Динамический диапазон: первый подход к снаряду

Я уже столько раз ругался на измерения пресловутого ДД, что даже сбился со счета. Существующие в сети измерения меня не устраивают по куче причин:

• Обычно методика описана очень приблизительно (при этом опубликованные результаты - странные).
• Из (приблизительного) описания методики удается понять, что снималась контрастная мишень одним кадром, а такая съемка сама по себе проблемная по многим причинам:
  • в системе объектив-камера-(сенсор) падает контраст;
  • протяженная (на весь кадр) мишень будет иметь падение освещенности по краям кадра.
• Как правило, изучается различимость больших плашек, что не имеет большого смысла с точки зрения фотографической задачи: получения детализации в тенях и светах.

Альтернативная методика выстроилась в голове довольно давно, она тоже далека от идеала, данный текст предназначен, в числе прочего, для начала публичной дискуссии о методике.

Что мы, собственно, измеряем?

"Динамический диапазон" или диапазон воспроизводимых (цифровой камерой/пленкой) яркостей - характеристика очень важная и интуитивно понятная. Несмотря на ее интуитивную понятность, какого-то разумного и фотографического количественного определения автору не известно, подозреваю что его и нет. Большинство методик сводится к изучению больших плашек и их различимости в смысле методик обработки данных ("среднее такое-то, отклонение такое-то, значит можем различить на 98%-м уровне достоверности"), только никакого фотографического смысла в этом нет.

Фотографов же интересует передача фактуры (т.е. некрупных и неконтрастных деталей) в тенях и в светах. Выработать какую-то стандартную количественную метрику фотографы не потрудились, с другой стороны это не очень и возможно: в зависимости от формата и метода воспроизведения требования к изображению разные, кроме того нет и четкой границы "это подходит, а это - нет", в реальной жизни приходится руководствоваться пролетарским сознанием.

Руководствуясь пролетарским сознанием, будем действовать дальше без определения. Нам нужен объект с мелкими и не очень контрастными деталями, а подходит ли его рендеринг под задачу - определим на глаз.

Методика измерения

Методика, на самом деле, еще не устоялась, однако предварительные эксперименты (о которых ниже) показывают, что интересные с точки зрения практики результаты можно получить не имея высококонтрастных мишеней и светового оборудования на тысячи долларов для освещения оных мишеней. В двух словах методика выглядит так:

1. Возьмем не слишком контрастный объект с большим количеством легко идентифицируемых деталей.
2. Осветим его, по возможности, равномерно и стабильно. Постараемся, заодно, измерить контраст.
3. Снимем серию кадров с вилкой (брекетингом), с минимальным шагом, общим размахом стопов 15.
4. Оценим результат.

Для начала, в качестве "не слишком контрастного объекта" я взял газету ("Коммерсантъ" с цветными иллюстрациями, цветность потом оказалась полезной), осветив ее дневным пасмурным светом из окна. Цветовая температура, с точки зрения камеры, оказалась равной 5100K.

Характеристики мишени

У газеты оказался на удивление невысокий контраст: отношение яркости бумаги к яркости букв черного шрифта всего 1:6 (2.5 стопа), это значение получено как спотметром, так и анализом получившегося RAW-файла. При этом бумага на стоп (ровно) ярче, чем 18%-е серое поле, а черные буквы шрифта - на 1.5 стопа темнее. Буквы шрифта достаточно блестящие, таким образом при освещении направленным светом контраст будет меняться.

Диапазон яркостей иллюстрации практически совпадает с диапазоном бумаги: света буквально на 1/6 стопа ниже, тени совпадают с буквами шрифта (оценивалось по RAW-данным в зеленом канале). Размер деталей: шрифт статьи имеет базовую высоту в 12 пикселов, толщина штрихов букв - более 1 пиксела. Шрифт заголовка имеет базовую высоту 36 пикселов.

Съемка

Фотографирование проводилось камерой Canon 5D Mark II с объективом Canon EF 50/1.4 на диафрагме f/8, с жесткого штатива. Диапазон выдержек от 1/1000 до 10 секунд с шагом 1/3 EV. Базовая выдержка (замеренная спотметром Sekonic по серой карте, помещенной в кадр) составляет 1/6 сек при указанной диафрагме.

