если будут встречаться непонятные для вас определения или термины, ничего страшного, просто продолжайте читать, и вы обязательно поймете суть. Уверен в этом! А важно именно общее понимание.

Статья довольна объемная, поэтому для удобства навигации оформил для вас содержание 🙂

Матрица в фотоаппарате. Что это такое?

Матрица в камере – это основной элемент, при помощи которого мы получаем изображение. Также часто называется сенсором или датчиком. Представляет собой микросхему, состоящую из фотодиодов – светочувствительных элементов. В зависимости от интенсивности попадающего света фотодиод формирует электрический сигнал разной величины, который впоследствии преобразуется в цифровой при помощи отдельного АЦП или встроенного в матрицу.

Матрица фиксирует свет и превращает его в набор битов (0/1), который затем формирует цифровое изображение.

Выглядит она следующим образом:

Матрица в фотоаппарате

Блестящая прямоугольная пластина по центру – это она и есть. А по краям фотографии .

Дискретная структура матрицы

Основу составляют очень маленькие фотодиоды или фототранзисторы, которые фиксируют свет и превращают его в электрический сигнал. Один такой фотодиод формирует один пиксель выходного цифрового изображения.

Небольшое отступление для тех, кто, возможно, не знает. Цифровое изображение состоит из множества точек, которые наш мозг «склеивает» в целостную картинку. Если таких точек будет недостаточно, мы станем замечать дискретность структуры, иными словами, станет казаться, будто изображение «распадается», являясь мозаичным, плавные переходы исчезнут.

Давайте рассмотрим фотографию собаки.

Дискретная структура матрицы на примере собаки

Не обращайте сейчас внимания, что она черно-белая. Абстрагируйтесь от понятия цвета, это другая тема, в данный момент так лучше будет воспринимать информацию. Матрица фиксирует электрический сигнал разной величины в зависимости от интенсивности света. И, если отнять специальные фильтры, предназначенные для получения цветного изображения, то выходная фотография получается как раз черно-белой. Кстати, камеры, снимающие исключительно в ЧБ, также существуют.

Схематически нанес на изображение сетку, иллюстрирующую дискретную, т.е. прерывную структуру матрицы. Каждый квадрат иллюстрирует минимальный элемент матрицы – пиксель, формируемый фотодиодом, на который попадает свет N-ой интенсивности и на выходе преобразуется в пиксель цифрового изображения N-ой яркости. К примеру, левый верхний угол темный – значит, на этот участок матрицы попало мало света. Шерсть, напротив, светлая – значит, туда попало больше света и электрический сигнал был иным. Естественно, изображение состоит из намного большего числа квадратиков, тут лишь схематическое изображение.

Матрица – аналог пленки

Раньше, когда не было цифровых фотоаппаратов, в качестве светочувствительного элемента, то бишь матрицы, использовалась пленка. В принципе конструкция пленочного фотоаппарата от цифрового не слишком сильно отличается, в последнем больше электроники, а вот «приемник» света совершенно иной.

Когда в пленочном фотоаппарате вы нажимаете на кнопку спуска, открывается затвор, и свет попадает на пленку. До момента закрытия затвора происходит химическая реакция, результат которой – изображение, хранящееся на пленке, но невидимое глазу до момента проявки. Пример такого химического процесса – разложение галогенида серебра на атомы галогена и серебра.

Как видите, сама суть совершенно другая. Пишу это для того, чтобы вы запомнили, что в современном мире матрица выполняет функции пленки, т.е. формирует изображение. Кстати, разница между ними в хранении: пленка является непосредственно и местом хранения конечного изображения, в цифровой фотографии изображение сохраняется на картах памяти.

Экспонирование матрицы

Важный термин, который часто используют фотографы. Означает сам процесс получения фотоснимка. Т.е. когда вы нажали кнопку спуска затвора, последний открылся и свет стал попадать на матрицу, говорят, что идет ее экспонирование. Идет до тех пор, пока затвор не закроется.

Вы можете услышать словосочетания «во время экспонирования…», «процесс экспонирования…», «при экспонировании…». Обычно слово «матрица» опускается, и говорят просто – экспонирование.

