DINAMIČNI RAZPON V DIGITALNI FOTOGRAFIJI
Dinamični razpon v fotografiji opisuje razmerje med največjo in najmanjšo merljivo jakostjo svetlobe (belo oziroma črno). V resničnem svetu nikoli ne naletimo na pravo belo ali črno - le različne stopnje intenzivnosti svetlobnega vira in odsevnosti subjekta. Zato koncept dinamičnega razpona postane bolj zapleten in je odvisen od tega, ali opisujete zajemno napravo (kot je kamera ali optični bralnik), prikazovalno napravo (kot je tiskalni ali računalniški zaslon) ali subjekt sam.
Tako kot pri upravljanju barv ima vsaka naprava v zgornji slikovni verigi svoj dinamični razpon. Na tiskovinah in računalniških zaslonih nič ne more postati svetlejše od bele barve papirja ali slikovne pike največje intenzivnosti. Še ena naprava, ki ni prikazana zgoraj, so naše oči, ki imajo prav tako svoj dinamični razpon. Prevajanje informacij o sliki med napravami lahko torej vpliva na to, kako se slika reproducira. Koncept dinamičnega razpona je torej uporaben za relativne primerjave med dejanskim prizorom, vašo kamero in sliko na vašem zaslonu ali v končnem natisu.
VPLIV SVETLOBE:OSVETLJENOST IN ODSEVNOST
Jakost svetlobe je mogoče opisati z vpadno in odbito svetlobo; oba prispevata k dinamičnemu razponu scene (glejte vadnico o "merjenju in osvetlitvi kamere").
Prizori z velikimi variacijami odbojnosti, kot so tisti, ki poleg močnih odsevov vsebujejo črne predmete, imajo lahko dejansko večji dinamični razpon kot prizori z velikimi variacijami vpadne svetlobe. Fotografija v katerem koli scenariju lahko zlahka preseže dinamični razpon vašega fotoaparata – še posebej, če osvetlitev ni na mestu.
Natančna meritev intenzivnosti svetlobe ali svetilnosti je zato kritična pri ocenjevanju dinamičnega razpona. Tukaj uporabljamo izraz osvetljenost, da določimo samo vpadno svetlobo. Tako osvetljenost kot svetilnost se običajno merita v kandelah na kvadratni meter (cd/m). Spodaj so prikazane približne vrednosti za pogoste vire svetlobe.
Tukaj vidimo velike variacije, ki so možne za vpadno svetlobo, saj je zgornji diagram pomanjšan na potence desetih. Če je bil prizor neenakomerno osvetljen z neposredno in ovirano sončno svetlobo, lahko samo to močno poveča dinamični razpon prizora (kot je razvidno iz primera sončnega zahoda v kanjonu z delno osvetljeno steno pečine).
DIGITALNE KAMERE
Čeprav je pomen dinamičnega razpona za prizor v realnem svetu preprosto razmerje med najsvetlejšimi in najtemnejšimi območji (kontrastno razmerje), postane njegova definicija bolj zapletena pri opisovanju merilnih naprav, kot so digitalni fotoaparati in skenerji. Spomnite se iz vadnice o senzorjih digitalnih fotoaparatov, da se svetloba meri pri vsaki slikovni piki v votlini ali vdolbini (mesto za fotografije). Velikost vsakega mesta s fotografijami poleg tega, kako se meri njegova vsebina, določa dinamični razpon digitalnega fotoaparata.
Raven črne(Omejeno s šumom)
Raven beline(nasičeno spletno mesto za fotografije)
Stopnja temnejše beline(spletno mesto z nizko zmogljivostjo)
Fotografije si lahko predstavljamo kot vedra, ki zadržujejo fotone, kot bi bili voda. Če je torej vedro prepolno, se bo prelilo. Fotografsko mesto, ki se preliva, naj bi postalo nasičeno in zato ne more razločiti med dodatnimi vhodnimi fotoni - s čimer se določi raven beline kamere. Za idealno kamero bi bilo njeno kontrastno razmerje torej le število fotonov, ki bi jih lahko vsebovala znotraj posameznega fotomesta, deljeno z najtemnejšo merljivo jakostjo svetlobe (en foton). Če bi vsak imel 1000 fotonov, bi bilo kontrastno razmerje 1000:1. Ker lahko večja mesta za fotografije vsebujejo večji razpon fotonov, je dinamični razpon na splošno večji pri digitalnih zrcalnorefleksnih fotoaparatih v primerjavi s kompaktnimi fotoaparati (zaradi večjih velikosti slikovnih pik).