Мишень и камера выравнивались с помощью уровней, однако средств для гарантирования точной перпендикулярности мишени и плоскости сенсора у меня нет, поэтому изображение оценивалось только по центральной части.

Наводка на резкость осуществлялась по экрану камеры (LiveView) при максимальном увеличении, по центру кадра.

На камере была установлена чувствительность ISO 100, эксперименты с другими чувствительностями отложены на потом.

Проявка

Как и в случае пленки, мы вправе ожидать, что результирующая картинка очень сильно зависит от проявления (RAW-конверсии). Современные конверторы обладают весьма продвинутым интеллектом (делают сжатие светов, шумопонижение в тенях), следует ожидать, что результаты для разных конверторов будут разными (что, в частности, позволит их сравнить в дальнейших исследованиях)

В данном эксперименте использовался конвертор Adobe Camera Raw 5.3, выбранный за наибольшую доступность (по меньшей мере, в российских условиях). Предположительно, конвертор в Adobe Lightroom от него отличается несильно.

Так как мы предполагаем, что кадры, которые мы снимаем последовательно, на самом деле - один кадр, то для всех кадров серии нам нужна одинаковая настройка. Была использована следующая настройка ACR, позволяющая получить максимально линейный рендеринг:

• Вкладка Basic: баланс белого по серой карте, остальные движки в 0
• Вкладка Tone Curve: все движки в 0, на под-вкладке Point выбрана линейная кривая (Linear)
• Вкладка Sharpen: Amount в 0 (остальные параметры Sharpen в этом случае безразличны), подавление шума - все в 0.
• Вкладка Camera Profile: Adobe Standard.

Данная настройка отвечает случаю "хотим все максимально линейно, дальше доведем сами", каковая только и имеет смысл при оценке динамического диапазона.

Результаты

Чтобы предметно обсуждать методику, желательно иметь пример ее применения. Поэтому с выбранной мишенью была снята тестовая серия кадров. Вся тестовая последовательность - это 41 кадр т.е. 13.3 стопов экспозиции. Рассматривать все кадры, особенно в середине диапазона, где они очень похожи, нет смысла, ниже рассмотрены наиболее показательные из них.

Базовый кадр

Базовый кадр (в новом окне, 1000x800, масштаб 1:1) Базовый кадр полностью ожидаем: серая бумага, черные буквы, достаточно цветная картинка (как я уже предупредил выше, цвета картинки нам еще понадобятся).

Кадр снят с экспозицией "по серой карте", показания внешнего спотметра и экспонометра камеры были одинаковыми: f/8, 1/6 секунды.

Здесь и далее клик по картинке открывает превью 1:1 (пиксел в пиксел) в новом окне

Света

Прогуляемся вверх по светам.

+2EV: фактура бумаги

Кадр, снятый с выдержкой 0.6 секунды - последний, где видна фактура газетной бумаги. Вспоминая, что бумага ярче серой карты на стоп, получаем первую практическую рекомендацию: если нам нужна фактура в светах, то нужно замерять по светам и открывать не более чем на 3 стопа.

Если рассматривать RAW-данные при номинальной экспозиции, то видно, что уровень "усредненной газеты" по зеленому каналу - 2200 единиц, а максимум у используемой камеры - примерно 14150 единиц, что дает нам запас по светам в 2.7 стопа относительно базового кадра, а не в 2.0 Запас в светах в оставшихся каналах - еще больше (что потенциально дает возможность Highlight recovery). Таким образом, выполняемое ACR (и внутрикамерным конвертором - тоже) сжатие светов (о котором я уже писал раньше) приводит к потере в светах как минимум 2/3 стопа.

+3.0EV: начало пропадания деталей

На стоп выше начинают пропадать мелкие детали: все еще вполне читаемо, но стандартный шрифт изрядно истончился (а жирный - пока держится). Кроме того, на данном кадре видно, как теряется цвет в светах (по картинке).

+3.7EV: деталей почти нет

Передержав еще на 2/3 стопа мы практически полностью потеряли мелкие детали (стандартный шрифт), а крупные еще держатся.

+4EV: последние следы деталей

При экспозиции +4EV мы еще видим следы деталей (то, что остается при +4.3EV напоминает, скорее, след от мухи на зеркале).

