О светорассеянии

Тема светорассеяния и динамического диапазона оптики всплывает не в первый раз. Обсуждать ее всухую довольно глупо, ведь можно просто взять и померять.

Важно только, чтобы контраст сцены был более-менее контролируем, тогда получаемые данные будут интереснее.

Методика съемки

Положим на тумбочку кучу всякого барахла, сверху поставим картонную коробку от CPU-кулера с открывающейся крышкой. В коробку поставим кодаковскую серую карту (если ее нет, можно что-то похожее на принтере напечатать, абсолютные значения неважны).

Под крышку поставим источник света, который не будет освещать серую карту. Я взял мусорный светостолик Hoya, можно было бы взять настольную лампу и загородить ее листом бумаги, несущественно, главное чтобы яркость была в пределах разумного.

Всю сцену (собственно, серую карту) я освещал светом из "западного окна" (дело было утром, т.е. никакого прямого солнца). На окне имеются занавески и регулируемые жалюзи, позволяющие регулировать свет в достаточном диапазоне:

  • Включенный световой столик на спотметре выглядит как 1/500-f/5.6@ISO200.
  • Соответственно, жалюзями я подобрал такие уровни освещения:
    1. Патч M цветовой шкалы: 1/6-f/5.6@ISO200. Т.е. контраст от M до столика - ~6.5 стопов.
    2. 1s-f/5.6@ISO200, контраст 9 стопов
    3. 4s-f/5.6@ISO200, 11 стопов

Дальше я поставил на штатив 5DMarkII с Цейсовским 2/100-Macro, выставил там ручную экспозицию по замеру по патчу M и сделал по паре кадров, с включенным столиком и выключенным.

Вот как выглядит кусочек результата для 6.5 стопов разницы. Справа - с выключенной лампочкой, слева - с включенной. Обработано в ACR с кнопкой Default, видно что яркость теневой части практически не изменилась:

Из интересного: включенная лампочка стала больше по размеру по причине блюминга.

Дальше возьмем RAW-данные для верхних 15 патчей шкалы (по 7 вверх и вниз от патча M). А именно - выделим прямоугольник на каждом патче, возьмем оттуда, к примеру, значения для зеленого каналов и усредним (на рассматриваемой камере зеленые каналы практически одинаковы, поэтому можно усреднить и их.). Это можно сделать, например, выгнав RAW-каналы в отдельные TIFF-файлы программой 4channels (из LibRaw), а затем погоняв квадратик в фотошопе. У меня же для этой цели есть спец-варез (непубличный пока), который позволяет считать сразу много патчей и повторить это для многих кадров с одним положением патчей:

Получим, таким образом, по ряду чисел для каждого кадра. В идеальном мире они были бы одинаковы для каждой пары с одинаковой экспозицией, но есть два обстоятельства:

  • неточность работы затвора;
  • те самые засветки, которые мы изучаем.

Если разделить значения попарно друг на друга (для 0-го патча с дополнительным освещением и без, для первого), то

  • При отсутствии влияния засветки - мы получим близкие к 1.0 и практически постоянные значения (точно 1.0 если затвор отрабатывает совсем точно).
  • При наличии засветки на одном из кадров - получим линию, для постоянной засветки соответствующую гиперболе с константой (Y=(X+C)/X).

Подход с делением хорош тем, что позволяет игнорировать мелкие неравномерности освещения шкалы, блики и тому подобные трудности при фотографировании шкалы.

Что же мы видим на самом деле. А вот что:

Другими словами, если яркость источника света (светостолика) на 6.5 стопов больше, чем средний тон (т.е. 2.7 стопа светлее, чем точка насыщения матрицы), то значимой засветки нет. Если повысить относительную яркость источника (в эксперименте понижалась яркость фонового освещения), то засветка появляется.