Tehnična opomba :Pri nekaterih digitalnih fotoaparatih obstaja razširjena nizka nastavitev ISO, ki povzroči manj šuma, vendar tudi zmanjša dinamični razpon. To je zato, ker nastavitev dejansko preosvetli sliko za polno f-stop, vendar kasneje skrajša svetle dele — s tem poveča svetlobni signal. Primer tega je veliko Canonovih fotoaparatov, ki imajo hitrost ISO-50 pod običajno ISO-100.
V resnici potrošniške kamere ne morejo šteti posameznih fotonov. Dinamično območje je torej omejeno z najtemnejšim tonom, kjer ni več mogoče razbrati teksture; temu pravimo črna raven. Raven črne je omejena s tem, kako natančno je mogoče izmeriti posamezno mesto fotografije, zato je v temi omejena s šumom slike. Zato se dinamični razpon na splošno poveča pri nižjih hitrostih ISO in fotoaparatih z manjšim šumom meritev .
Tehnična opomba :Tudi če bi lahko fotostran preštel posamezne fotone, bi bil še vedno omejen s fotonskim šumom. Fotonski šum nastane zaradi statističnih sprememb v prihodu fotonov in zato predstavlja teoretični minimum za šum. Skupni šum predstavlja vsoto fotonskega šuma in odčitanega šuma.
Na splošno lahko dinamični razpon digitalnega fotoaparata opišemo kot razmerje med največjo merljivo jakostjo svetlobe (pri nasičenosti slikovnih pik) in najmanjšo merljivo jakostjo svetlobe (nad šumom odčitavanja). Najpogosteje uporabljena enota za merjenje dinamičnega razpona v digitalnih fotoaparatih je f-stop, ki opisuje skupni obseg svetlobe s potencami 2. Kontrastno razmerje 1024:1 bi torej lahko opisali tudi kot dinamično območje 10 f-stopenj (ker je 2 =1024). Odvisno od uporabe je lahko vsak f-stop enote opisan tudi kot "cona" ali "eV."
SKENERJI
Za optične bralnike velja enako merilo nasičenosti:šuma kot za dinamični razpon v digitalnih fotoaparatih, le da je namesto tega opisan z gostoto (D). To je uporabno, ker je konceptualno podobno temu, kako pigmenti ustvarjajo tone v tiskanih medijih, kot je prikazano spodaj.
 |  |  | |
| Nizka odbojnost (visoka gostota) | Visok odboj (nizka gostota) | Visoka gostota pigmenta (temnejši ton) | Nizka gostota pigmenta (svetlejši ton) |
Celotno dinamično območje v smislu gostote je torej največja gostota pigmenta (D) minus minimalna gostota pigmenta (D). Za razliko od potenc 2 za f-postanke se gostota meri s potencami 10 (tako kot Richterjeva lestvica za potrese). Gostota 3,0 torej predstavlja kontrastno razmerje 1000:1 (ker je 10 =1000).
| Dinamični razpon izvirnika |    |
|---|---|
| Dinamični razpon skenerja |
Namesto navajanja skupne gostote (D) proizvajalec optičnega bralnika običajno navede samo vrednost D, saj je D-D približno enak D. To je zato, ker ima optični bralnik v nasprotju z digitalnimi fotoaparati popoln nadzor nad svojim svetlobnim virom, kar zagotavlja minimalno fotosite pride do nasičenosti.
Za visoko gostoto pigmenta veljajo enake omejitve hrupa za optične bralnike kot za digitalne fotoaparate (ker oba za merjenje uporabljata vrsto foto mest). Zato je merljivi D določen tudi s šumom, ki je prisoten med odčitavanjem svetlobnega signala.
