Фотографическая широта

Фотографическая широта

Фотографическая широта, динамический диапазон фотоматериала — характеристика светочувствительного материала (фотоплёнки, передающей телевизионной трубки, матрицы) в фотографии, телевидении и кино.

  • Определяет способность светочувствительного материала правильно передавать яркость снимаемого объекта.
  • Измеряется как отношение величин максимальной и минимальной экспозиции линейного участка характеристической кривой.
  • Выражается в виде двоичного («ступени экспозиции») или десятичного (обозначается как 1.1D) логарифма этого отношения.
  • Правильная передача яркостей означает, что с некоторой точностью равные отличия яркостей элементов объекта передаются равными отличиями в его изображении (иными словами, передаточная характеристика на данном участке достаточно линейна).
  • Для цветных фотоматериалов дополнительным критерием правильности является Баланс белого цвета для соответствующего диапазона экспозиций.
L=lg(H2/H1)=lgH2-lgH1

где L — фотографическая широта, Н — экспозиция, см. рис. 1 — График характеристической кривой фотоплёнки

Рис. 1. Характеристическая кривая типичной фотоплёнки

Динамический диапазон фотоматериала — синоним фотографической широты. В современной фотографии термин «Фотографическая широта» традиционно применяется чаще для собственно плёночного фотографического процесса, в то время как «Динамический диапазон» — для электронной аппаратуры (например, телекамер) и в цифровой обработке изображений (например, по отношению к сканерам).

Также термин Фотографическая широта может употребляться фотографами как обозначение величины допустимого отклонения экспозиции для конкретного фотоматериала в конкретных условиях съёмки, с сохранением передачи деталей в светах и тенях сцены. В этом случае её величина зависит не только от свойств фотоматериала и объекта съёмки, но и от задачи, которую ставит фотограф.

Содержание

Рис. 2 Характеристическая кривая цифровой фотографической матрицы

Также термин «фотографическая широта» используется как характеристика всего фотографического процесса (а не отдельного его элемента) — от снимаемого объекта до конечного изображения. В этом случае она может быть как меньше фотографической широты светочувствительного материала (из-за недостатков преобразования изображения), так и больше её (благодаря применению технологии HDRi).

История

На первом этапе развития фотографии измеряли лишь светочувствительность фотоматериалов по степени их почернения.

Выбор правильной экспозиции фотопластинок, плёнки и фотобумаги для получения максимально качественного изображения потребовал введения представления о контрасте получаемого изображения, поставил вопрос о диапазоне яркостей фотографируемых объектов.

В 1890 году английскими учёными Хертером и В. Дриффилдом было введено понятие характеристическая кривая и фактически создана сенситометрия, система измерения и оценки характеристик светочувствительных материалов.

При сенситометрических исследованиях было обнаружено, что характеристическая кривая разных галогеносеребряных фотоматериалов существенно нелинейна — в её начальном участке имеется область вуали D0, затем выше точки D0+0,1 можно выделить участок приблизительно линейного нарастания почернения в зависимости от экспозиции. Далее, при больших экспозициях степень почернения фотоматериала переходит через максимум Dmax и затем может быть ниже максимальной (область соляризации).

Типичные показатели фотографической широты фотоматериалов

Для практического использования чаще используют понятие «полезная фотографическая широта» материала — Lmax на рис.1. Отвечает «полезному интервалу экспозиций», и соответствует «умеренной нелинейности» — более длинному участку характеристической кривой, от порога наименьшего почернения до точки вблизи точки максимальной оптической плотности фотослоя. Порог наименьшего почернения определяется как D0+0,1 , где D0 — оптическая плотность вуали.

  • Чёрно-белые негативные плёнки от 2.5[1] до 9 ступеней.
  • Чёрно-белые слайдовые (обращаемые) плёнки от 1.5[2] до 5 ступеней.
  • Чёрно-белые фотобумаги: 0,7 (контрастные) — 1,7 (мягкие)
  • Цветные негативные плёнки от 4[3] до 5 ступеней.
  • Цветные слайдовые (обращаемые) плёнки от 2[4] до 4 ступеней.
  • Специальные сверхконтрастные плёнки — менее 2 ступеней экспозиции.
  • Специальные низкоконтрастные плёнки — более 11 ступеней экспозиции.
  • Ранние CCD-матрицы — 5 ступеней.
  • Типичные современные матрицы для систем видеонаблюдения — 9—10 ступеней, однако сейчас в таких камерах применяется HDR, в результате фотографическая широта такой камеры в целом может быть произвольной.
  • Современные CCD-матрицы RGBG (основной производитель — Sony) — 9—10 ступеней.
  • Матрицы с фильтрами CYGM (сокр. от англ. Cyan Yellow Green Magenta), RGBW (сокр. от англ. Red Green Blue White, например CFAK-матрица} — 10—11 ступеней.
  • Super-CCD-матрицы rgbG в аппаратах Fuji S3 Pro — 9—12 ступеней.
  • Цифровая SIMD-матрица (сокр. от англ. Single Instruction, Multiple Data) — по последним данным, 16 и более ступеней.