Характеристики матрицы

Нужно отдавать отчет, что матрицы сильно различаются друг от друга, и в различных ценовых диапазонах им присущи те или иные качества. Этот элемент можно считать «сердцем» камеры, как двигатель в машине или процессор в компьютере. Хотя ни машина, ни компьютер с одним только двигателем или процессором работать не станут, тем не менее эти элементы определяют потенциал системы. Сложно ожидать, что машина с двигателем малого объема сможет демонстрировать чудеса проворности в гонках. Так и с камерой – в бюджетном диапазоне они оборудуются ограниченными по возможностям матрицами, и от них сложно ожидать бесшумной картинки при съемке на длинной выдержке. Понятно, что есть характеристики, которые категоризуют матрицы по возможностям. К их рассмотрению и перейдем.

Для начала перечень основных характеристик:

• физический размер;
• разрешение;
• соотношение сигнал/шум;
• чувствительность ISO;
• динамический диапазон
• тип матрицы (устарело).

Теперь рассмотрим все детально.

Физический размер матрицы фотоаппарата

Матрица представляет собой прямоугольную пластину, которая собирает свет, и естественным образом имеет размеры. Выше мы рассматривали дискретную структуру матрицы, где уяснили, что она состоит из пикселей, которые в физическом смысле представляют собой фотоэлементы, превращающие попадающий свет в электрические заряды.

Соответственно, физический размер матрицы определяется величиной пикселей и расстоянием между ними. Чем больше будет расстояние между пикселями, представляющее собой изоляционный слой, тем меньше будет нагрев матрицы, тем выше будет соотношение сигнал/шум и чище выходная картинка.

Идем далее. Размер матрицы – это один из важнейших параметров, на который обязательно стоит обращать внимание. Для начинающих фотографов упрощенно отмечу, что размер матрицы – самая важная ее характеристика .

На практике отмечается в миллиметрах, либо обозначением формата, либо в дюймах диагонали сенсора. Формат – это просто наименование матрицы с определенными размерами. Называют так для упрощения. Что касается дюймов, то тут история тянется с измерения площади изображения на трубчатых телевизорах. Записывается, например, так: 1/1,8″. Не стоит производить математические вычисления, задаваясь целью определить физический размер диагонали и посчитать размеры сторон. Это просто обозначение, не имеющее математической силы. Важно лишь понимать, что матрица с диагональю 1/2,7″ заметно меньше, чем с 1/1,8″. Приведу популярные размеры:

На что влияет размер матрицы?

Чем больше размер матрицы, тем лучше

Это не всегда так, и с утверждением можно поспорить, но в общем случае это соответствует действительности. Более опытные читатели предвкушают переход темы в холиварное русло «Кроп vs полный кадр»:) Не стану сейчас потакать их желаниям, ведь мы говорим о фундаментальных вещах! Вернемся к теме.

От размера матрицы зависит:

1. шумность изображения;
2. динамический диапазон;
3. глубина цвета;
4. габариты камеры.

Опосредованно с изменением размера матрицы изменяется ГРИП и угол обзора, т.к. для получения снимка в том же масштабе приходится менять другие параметры (фокусное расстояние, расстояние до объекта съемки).

Чем больше матрица, тем:

• Менее шумное изображение. Физики скажут, что чем больше света попадает на фиксирующую его поверхность, тем меньше нагрев, меньше погрешность при квантовании и, следовательно, меньше влияние постороннего шума. Изображение при одних и тех же условиях получается более «чистым» и детализированным. Конечное изображение будет содержать меньше лишней информации, вызванной «помехами». Теперь более практичное определение. При равном количестве пикселей и одинаковой технологии чем больше матрица, тем меньше шума будет на снимке при съемке с недостаточным освещением. Попросту говоря, на фотографии будет меньше посторонних точек, мешающих просмотру. Например, намереваясь снимать с рук сумеречные портреты, предпочтительно обладать камерой с матрицей большого размера.Чем меньше матрица, тем меньше изолирующие элементы между пикселями. По этой причине возникает повышенный нагрев, что в электронике всегда плохо, ухудшается соотношение сигнал/шум и количество шума на получаемом изображении растет в сравнении с моделями, обладающими большими матрицами. Давайте посмотрим на пример:
  Слева условно изображение, получаемое с камеры с большей матрицей, справа – с меньшей. Условия съемки одни и те же. Увеличьте изображение. Достаточно посмотреть на небо. Разница может варьироваться, но тенденция сохранится (при условии, что матрицы схожи по технологиям и поколениям). На практике шум отлично просматривается в светах, и, вытягивая тени на одну и ту же величину, на камере с большей матрицей вы сможете получить более чистую картинку. Под вытягиванием понимается увеличение экспозиции в редакторе, в данном случае в тенях – в них начинают проявляться детали. Если вы предпочитаете следующие жанры: вечерние/ночные пейзажи, портреты в режимное время, когда света не очень много, динамичную репортажную съемку, обратите внимание на уровень шума матрицы выбранной камеры. По размеру желательно выбирать камеры с матрицами, начиная от APS-C формата.
• Шире динамический диапазон (об этом далее в статье).
• Больше глубина цвета . Глубина цвета — показатель, определяющий, насколько мелкие цветовые изменения может различить камера. Т.е. при большей глубине цвета незначительные переходы в полутонах будут смотреться более естественно и близко к видимому глазом. Будет записано больше информации о полутонах. Это проявляется, например, на почти однотонных пейзажах.
• Больше камера. Непреложный факт – если вы хотите снимать на камеру с большей матрицей, придется мириться с ее увеличенными размерами. Взглянув на рынок фотоаппаратов, становится понятно, что не существует, например, небольших полнокадровых камер, хоть и пытаются такие сделать. А мобильная фотография ограничена размером сенсора.
• Больше угол обзора можем получить при прочих равных условиях .
  Размер матрицы не влияет на угол обзора!!! Перспектива, получаемая на одном и том же объективе, установленном на разных камерах будет отличаться. Но при одинаковом ЭФР (эквивалентном фокусном расстоянии) изображение будет примерно одинаковым. Если вам понятия перспективы и ЭФР мало о чем говорят, ничего страшного, просто читайте дальше, рассказываю важную суть «на пальцах». Если взять один и тот же объектив, то, снимая на фотоаппарат с матрицей большего размера, вы получите более широкий обзор. Примем приближение объектов при съемке на фотоаппарат с большей матрицей за 100%. Тогда этот же объектив на меньшей матрице обеспечит приближение >100% (приближение будет кратно уменьшению размера матрицы). Такой же эффект можно смоделировать, вырезав из фотографии (снятой на большую матрицу) часть кадра и растянув его до исходного размера. Иными словами, мальчик, которого сфотографировали на 35 мм объектив на камеру с APS-C матрицей (посмотрите таблицу размеров матриц), будет ближе, чем этот же мальчик, сфотографированный на такой же объектив, но на полнокадровую матрицу (FF). Солнце на горизонте, снятое на матрицу меньшего размера, будет «расположено ближе» к нам:
  
• Меньше ГРИП можно получить при прочих равных условиях . Это еще один интересный аспект, который вводит фотографов в заблуждение и требует рассмотрения. Забегая наперед, ГРИП (глубина резко изображаемого пространства) определяет, на каком расстоянии от точки фокусировки объекты будут находиться в зоне резкости. Размер матрицы не влияет на ГРИП!!! Но, чтобы на разных камерах при одинаковых фокусных расстояниях масштаб изображения был одинаковым, на камерах с меньшими матрицами придется отойти подальше либо изменить фокусное расстояние, что в свою очередь уже как раз влияет на ГРИП, увеличивая его. Поэтому на камерах с большими матрицами проще получать «размытые» фотографии.

Это не все, но основные моменты, критичные для фотографа, на которые прямо или косвенно влияет размер матрицы фотоаппарата и которые для себя нужно четко уяснить.

Тип матрицы

Определяет принцип, по которому работает матрица. Существовало две основных технологии:

• CMOS (КМОП – комплементарная логика на транзисторах);
• CCD (ПЗС – прибор с зарядовой связью).

Матрицы, основанные на обеих технологиях, накапливают свет. Только в первой мельчайшим структурным элементом является диод, во второй – транзистор.

Что касается качества изображения, то во времена широкого распространения обеих технологий считалось, что CCD матрицы обладали более приятным, «ламповым» цветом, в то же время CMOS меньше шумели, но структура шума отличалась.

На сегодняшний день абсолютное большинство камер комплектуется матрицами CMOS типа, как менее шумными и более энергосберегающими. Поэтому вопрос выбора по этому параметру не стоит. Это лишь памятка при использовании устаревших камер.