Вспомним теперь, что черная краска на 1.5 стопа темнее, чем серая карта, от которой мы отсчитываем базовую экспозицию. Получается, что жалкие остатки деталей мы получили в ситуации, когда они всего на 2.5 стопа выше среднего тона т.е. должны бы еще отображаться целиком и полностью. Однако мы наблюдаем погрызенные буквы, чуть лучше у нас с картинкой, темной на большой площади.

RAW данные и настройка конвертора

Вышеописанная потеря деталей начиная с +3EV связана с настройками конвертора (которые мы принципиально сделали одинаковыми по всем кадрам). В RAW-данных пропадание деталей начинается и заканчивается на стоп выше т.е. практически там, где предсказывает теория. Кроме того, изменение настроек конвертора (достаточно просто движка экспокоррекции) позволяет извлечь данные из RAW если они там есть.

Тени

Как и написано выше, тени интересно рассматривать исходя из соображений их "вытягивания". Без такого вытягивания любая современная dSLR обладает достаточным (для печати/показа на мониторе) динамическим диапазоном и обсуждать просто нечего. В примерах ниже изображение растягивалось на более-менее полный диапазон линейной кривой в Photoshop в режиме 16 бит.

-3EV: заметный шум

На кадре, снятом с недодержкой в 3EV имеется вполне заметный шум, который можно считать незаметным на небольших площадях и более-менее приемлемым на больших. Если поднять изображение на 3EV (см. картинку), то шум на больших плашках уже неприемлем (вероятно, смена конвертора может ситуацию улучшить), безопасным является подъем на 1, максимум 2EV.

-4EV-5EV: растет шум, падает контраст

В диапазоне недодержек на 4-5EV картина сохраняется: шум остается приемлемым на больших плашках и незаметным на маленьких. При подъеме на 1-2EV шум остается в рамках разумного, при большем подъеме - неразумным. Контраст ощутимо падает (сигнал уменьшается, а шум остается более-менее постоянным)

-6EV -7EV: потеря деталей

При недодержке в 6EV начинается потеря деталей, текст теряет читаемость на фоне шума. На экспозиции -6.7EV от базовой текст уже можно признавать нечитаемым даже после сильного увеличения контраста:

Обсуждение методики

В процессе применения "наколеночной" методики выявились недостатки, которые стоит исправить в дальнейшем:

1. Необходимо управлять контрастом мишени. Грубо говоря, нужны детали стандартного размера (буквы стандартного шрифта вполне подходят) с фиксированным контрастом (а не как газетная типография напечатала). Интересен контраст в 0.5, 1 и 2 стопа.
2. Очень не хватает цветных объектов, причем как плашек (у которых можно измерить цвет), так и мелких деталей. Крайне полезным видится изучение разрешения деталей близких цветов (скажем, светло-синие буквы на синем фоне).

Несмотря на эти недостатки, методика позволяет неплохо охарактеризовать камеру с точки зрения ее практического использования. Кроме того, очевидно что можно без проблем сравнивать поведение камеры при разных чувствительностях и, со многими оговорками, поведение разных RAW-конверторов.

Необходимо отметить, что никакого определения динамического диапазона мы не вводили (как и написано в начале текста), но это не мешает вполне однозначно оценивать полученные результаты с практической точки зрения.

Обсуждение результатов

Помимо отработки методики, нам удалось оценить характеристики используемой камеры на чувствительности ISO100 (в сочетании с конвертором), причем результаты можно сформулировать буквально в нескольких фразах:

• Рабочий диапазон в светах составляет 3EV для "обнуленных" настроек использованного конвертора и до 3.7-4EV если пользоваться движком Exposure. При дальнейшем повышении экспозиции в светах начинают пропадать мелкие детали (теряется разрешение).
• Если не вытягивать тени, то они "рабочие" до -4..-5EV, а если нет больших темных площадей, то и более. Этого более чем достаточно для любого современного выводного устройства, от бумаги (максимум 8 стопов диапазона) до калиброваного монитора (8-9 стопов).
• Вытягивать тени более чем на 2EV допустимо только если глубокие тени занимают небольшие участки изображения.