Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Фотографічна широта



План:


Введення

Фотографічна широта, динамічний діапазон фотоматеріалу - характеристика світлочутливого матеріалу ( фотоплівки, передавальної телевізійної трубки, матриці) в фотографії, телебаченні і кіно.

  • Визначає здатність світлочутливого матеріалу правильно передавати яскравість об'єкту, що знімається.
  • Вимірюється як відношення величин максимальної та мінімальної експозиції лінійної ділянки характеристичної кривої.
  • Виражається у вигляді двійкового ("ступені експозиції") або десяткового (позначається як 1.1D) логарифма цього відношення.
  • Правильна передача яркостей означає, що з деякою точністю рівні відмінності яркостей елементів об'єкта передаються рівними відмінностями в його зображенні (іншими словами, передатна характеристика на даній ділянці досить лінійна).
  • Для кольорових фотоматеріалів додатковим критерієм правильності є Баланс білого кольору для відповідного діапазону експозицій.
L = lg (H 2 / H 1) = lgH 2-lgH 1

де L - фотографічна широта, Н - експозиція, див. рис. 1 - Графік характеристичної кривої фотоплівки

Рис. 1. Характеристична крива типовою фотоплівки

Динамічний діапазон фотоматеріалу - синонім фотографічної широти. У сучасній фотографії термін "Фотографічна широта" традиційно застосовується частіше для власне плівкового фотографічного процесу, в той час як " Динамічний діапазон "- для електронної апаратури (наприклад, телекамер) і в цифровій обробці зображень (наприклад, по відношенню до сканерів).

Також термін Фотографічна широта може вживатися фотографами як позначення величини допустимого відхилення експозиції для конкретного фотоматеріалу в конкретних умовах зйомки, із збереженням передачі деталей у світлі і тінях сцени. У цьому випадку її величина залежить не тільки від властивостей фотоматеріалу та об'єкта зйомки, але і від завдання, яке ставить фотограф.


Рис. 2 Характеристична крива цифровий фотографічної матриці

Також термін "фотографічна широта" використовується як характеристика всього фотографічного процесу (а не окремого його елемента) - від об'єкту, що знімається до кінцевого зображення. У цьому випадку вона може бути як менше фотографічної широти світлочутливого матеріалу (через недоліки перетворення зображення), так і більше її (завдяки застосуванню технології HDRi).


1. Історія

На першому етапі розвитку фотографії вимірювали лише світлочутливість фотоматеріалів за ступенем їх почорніння.

Вибір правильної експозиції фотопластинок, плівки та фотопаперу для отримання максимально якісного зображення зажадав введення уявлення про контрасті одержуваного зображення, поставив питання про діапазон яркостей фотографованих об'єктів.

В 1890 англійськими вченими Хертер і В. Дріффілдом було введено поняття характеристична крива і фактично створена сенситометрия, система вимірювання та оцінки характеристик світлочутливих матеріалів.

При сенситометричних дослідженнях було виявлено, що характеристична крива різних галогеносеребряних фотоматеріалів істотно нелінійна - в її початковому ділянці є область вуалі D 0, потім вище точки D 0 +0,1 можна виділити ділянку приблизно лінійного наростання почорніння в залежності від експозиції. Далі, при великих експозиціях ступінь почорніння фотоматеріалу переходить через максимум D max і потім може бути нижче максимальної (область соляризації).


2. Типові показники фотографічної широти фотоматеріалів

Для практичного використання частіше використовують поняття "корисна фотографічна широта" матеріалу - L max на рис.1. Відповідає "корисному інтервалу експозицій", і відповідає "помірної нелінійності" - більш довгому ділянці характеристичною кривою, від порога найменшого почорніння до точки поблизу точки максимальної оптичної щільності фотослоя. Поріг найменшого почорніння визначається як D 0 +0,1, де D 0 - оптична щільність вуалі.

  • Чорно-білі негативні плівки від 2.5 [1] до 9 щаблів.
  • Чорно-білі слайдові (обертаються) плівки від 1.5 [2] до 5 ступенів.
  • Чорно-білі фотопаперу: 0,7 (контрастні) - 1,7 (м'які)
  • Кольорові негативні плівки від 4 [3] до 5 ступенів.
  • Кольорові слайдові (обертаються) плівки від 2 [4] до 4 ступенів.
  • Спеціальні сверхконтрастние плівки - менше 2 ступенів експозиції.
  • Спеціальні низькоконтрастних плівки - більше 11 ступенів експозиції.
  • Ранні CCD-матриці - 5 ступенів.
  • Типові сучасні матриці для систем відеоспостереження - 9-10 ступенів, однак зараз в таких камерах застосовується HDR, в результаті фотографічна широта такої камери в цілому може бути довільною.
  • Сучасні CCD-матриці RGBG (основний виробник - Sony) - 9-10 ступенів.
  • Матриці з фільтрами CYGM (скор. від англ. Cyan Yellow Green Magenta ), RGBW (скор. від англ. Red Green Blue White , Наприклад CFAK-матриця } - 10-11 щаблів.
  • Super-CCD-матриці rgbG в апаратах Fuji S3 Pro - 9-12 ступенів.
  • Цифрова SIMD-матриця (скор. від англ. Single Instruction, Multiple Data ) - За останніми даними, 16 і більше щаблів.