PRIMERJAVA
Dinamični razpon se tako močno spreminja, da se običajno meri na logaritemski lestvici, podobno kot se na isti Richterjevi lestvici merijo zelo različne jakosti potresov. Tukaj prikazujemo največji merljivi (ali ponovljivi) dinamični razpon za več naprav v smislu katere koli želene mere (f-postanki, gostota in kontrastno razmerje). Premaknite miško nad vsako od spodnjih možnosti, da jih primerjate.
| Izberite meritev za dinamični razpon: | ||
|---|---|---|
| f-postanki | Gostota | Razmerje kontrasta |
| Izberite vrste za prikaz zgoraj: | |||
|---|---|---|---|
| Tiskani mediji | Skenerji | Digitalni fotoaparati | Prikazovalne naprave |
Upoštevajte veliko razliko med ponovljivim dinamičnim razponom v natisih in tistim, ki ga lahko izmerijo skenerji in digitalni fotoaparati. Za primerjavo z realnim dinamičnim razponom v prizoru se ti razlikujejo od približno 3 stopenj f za oblačen dan s skoraj enakomerno odbojnostjo do 12+ stopenj f za sončen dan z zelo neenakomerno odbojnostjo.
Pri razlagi zgornjih številk je treba biti previden; dinamični razpon v resničnem svetu je močna funkcija ambientalne svetlobe za tiskanje in prikazovalne naprave. Natisi, ki jih ne gledate pri ustrezni svetlobi, morda ne bodo dali celotnega dinamičnega razpona, medtem ko zaslonske naprave potrebujejo skoraj popolno temo, da uresničijo svoj polni potencial – zlasti za plazemske zaslone. Končno so te vrednosti samo grobi približki; dejanske vrednosti so odvisne od starosti naprave, generacije modela, cenovnega razreda itd.
Upoštevajte, da so kontrastna razmerja za zaslonske naprave pogosto močno pretirana , saj ni proizvajalčevega standarda za njihovo navedbo. Kontrastna razmerja, ki presegajo 500:1, so pogosto le posledica zelo temne črne točke namesto svetlejše bele točke. Zato je treba pozornost posvetiti kontrastnemu razmerju in svetilnosti. Visoka kontrastna razmerja (brez ustrezne višje svetilnosti) lahko popolnoma izniči celo ambientalna svetloba sveč.
ČLOVEŠKO OKO
Človeško oko lahko dejansko zazna večji dinamični razpon, kot je običajno mogoče s kamero. Če bi upoštevali situacije, ko se naša zenica odpira in zapira za različno svetlobo, lahko naše oči vidijo v obsegu skoraj 24 f-stopenj.
Po drugi strani pa lahko za natančne primerjave z eno samo fotografijo (pri konstantni zaslonki, zaklopu in ISO) upoštevamo le trenutni dinamični razpon (kjer je odprtost naše zenice nespremenjena). To bi bilo podobno, kot če bi gledali eno regijo v prizoru, pri čemer pustili našim očem, da se prilagodijo, in ne gledali nikamor drugam. Glede tega scenarija obstaja veliko nesoglasij, saj se občutljivost in dinamični razpon našega očesa dejansko spreminjata glede na svetlost in kontrast. Večina ocenjuje nekje od 10 do 14 stopenj f.
Težava s temi številkami je, da so naše oči izjemno prilagodljive. V situacijah opazovanja zvezd pri izjemno šibki svetlobi (kjer so se naše oči prilagodile na uporabo paličastih celic za nočno gledanje) se naše oči približajo še višjim trenutnim dinamičnim razponom (glejte vadnico o "Zaznavanju barv človeškega očesa").
BITNA GLOBINA IN MERILNI DINAMIČNI RAZPON
Tudi če bi digitalni fotoaparat lahko zajel širok dinamični razpon, lahko natančnost, s katero se svetlobne meritve pretvorijo v digitalne vrednosti, omeji uporaben dinamični razpon. Delovni konj, ki te zvezne meritve pretvori v diskretne številske vrednosti, se imenuje analogno-digitalni (A/D) pretvornik. Natančnost A/D pretvornika je mogoče opisati v smislu bitov natančnosti, podobno bitni globini v digitalnih slikah, čeprav je treba paziti, da se ti koncepti ne uporabljajo zamenljivo. A/D pretvornik ustvarja vrednosti za format datoteke RAW digitalnega fotoaparata.
| Bitna natančnost analogno-digitalnega pretvornika | Razmerje kontrasta | Dinamični razpon | |
|---|---|---|---|
| f-stopi | Gostota | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3.0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3.6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4.2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4.8 |
Opomba:zgornje vrednosti so samo za natančnost A/D pretvornika in se jih ne sme uporabljati za razlago rezultatov za 8- in 16-bitne slikovne datoteke. Poleg tega so prikazane vrednosti teoretični maksimum, ob predpostavki, da hrup ni omejujoč, in to velja samo za linearne A/D pretvornike.
Na primer, 10-bitna tonska natančnost se pretvori v možno območje svetlosti 0–1023 (ker je 2 =1024 ravni). Ob predpostavki, da je vsako število A/D pretvornika sorazmerno z dejansko svetlostjo slike (kar pomeni, da dvakratna vrednost pikslov predstavlja dvakratno svetlost), lahko 10-bitna natančnost kodira samo kontrastno razmerje 1024:1.
Večina digitalnih fotoaparatov uporablja 10- do 14-bitni A/D pretvornik, zato je njihov teoretični največji dinamični razpon 10-14 stopenj. Vendar ta visoka bitna globina le pomaga zmanjšati posterizacijo slike, saj je skupni dinamični razpon običajno omejen z ravnmi šuma. Podobno kot slika z visoko bitno globino ne pomeni nujno, da slika vsebuje več barv, če ima digitalni fotoaparat visoko natančen A/D pretvornik, to ne pomeni nujno, da lahko posname večji dinamični razpon. Dejansko si dinamični razpon lahko predstavljamo kot višino stopnišča, medtem ko si lahko globino predstavljamo kot število stopnic. V praksi se dinamični razpon digitalnega fotoaparata sploh ne približa teoretičnemu maksimumu A/D pretvornika; 8-12 postankov je na splošno vse, kar lahko pričakujemo od fotoaparata.
VPLIV VRSTE SLIKE IN TONALNE KRIVULJE
Ali lahko digitalne slikovne datoteke dejansko posnamejo celoten dinamični razpon vrhunskih naprav? Zdi se, da je na internetu veliko zmede glede pomembnosti bitne globine slike za zapisljiv dinamični razpon.
Najprej moramo razlikovati, ali govorimo o dinamičnem razponu, ki ga je mogoče zapisati, ali dinamičnem razponu, ki ga je mogoče prikazati. Celo običajna 8-bitna slikovna datoteka JPEG lahko posname neskončen dinamični razpon - ob predpostavki, da se med pretvorbo RAW uporabi prava tonska krivulja (glejte vadnico o krivuljah pod motivacijo:dinamični razpon) in da ima A/D pretvornik zahtevana bitna natančnost. Težava je v uporabnosti tega dinamičnega razpona; če je premalo bitov porazdeljenih po prevelikem tonskem razponu, lahko to povzroči posterizacijo slike.
Po drugi strani pa je dinamični razpon, ki ga je mogoče prikazati, odvisen od korekcije gama ali tonske krivulje, ki jo implicira slikovna datoteka ali uporabljata video kartica in prikazovalna naprava. Z uporabo gama 2,2 (standard za osebne računalnike) bi bilo teoretično mogoče kodirati dinamični razpon skoraj 18 stopenj f (glejte vadnico o korekciji gama, ki bo dodana). Vendar pa bi to spet trpelo zaradi hude posterizacije. Edina trenutna standardna rešitev za kodiranje skoraj neskončnega dinamičnega razpona (brez vidne posterizacije) je uporaba slikovnih datotek z visokim dinamičnim razponom (HDR) v Photoshopu (ali drugem podpornem programu).