Засветка "11 стопов относительно уровня серого" (т.е. 7.3 стопа относительно точки насыщения матрицы) приводит к тому, что 14-й патч (2.3 стопа ниже серого) становится в полтора раза (полстопа) ярче того "каким он должен быть".

В линейной шкале

Если смотреть на абсолютные величины засветки, то они такие:

  • 6.5 cтопа (2.8 выше насыщения) - 15 единиц АЦП.
  • 9 стопов (5.3 выше насыщения) - 90 единиц АЦП.
  • 11 стопов (7.3 выше насыщения) - 350 единиц АЦП
Т.е. этот эффект практически линеен, чего, собственно, и следовало ожидать от оптики: увеличиваем время экспозиции, увеличивается и абсолютная величина засветки.

Дальше засветку можно рассматривать оптимистически и пессимистически.

Оптимистический взгляд заключается в том, что засветка абсолютно одинакова по всему кадру. Тогда привнесенный ей дополнительный шум будет пуассоновским т.е. сигма равна корню из сигнала и какой-то выигрыш от пересвета мы таки получаем, если сумеем аккуратно линеаризовать результирующий кадр. При оптимистическом взгляде мы предполагаем, что детали (до засветки) с интенсивностями, скажем, 10 и 50, став 360 и 400 (после добавки в 350) продолжат различаться и простым кручением кривой контраста их можно будет вернуть на место.

Пессимистический взгляд: засветка неравномерна и безнадежно портит сигнал, который сравним (или меньше) по амплитуде. В этом случае мы можем прикинуть "ДД вниз от точки серого", просто деля значение в точке серого (около 1000 для данной камеры) на величину засветки:

  • Нет пересвета: уровень шума для нулевого сигнала около 5 единиц, "ДД вниз" = 1000/5 = ~7.5 стопов.
  • Пересвет 2.8 стопа: "ДД вниз" = 1000/15 = 6 стопов
  • Пересвет 5.3 стопа: "ДД вниз" = 1000/90 = 3.5 стопа
  • Пересвет 7.3 стопа: "ДД вниз" = 1000/350 = 1.5 стопа
Другими словами, мы получаем выигрыш в стоп с небольшим при пересвете в 2.8 (относительно отсутствия пересвета): прибавили 2.8, потеряли полтора, осталось 1.3. От дальнейшего увеличения экспозиции никакого выигрыша нет, сколько выигрываем от поднятия теней в средний тон, столько и проигрываем от засветки.

"ДД вверх от серого" во всех случаях одинаковый, определяется насыщением матрицы и составляет 3.7 стопа по зеленому каналу.

Точнее, он если выигрыш и будет, то косвенный: собственно сигнал (больший уровня засветки) растет, а значит сигнал-шум таки несколько улучшаются.

Заключение

Целью данной заметки не была публикация каких-то абсолютных цифр. На другой камере, другой оптике, другом расположении источников света и т.п. результат будет другой, он может быть как лучше, так и хуже. Хотя, скажем, в лучший результат для зум-оптики я поверю с большим трудом.

Задача ставилась другая: показать, что за двухминутный эксперимент вполне можно оценить явление, как минимум по порядку величины, причем никакого специального оборудования не нужно.

Comments

Я тупой? Не понимаю, какой выигрыш ты получаешь от равномерной засветки в оптимистическом варианте. По-моему, только проигрыш от привносимых ей шумов (корень квадратный), что, собственно говоря, и является причиной снижения ДД из-за нее.

Написано же "какой-то". Можно оценить:
- шум камеры "на черной крышечке" около 5 единиц, размах сигнала 14к т.е. формально мы без добавки имеем ~11.5 ДД (это не фотографический ДД).
- с равномерной засветкой в 90 попугаев шум "в нуле" будет около 15 единиц (10 пуассоновских от засветки и 5 камерных, тупо сложим), втрое выше т.е. мы потеряли 1.5 стопа ДД.
А выиграли величину пересвета т.е. 5.3

Но чтобы этим нормально воспользоваться, тот RAW-конвертор, который будет в HDR-склейщике, должен уметь поставить blacks ровно в 90 попугаев RAW (а мы должны ему откуда-то эту величину извлечь и сообщить)

Я продолжаю тупить. Все, что "а выграли" - я понимаю, а начинаю с этих слов - ступор. В чем выигрыш от добавления таких попугаев? Ты думаешь, что от того, что бывший реальный ноль сместился от 5 к 95 у нас появилось что-то интересное ниже 95? :)

Давай на пальцах.
Без засветки были уровни 5, 10 и 20. Отличались на стоп и два стопа, соответственно. Это 11.5, 10.5 и 9.5 стопов от насыщения камеры. Сигма около 5 для "теплового шума", сигнал в 20 добавит свои 4.5, в результате 5 и 10 различимы плохо, 5 и 20 - различимы вполне.

После засветки в 100 попугаев они стали 105, 110, 120. Контраст, понятно, пропал.

Оптимистический сценарий: засветка строго равномерна, т.е. сигма продолжает быть равной корню из сигнала (+шумовые 5). 105 и 120 мы как-то отличим.

Картинка пессимистического сценария:

Я уже догадался что ты имеешь в виду (сам долго об этом тупил), просто в последний момент из уважения решил не навязывать свои догадки о твоих мыслях, а сделать еще одну итерацию.

Уровни a и b различимы при шуме s не тогда, когда a > s и b > s, а тогда, когда a-b >s

Ну ты понял :)

Ну да, именно. И добавляя добавку в 100 попугаев мы добавляем 10 пуассоновского шума *гарантированно*. Даже если попугаи абсолютно равномерно распределились по всему кадру.

Т.е. различаемость деталей в тенях ухудшилась и ДД уменьшился. А величиться - не уеличилось ничего. Потому что формально появившиеся величины, ниже 95, на самом деле мнимые - им ничего не соответствует, т.е. все, что было ниже 5 до добавления вуали (интервал 0-5) отобразится в 90-95, а вовсе не в 0-95.

Такая вот магия сложения и вычитания.

Отсюда и вывод, что я выигрыша не вижу в принципе никакого .... даже при идеальной вуали, за исключением художественного:

Если у нас не цифра с почти неограниченными возможностями для редактирования, а слайд, то понятно, что залитая светом тень может быть предпочтительней, чем черная дыра, даже если в ней ничего и не появится нового.

Ты не видишь выигрыша по отношению к чему?

Я то рассуждаю о возможности HDR-съемки вот такого вот сюжета "серая карта + светостолик".

Я говорю о "какой-то выигрыш получаем" в твоем тексте. Так и не понял, в чем он заключается.

С проигрышем все понятно - вуаль обрезщает ДД вследстви добавления шума на уровне "корень из вуали". Хэдеэрь не хэдеерь - все равно получишь ху.

Кстати, именно этот корень квадратный - источник моих разногласий в той беседе с Ильей. Он меряет экспонометром постоянный уровень вуали и не способен измерить полезный сигнал под ней - точность экспонометра не та. Вот и получал свои полстопа бесполезной информации. Я снимал тень с вуалью камерой, вычитал вуаль и получал тень с доп. шумами. Вполне нормальную, т.к. вычитал вуаль более-менее линейно (уж не знаю, насколько линейно это делал blacks в LR). Поэтому ценка уровня "дна" у нас разная.

Вопрос: Получим ли мы выигрыш в детализации в тенях, снимая кадр с увеличенной экспозицией. Сцена - контрастная, но источники света не безумно яркие (не солнце).

Ответ: зависит от характера светорассеяния.

Предполагая полную равномерность засветки по всему кадру, - получим, но меньше чем величина сдвига экспозиции. Более того, увеличивая размер вилки - увеличиваем и выигрыш. Потому что "проигрыш" пропорционален корню из сдвига, выигрыш - величине сдвига, общая сумма - опять корню.