Зачем увеличивать фотографическую широту

Рис. 3 Дефекты «выгорания» светов (A) и зачернения теней (B) на снимке, сделанном на материал с недостаточной для данной сцены фотографической широтой

Недостаточная фотографическая широта фотографического процесса приводит к потере деталей изображения (клиппинг в светах и тенях конечного изображения (см. рис. 3).

Глаз человека, благодаря сложной системе регулирования, обладает высочайшей способностью к восприятию и передаче диапазона яркостей света и цвета объекта. Поэтому, чем больше фотографическая широта фотографического процесса, тем больший диапазон полученных в его результате изображений может быть воспринят глазом как реалистические.

Ограничивающие свойства выходного сигнала

Диапазон значений выходного сигнала светочувствительного материала не определяет фотографическую широту как таковую. Однако мы измеряем и в дальнейшем используем именно выходной сигнал, поэтому его ограничения влияют на получаемое значение фотографической широты.

Ограничение снизу: аналоговая вуаль и цифровой шум

  • Для фотографической плёнки и фотобумаги — плотность вуали (собственная оптическая плотность неэкспонированного материала);
  • для аналоговых устройств — величина собственного шума устройства;
  • для цифровых устройств — величина собственного теплового шума матрицы + шум переноса заряда + величина погрешности АЦП (аналого-цифрового преобразования), также называемая «шумом дискретизации» или «шумом квантования сигнала».

Чем больше собственный аналоговый шум и вуаль плёнки, тем выше (при прочих одинаковых параметрах преобразования) тот минимальный уровень экспозиции, при котором начинается линейная часть характеристической кривой материала. Тем меньше фотографическая широта.

Foto-wiki-Analog-to-Digital-Bits.gif

Шум квантования означает, что несмотря на сохранение формальной линейности преобразования, плавное изменение яркости передаётся в виде ступенчатого сигнала, а значит, не всегда разные уровни яркости объекта передаются разными уровнями выходного сигнала. На рисунке показан пример для АЦП с разным числом бит. При трёхбитном АЦП в диапазоне 0—1 ступеней экспозиции любые изменения яркости преобразуются в значение 0 или 1. Поэтому все детали изображения, оказавшиеся в этом диапазоне экспозиций, будут потеряны. При четырёхбитном АЦП передача деталей в диапазоне экспозиций 0—1 становится возможной, а это и означает расширение фотографической широты.

Не следует путать разрядность АЦП и фотографическую широту аналогового приемника. Повышение разрядности АЦП позволяет точнее измерять аналоговый сигнал, получаемый со светоприемника, однако эти две величины не связаны прямыми соотношениями (Аналого-цифровой преобразователь). На самом деле АЦП измеряет и квантует (Квантование (информатика)) величину заряда, накопленную в зарядовом кармане (Матрица (фото)), в результате выработки ЭДС фотодиодом, при падении на него оптического сигнала. При этом величина экспозиции полученного оптического сигнала не связана в общем случае прямым соотношением с величиной заряда, накопленной зарядовым карманом (поскольку это зависит от ряда параметров, в том числе чувствительности фотодиода(Фотодиод), в то время как величина насыщения зарядового кармана также не связана и с глубиной дискретизации АЦП (Поскольку нет фундаментальных правил, указывающих на какое конечное число интервалов следует разбить одну и туже амплитуду входного аналогового сигнала).

Существует физический предел у светочувствительных элементов фотоэлектрического принципа действия, называемый обычно «пределом квантования заряда». Электрический заряд в одном элементе, величина которого и преобразуется в выходной сигнал устройства, состоит из электронов. Типичные их количества сейчас — до 30000 электронов в насыщенном элементе матрицы. А собственные шумы не бывают ниже, чем 1—2 электрона. Так как число электронов примерно соответствует количеству поглощённых квантов, то это и определяет максимальную теоретически достижимую для такого элемента фотографическую широту — около 14 ступеней экспозиции (двоичный логарифм от 30000).

Влияние зернистости и цветопередачи на широту

Нижний порог фотографической широты плёнки дополнительно обусловлен уровнем зернистости или «шума». В чёрно-белых фотоплёнках зёрна серебра в светочувствительном слое формируют изображение и определяют зернистость. В цветных фотоплёнках каждое зерно металлического серебра при цветном проявлении порождает существенно более крупное образование из красителя. Это делает принципиально различным характер шума на различных типах плёнок и затрудняет точное определение нижней границы экспозиции. Кроме того, в нелинейных областях искажается цветопередача на плёнке из-за различных свойств цветочувствительных слоёв, что дополнительно уменьшает фотографическую широту цветных плёнок по сравнению с чёрно-белыми.

Ограничения сверху: насыщение и переэкспозиция

  • Для фотоплёнки и фотобумаги это плотность засвеченных участков, нелинейность степени почернения при высоких экспозициях;
  • для аналоговых устройств это максимальная величина сигнала, снимаемого со светочувствительного элемента;
  • для цифровых устройств это максимальное числовое значение пиксела.

Особенности цифровых систем

Помимо самого светочувствительного элемента, цифровой фотоаппарат подразумевает различную обработку полученного изображения. По аналогии с плёнкой, на цифровой матрице получается «негатив» — сырой набор данных (записывается в виде файлов формата RAW).

Для дальнейшего просмотра на компьютере или для печати на принтере его надо преобразовать в «отпечаток» (обычно файлы формата JPG).

Формат файлов DNG (англ. Digital Negative) является наиболее удобным контейнером одновременно для сырой информации с матрицы и для обработанного изображения, а также параметров съёмки и преобразования одного в другое.

Если речь идёт о фотографической широте цифрового фотоаппарата в целом, а не его матрицы, это означает фактически фотографическая широта фотографического процесса (объект — матрица — файл JPG), и результат принципиально зависит от того, какие настройки преобразования сырых данных матрицы в конечный файл выставлены в самом фотоаппарате. Например, чем больше выставлен контраст, тем меньше будет фотографическая широта фотопроцесса в целом.

Методы увеличения фотографической широты

Увеличение фотографической широты методом HDR

Получение изображений объектов большего диапазона яркостей, чем фотографическая широта конкретного светочувствительного материала, делается путём многократной съёмки объекта с разным выставленным значением экспозиции. В фотолюбительской практике для такой съёмки применяется термин эксповилка, или «брекетинг» — калька с соответствующего английского термина англ. bracketing. После получения двух и более снимков, сделанных в одних и тех же условиях с разной экспозицией, эти снимки обрабатыватся для получения «HDR-изображения»[5]. В некоторых цифровых камерах этот процесс встроен.

Super-CCD-матрицы rgbG в аппаратах Fujifilm

В этих матрицах для увеличения фотографической широты используется наличие на одной и той же матрице элементов различной площади и различной эффективной чувствительности. Передача низких уровней яркости обеспечивается элементами большой чувствительности, а высоких яркостей — низкой[6].

SIMD-матрица в камерах систем видеонаблюдения

Цифровая SIMD-матрица (сокр. от англ. Single Instruction, Multiple Data). В этих камерах осуществляется настройка оптимального времени экспозиции для каждого пикселя в зависимости от уровня освещенности в данном участке кадра. Для этих технологий в данный момент применяется термин «Широкий динамический диапазон» (англ. Wide Dynamic Range).[7].

См. также

Примечания

Ссылки


Wikimedia Foundation. 2010.

Нужно решить контрольную?

Полезное


Смотреть что такое "Фотографическая широта" в других словарях:

  • фотографическая широта — Параметр, характеризующий способность светочувствительного слоя воспроизводить с одинаковой степенью контраста различия в яркостях участков оптического изображения объекта (оригинала). [http://ofyug.ru/useful/abc/913] Тематики полиграфия …   Справочник технического переводчика

  • фотографическая широта — Параметр, характеризующий способность светочувствительного слоя воспроизводить с одинаковой степенью контраста различия в яркостях участков оптического изображения объекта (оригинала). Фотографическая широта соответствует интервалу значений… …   Краткий толковый словарь по полиграфии

  • Фотографическая широта —         проекция прямолинейного участка характеристической кривой (См. Характеристическая кривая) фотографического материала на ось логарифмов экспозиций (См. Экспозиция). Ф. ш. показывает то предельное отношение яркостей на объекте съёмки,… …   Большая советская энциклопедия

  • Photographic latitude — Фотографическая широта …   Краткий толковый словарь по полиграфии

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

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

  • Характеристическая кривая — Основная статья: Сенситометрия Характеристическая кривая светочувствительного материала график зависимости выходного сигнала фотографического процесса (плотность фотоплёнки, аналоговый электрический сигнал видеокамеры, значение пиксела в цифровом …   Википедия

  • Динамический диапазон в фотографии — Динамический диапазон (далее ДД) одна из основных характеристик фотографических материалов (плёнка, фотобумага) и матриц цифровых фотоаппаратов, показывающая максимальный диапазон яркостей объекта съёмки, которые могут быть переданы матрицей или… …   Википедия

  • АЦПУ — Компьютерный принтер (англ. printer печатник) устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера. Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ… …   Википедия

  • Картридж чернильный — Компьютерный принтер (англ. printer печатник) устройство печати цифровой информации на твёрдый носитель, обычно на бумагу. Относится к терминальным устройствам компьютера. Процесс печати называется вывод на печать, а получившийся документ… …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»