3. Навіщо збільшувати фотографічну широту

Рис. 3 Дефекти "вигорання" світел (A) і зачорніння тіней (B) на знімку, зробленому на матеріал з недостатньою для даної сцени фотографічною широтою

Недостатня фотографічна широта фотографічного процесу призводить до втрати деталей зображення ( кліппінг в світлі і тінях кінцевого зображення (див. рис. 3).

Очей людини, завдяки складній системі регулювання, володіє високою здатністю до сприйняття і передачі діапазону яркостей світла і кольору об'єкта. Тому, чим більше фотографічна широта фотографічного процесу, тим більший діапазон отриманих в його результаті зображень може бути сприйнятий оком як реалістичні.


4. Обмежують властивості вихідного сигналу

Діапазон значень вихідного сигналу світлочутливого матеріалу не визначає фотографічну широту як таку. Однак ми вимірюємо і надалі використовуємо саме вихідний сигнал, тому його обмеження впливають на одержуване значення фотографічної широти.

4.1. Обмеження знизу: аналогова вуаль і цифровий шум

  • Для фотографічної плівки та фотопаперу - щільність вуалі (власна оптична щільність неекспоновані матеріалу);
  • для аналогових пристроїв - величина власного шуму пристрою;
  • для цифрових пристроїв - величина власного теплового шуму матриці + шум переносу заряду + величина похибки АЦП (аналого-цифрового перетворення), також звана "шумом дискретизації" або "шумом квантування сигналу".

Чим більше власний аналоговий шум і вуаль плівки, тим вище (за інших однакових параметрах перетворення) той мінімальний рівень експозиції, при якому починається лінійна частина характеристичної кривої матеріалу. Тим менше фотографічна широта.

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

Шум квантування означає, що незважаючи на збереження формальної лінійності перетворення, плавну зміну яскравості передається у вигляді ступінчастого сигналу, а значить, не завжди різні рівні яскравості об'єкта передаються різними рівнями вихідного сигналу. На малюнку показаний приклад для АЦП з різним числом біт. При трехбітном АЦП в діапазоні 0-1 ступенів експозиції будь-які зміни яскравості перетворюються в значення 0 або 1. Тому всі деталі зображення, що опинилися в цьому діапазоні експозицій, будуть втрачені. При четирехбітних АЦП передача деталей в діапазоні експозицій 0-1 стає можливою, а це і означає розширення фотографічної широти.

Не слід плутати розрядність АЦП і фотографічну широту аналогового приймача. Підвищення розрядності АЦП дозволяє точніше вимірювати аналоговий сигнал, одержуваний зі світлоприймача, однак ці дві величини не пов'язані прямими співвідношеннями ( Аналого-цифровий перетворювач). Насправді АЦП вимірює і квантів ( Квантування (інформатика)) величину заряду, накопичену в зарядовим кишені ( Матриця (фото)), в результаті вироблення ЕРС фотодіодом, при падінні на нього оптичного сигналу. При цьому величина експозиції отриманого оптичного сигналу не пов'язана в загальному випадку прямим співвідношенням з величиною заряду, накопиченої зарядовим кишенею (оскільки це залежить від ряду параметрів, у тому числі чутливості фотодіода ( Фотодіод), в той час як величина насичення зарядового кишені також не пов'язана і з глибиною дискретизації АЦП (Оскільки немає фундаментальних правил, що вказують на яке кінцеве число інтервалів слід розбити одну і тугіше амплітуду вхідного аналогового сигналу).

Існує фізичний межа у світлочутливих елементів фотоелектричного принципу дії, званий звичайно "межею квантування заряду". Електричний заряд в одному елементі, величина якого і перетвориться у вихідний сигнал пристрою, складається з електронів. Типові їх кількості зараз - до 30000 електронів в насиченому елементі матриці. А власні шуми не бувають нижче, ніж 1-2 електрона. Так як число електронів приблизно відповідає кількості поглинутих квантів, то це і визначає максимальну теоретично досяжну для такого елемента фотографічну широту - близько 14 ступенів експозиції (двійковий логарифм від 30000).