Предполагая полную случайность - получим, но совсем чуть чуть. Увеличивая размах вилки - дополнительного выигрыша не получим, ибо абсолютная величина засветки (=шума) растет вместе с экспосдвигом.

Да, и эта самая "полная случайность" - выигрыш равен "величине светорассеяния" (от яркого объекта) минус ДД камеры. Т.е. как только величина засветки становится больше собственных шумов камеры, то на остальное уже плевать.

Тьфу

В общем, я наконец понял, в словосочетании "выигрыш от пересвета" в абзаце про засветку слово "пересвет" не синоним "засветки" :) Т.е. исследуещшь не общий выигрыш для фото от засветки, а выигрыш для теней от положительной экспокоррекции, если мы пожелаем таковую сделать :) Мы долго шли к этой расшифровке.

Вопрос снят, смысл понят, все разъяснения оказались не про то. Я предложение воспринял в контексте исследований о положительной стороне этой проблемы, которую озвучивал Илья (а может и ты раньше) - "не надо ХЭДЭЭРИТЬ, надо взять менее контрастное стекло" :)

Пойду вернусь к wrest'у, там тоже вагон непонимания

Нет, я в позитивном ключе, "надо ли HDR-ить".

Хотя ответ "скорее нет" (потому что предположение о полной равномерности - оптимистичное уж очень).

собираем стек из четырёх кадров, и "пуассоновский шум" падает до 5-ти (нормированных) попугаев (и далее по тексту).

Так что эта проблема как раз решаема.

Ой, я только разглядел саму картинку ...

Да, очень пессимистический. Реальная жесть. Калейдоскоп красных пятен в области солнца. Я, если честно, ожидал от этой игрушки большего.

"F11 - здравствуй, дифракция!",
а на квадратики её побил, судя по всему, пресловутый low pass filter (это к слову о характере отражений от матрицы)

А я не знаю что это за игрушка, это я гуглом нашел по 'dreaded red dot' :)

Впрочем, судя по контексту, это панасовский блинчик 20/1.7
Да, довольно похоже на.

Или 40-150, у мужика и такой тоже есть.

Я EXIF посмотрел, увидел E-PL2. f11, 45mm. ПОдумал, что это твой, но это не так важно.

У мея без L. А раз 45, то это зум. Неудивительно.

Дифракция по длинам волн должна была бы разбежаться?

ну, солнце-то закатное, зимнее. У него там натурально такой цвет, так что сине-зелёные полосы могли бы и "замылиться" на этом фоне...

но я что-то уже сомневаюсь в дифракционной версии: снимок 1600х1200, т.е. это даунсэмпл. Результирующий пиксель получается меньше дифракционного пятна (ну, так я насчитал... может и ошибся где :-))

похоже, что решётка - это отражения с микролинз. Во всяком случае "погнута" она так, будто это отражение на сфере.

-+-
А курьёз состоит в том, что это снимок мужика (т.е. сделан мужиком), который весь вечер маниакально ловил "red dot", да так и не преуспел... пока не ткнул объективом в Ярило :-))
см. here http://visualsciencelab.blogspot.com/2011/01/walking-around-looking-for-... and here http://visualsciencelab.blogspot.com/2011/01/olympus-epl2-final-installm...

так что страшилки про "красную-красную точку в чёрном-чёрном городе" пока что не подтвердились ,-)

условия теста - впечатлили
и к заголовку не имеют ровно никакакого отношения.
как всегда радует постоянный житель ваших постов - троллемудачек-скоблов

PS.в чем ваш косяк ваших как бы "измерений" - вы принципиально не хотите понимать, поэтому разговривать... не представляю.

два мира.

Уважаемый,

вам негде поругаться матом и вы ко мне приходите в журнал? Вы же ушли, вроде бы, дверью хлопнули?

Если вернулись, то давайте конструктивно, несите в массы "информацию", а не мутный поток неизвестно чего.

Add new comment