Чувствительность матрицы. ISO

От чувствительности матрицы зависит соотношение выбранной экспозиции и параметров изображения на выходе. Попросту говоря, чем больше вы устанавливаете чувствительность (меняется в настройках камеры), тем менее освещенные элементы вы сможете зарегистрировать. Но при этом будут расти шумы. За эквивалентный параметр чувствительности принят параметр ISO. Начинается от 50 – это минимальная чувствительность, на которой изображение, насколько возможно, чистое и неподверженное шумовому разрушению. Шаг изменения формируется умножением на 2. Т.е. следующая чувствительность ISO – 100, далее 200, 400, 800, 1600, 3200, 6400… Конечно же, камеры снимают и на промежуточных значениях, например, 546. Но для удобства шагов в стопах принято считать, как описал выше. Про ISO, стопы и прочее сейчас особо не беспокойтесь.

Важно понять, что, снимая один и тот же сюжет (например, дерево в сумерках), при повышении ISO его яркость увеличится. Картинка будет казаться светлее. Также важно понять, что на камере с большей матрицей при одинаковом ISO шумов будет меньше.

Далее для тех, кто хочет знать больше. Есть такое понятие – EI (exposure index). Он определяет соотношение между сигналом, передаваемым с матрицы и параметрами его преобразования в цветовое пространство. Что он позволяет? При одних и тех же настройках экспозиции мы имеем возможность получить изображение различной яркости.

Поступая на матрицу, свет формирует сигнал (выходное напряжение), который в АЦП конвертируется в цветовое пространство. Наиболее распространенное – sRGB. При этом происходит его усиление. Если сигнал слабый, нужно его усилить больше. EI становится другим. Камеры предустанавливают заданный диапазон значений EI, который для упрощения называется ISO. Пошло с пленочного мира и сейчас используется для удобства. Диапазон зависит от возможностей матрицы. Например, на старых зеркалках не было возможности установить ISO 6400 просто из тех соображений, что при такой чувствительности качество изображения из-за шумов станет неприемлемым. Далее про усиление слабого сигнала.

Соотношение сигнал/шум

Следующая характеристика матрицы, неразрывно связанная с чувствительностью – соотношение сигнал/шум. Думаю, суть вам уже ясна. Выражаясь простым языком, это соотношение определяет, сколько полезного сигнала (света от снимаемого вами объекта) и шума будет содержаться в конечном изображении.

Выше мы говорили о том, что при попадании света на матрицу ее фотоэлементы генерируют сигналы в виде выходящего напряжения. Допустим, получается напряжение 0,2 В. Пусть это, к примеру, соответствует чистому зеленому цвету согласно sRGB пространству при ISO 200. Прикрывая диафрагму или делая короче выдержку, мы уменьшаем попадаемый на матрицу световой поток. Напряжение на матрице станет не 0,2, а 0,1 В (для примера, конечно). Что при заданном ISO 200 будет соответствовать не чистому зеленому цвету, а более темному зеленому с грязноватыми примесями. Если мы выставим на камере ISO 400, то напряжение автоматически поднимется до 0,2 В, и мы получим изначальный чистый зеленый цвет.

НО! При этом на матрице формируется плохая составляющая в виде шума, который при базовом ISO не заметен. Но, усиливая сигнал, мы также усиливаем и шум. В разумных пределах это допустимо и не критично. Важно понимать ту грань, когда последующее увеличение чувствительности и, соответственно, соотношения сигнал/шум ведет к неприемлемым результатам.

Допустим, вы снимаете друзей для публикации личных фотографий в социальные сети. Они не слишком заморачиваются безукоризненным качеством фотографий и хотят получить классные эмоции, яркие и приятные снимки. В таком случае небольшой или даже значительный шум, корректируемый в редакторе, не станет проблемой. Но, если вы фотографируете пейзаж и желаете его потом распечатать размером 30×40 см или больше, то лучше изначально выставлять минимально возможное ISO. В принципе, при съемке пейзажей придерживайтесь правила изначальной установки минимального ISO. Просто поставили его и забыли, дальше работайте с остальными параметрами.

Сигнал/шум также зависит от размера пикселя. Поэтому переходим к следующему параметру.

Разрешение матрицы

Популярный параметр, который до сих пор в некоторых магазинах применяется в качестве основного.

В технической документации можно увидеть, например, 6000 x 4000. Это значит, что по ширине расположено 6000 фотоэлементов, фиксирующих свет, а по высоте – 4000. Перемножив, получим общее количество фотоэлементов (пикселей) на матрице – 24000000. Для читабельности пишут 24 МП. Размерность – мегапиксели. Приставка «мега» соответствует степени 10 в 6й степени.

Больше мегапикселей не равно лучше

Современные камеры обычно комплектуются матрицами от 16 МП и выше. Но сейчас не редкость и 36 МП, и 42 МП. Встречаются модели и с большим разрешением. В этом и заключается традиционная маркетинговая уловка, на которую раньше, да и сейчас тоже, «ловят» покупателей, предлагая приобрести камеры с высоким разрешением, «забывая» о сопутствующих подвохах и вообще не интересуясь целями покупателя. А мы копнем чуть глубже и поинтересуемся размером пикселя.

Физический размер пикселя – очень важная характеристика, измеряется в мм или мкм. Если пиксель больше, то он сможет собрать больше света, и соотношение сигнал/шум будет выше со всеми вытекающими последствиями. Т.е. такая матрица при прочих равных будет шуметь меньше.

Определить очень просто. Возьмем матрицу популярного APS-C формата с разрешением 24 МП, что соответствует физическому размеру примерно 23.6 x 15.8 мм. Разрешение в пикселях ­– 6000 x 4000. Значит, по длинной стороне 6000 точек нашего выходного изображения формируется на 23.6 мм. Делим физическое расстояние на количество точек и получаем размер пикселя, составляющий примерно 0.004 мм. Если матрица такого же поколения, аналогичной структуры и физического размера обладает большим разрешением, то размер пикселя будет меньше, что увеличит нагрев и шумы. Говорят, нагрев примерно на 8 градусов ведет к двукратному росту шумов.

Практические особенности размера пикселя:

1. Шумы. Как неоднократно рассматривали, при прочих равных меньше пиксель = больше шумы.
2. Увеличенная шевеленка. Меньший пиксель более чувствителен к дрожанию рук и смещению камеры по отношению к снимаемому объекту. Представьте, будто пиксель по размеру соответствует теннисному мячу, а вы снимаете кота. Пиксель в виде теннисного мяча фиксирует свет, соответствующий темному пятну на шерсти кота. Если вы немного пошевелите матрицу с такими пикселями, то на этот пиксель вероятнее всего будет попадать свет от этого же темного пятна. Смещение не вызовет глобальных проблем в изображении. Предположим, что снимаем этого же кота на камеру с матрицей, обладающей маленькими пикселями, и на определенный пиксель попадает ворсинка пятна кота. Немного сместив камеру, получится, что пиксель будет фиксировать другую ворсинку.Таким образом, детализация растет, но изображение становится смазанным. Для определенных целей это подходит лучше, но требует больших навыков от фотографа и имеет свои особенности при съемке отдельных жанров.
3. Повышенные требования к объективу. Меньший физический размер пикселя говорит о том, что для получения детализированной фотографии разрешающая способность объектива должна быть выше. Объектив тоже имеет разрешающую способность, и на каждый миллиметр матрицы он может спроецировать ограниченное количество точек. Большей разрешающей способностью обладают более дорогие объективы. При этом, если разрешающая способность объектива ниже таковой у матрицы, то изображение будет недостаточно детализированным. Говорят, что «матрица не раскроется». По факту система не сбалансирована и результат будет, как на более дешевой, но сбалансированной технике.Разрешающая способность фотоаппарата, как целостной системы, не превышает разрешающей способности каждого из компонентов (матрицы или объектива). В идеале, их разрешающая способность должна быть примерно равна. Но практика, как обычно, вносит массу корректив.
4. Больше разрешение – мощнее компьютерное железо. Чем больше разрешение, тем большие требования предъявляются к компьютеру при обработке. Если вы желаете получить хорошие результаты и даже не снимаете в RAW (советую все-таки перейти к RAW’у), то вам все равно придется «вертеть» изображение в Photoshop’е или другом редакторе. А при разрешении 24 МП, 36 МП или выше это может быть проблемой. Даже если небольшие правки вносятся достаточно шустро, то небольшие задержки на большом фотосете будут раздражать и сильно красть время.

Динамический диапазон матрицы

Динамический диапазон (сокращенно ДД) определяет максимальный яркостной диапазон снимка.

Каждый пиксель обладает своей яркостью. Для упрощения будем рассматривать яркость отдельных участков кадра, например, неба. Допустим, вы снимаете городской пейзаж в яркий солнечный день, и в кадр попадает яркое небо и очень темные здания. Если вы экспонируете кадр (определяете экспозицию) по небу, то на выходе получается хорошо проработанное небо и темные или почти черные здания. Наоборот, экспонируя по зданиям, получаем их нормальную яркость, но при этом неба совершенно нет, вместо него белое пятно. Сталкивались с такой ситуацией? Думаю, наверняка.

Так вот динамический диапазон как раз определяет то, насколько широкий яркостной участок сможет охватить камера без потерь информации в самых светлых и самых темных частях кадра.

Динамический диапазон – это неизменная характеристика матрицы, зависящая от технологии производства. Мы можем лишь сузить его, установив большое значение чувствительности ISO, что, как вы понимаете, нежелательно.

На этой фотографии внизу достаточно темные участки, а вверху – яркие солнечные лучи, и съемка ведется в контровом свете, против солнца. Это заведомо тяжелые для камеры условия, создается слишком высокий контраст.

А вот еще более яркий пример с выбитым небом. Фактически классика, такого в папках многих людей предостаточно, и с этим нужно что-то делать.

Недостаточный динамический диапазон матрицы

В таком случае говорят, что снимаемая сцена не укладывается в динамический диапазон камеры. И нужно прибегать либо к перекомпоновке кадра, чтобы снизить контраст сцены, либо к использованию художественных приемов, обыгрывая недостатки техники, либо использовать технику его расширения (HDR). Вы резонно спросите: «Но ведь мы же видим одновременно и голубое небо, и темные детали. Как же так?». Сей факт можно отнести к несовершенству техники. Динамический диапазон глаза превышает диапазон камеры где-то в 2 раза.

Резюмируем

Сразу хочу развеять ваши сомнения. Цель этой статьи — заложить у вас понимание, что и как работает. Не расстраивайтесь, если многое непонятно — главное, создать «полочки» в вашей голове, структуру, а потом по мере надобности заполнять их информацией. Но материал, безусловно, важен и является костяком для понимания фотографии. Поэтому, если совсем ничего непонятно, перечитайте еще раз либо вернитесь к нему позднее. И специально для вас сделаю краткую выдержку из того, что желательно отложить у себя в голове:

1. Матрица – это один из важнейших элементов в камере, который фиксирует свет, превращая его в электрические сигналы. Не может быть заменена в камере. Является аналогом пленки в пленочных фотоаппаратах.
2. Процесс получения снимка, когда открыт затвор, называется экспонированием.
3. Матрица имеет множество характеристик. Размер – одна из важнейших, по нему косвенно можно предполагать остальные параметры. Как класс автомобиля – от седана B-класса не ждешь огромного пространства, как в седане E-класса, каким бы продвинутым и дорогим он ни был.
4. Выбирая камеру с тем или иным размером матрицы, стоит понимать ее достоинства и недостатки и быть готовым ими пользоваться. Маленькая матрица больше всего страдает в условиях, когда света недостаточно. Если планируете развиваться в сфере фотографии и вам это действительно нравится, советую обратить внимание на формат Micro 4/3 или остановиться на APS-C варианте.
5. Качественная матрица — залог хорошего изображения. При выборе камеры нужно начинать с нее. С другой стороны, в крайности бросаться тоже не нужно – дорогая полнокадровая камера с дешевым объективом вряд ли принесет хороший результат. Точнее, он будет хуже, чем мог бы быть. Но сегодня камеру с откровенно плохой матрицей нужно поискать.
6. Не гонитесь за высоким разрешением. Даже минимального в современных камерах будет за глаза.
7. Вообще по приоритету, что важно для получения качественного изображения, . Рекомендую прочесть, если еще не читали. Если у вас сложилось впечатление превосходства технических параметров над творчеством, эта статья покажет вам обратное, подводя к мысли, что важен баланс. Возможно смещение в творческую сторону. Но смещение в сторону технофильства ни к чему хорошему в плане результатов не приводит.

И конечно же, я к вашим услугам! На все возможные вопросы в рамках моей компетенции всегда готов ответить в комментариях.