4.2. Вплив зернистості і перенесення кольорів на широту

Нижній поріг фотографічної широти плівки додатково обумовлений рівнем зернистості або "шуму". У чорно-білих фотоплівках зерна срібла в світлочутливому шарі формують зображення і визначають зернистість. У кольорових фотоплівках кожне зерно металевого срібла при кольоровому прояві породжує істотно більш велике освіту з барвника. Це робить принципово різним характер шуму на різних типах плівок і ускладнює точне визначення нижньої межі експозиції. Крім того, в нелінійних областях спотворюється передача кольору на плівці через різних властивостей цветочувствітельних шарів, що додатково зменшує фотографічну широту кольорових плівок в порівнянні з чорно-білими.


4.3. Обмеження зверху: насичення і переекспозиції

  • Для фотоплівки і фотопаперу це щільність засвічених ділянок, нелінійність ступені почорніння при високих експозиціях;
  • для аналогових пристроїв це максимальна величина сигналу, що знімається зі світлочутливого елемента;
  • для цифрових пристроїв це максимальне числове значення піксела.

5. Особливості цифрових систем

Крім самого світлочутливого елемента, цифровий фотоапарат увазі різну обробку отриманого зображення. За аналогією з плівкою, на цифровій матриці виходить "негатив" - сирої набір даних (записується у вигляді файлів формату RAW).

Для подальшого перегляду на комп'ютері або для друку на принтері його треба перетворити в "відбиток" (зазвичай файли формату JPG).

Формат файлів DNG ( англ. Digital Negative ) Є найбільш зручним контейнером одночасно для сирої інформації з матриці і для обробленого зображення, а також параметрів зйомки і перетворення одного в інше.

Якщо мова йде про фотографічної широті цифрового фотоапарата в цілому, а не його матриці, це означає фактично фотографічна широта фотографічного процесу (об'єкт - матриця - файл JPG), і результат принципово залежить від того, які налаштування перетворення сирих даних матриці в кінцевий файл виставлені в самому фотоапараті. Наприклад, чим більше виставлений контраст, тим менше буде фотографічна широта фотопроцесів в цілому.


6. Методи збільшення фотографічної широти

6.1. Збільшення фотографічної широти методом HDR

Отримання зображень об'єктів більшого діапазону яркостей, ніж фотографічна широта конкретного світлочутливого матеріалу, робиться шляхом багаторазової зйомки об'єкта з різним виставленим значенням експозиції. У фотолюбітельской практиці для такої зйомки застосовується термін експовилки, або "брекетинг" - калька з відповідного англійського терміна англ. bracketing . Після отримання двох і більше знімків, зроблених в одних і тих же умовах з різною експозицією, ці знімки обрабативатся для отримання "HDR-зображення" [5]. У деяких цифрових камерах цей процес вбудований.


6.2. Super-CCD-матриці rgbG в апаратах Fujifilm

У цих матрицях для збільшення фотографічної широти використовується наявність на одній і тій же матриці елементів різної площі і різного ефективної чутливості. Передача низьких рівнів яскравості забезпечується елементами великої чутливості, а високих яркостей - низькою [6].

6.3. SIMD-матриця в камерах систем відеоспостереження

Цифрова SIMD-матриця (скор. від англ. Single Instruction, Multiple Data ). У цих камерах здійснюється настройка оптимального часу експозиції для кожного пікселя в залежності від рівня освітленості в даній ділянці кадру. Для цих технологій в даний момент застосовується термін "Широкий динамічний діапазон" ( англ. Wide Dynamic Range ). [7].


Примітки

  1. чб негатив кодак - www.kodak.com/US/en/motion/products/bw/tech5222.jhtml?id=0.1.4.6.24.4.4&lc=en # curves
  2. чб звертатися кодак - www.kodak.com/US/en/motion/products/bw/tech7266.jhtml?id=0.1.4.6.24.8.4&lc=en # curves
  3. цв негатив кодак - www.kodak.com/US/en/motion/products/negative/tech5219.jhtml
  4. цв звертатися кодак - www.kodak.com/US/en/motion/products/reversal/tech5285.jhtml # curves
  5. програма для виготовлення HDR зображень - www.hdrsoft.com/
  6. Опис матриці Super-CCD з картинками - www.dpreview.com/reviews/fujifilms3pro/
  7. опис WDR камери Pelco CCC5000 Pixim - www.armosystems.ru/news/pelco_ccc5000.ahtm

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Широта
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru