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.

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

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 D_max и затем может быть ниже максимальной (область соляризации).

Типичные показатели фотографической широты фотоматериалов

Для практического использования чаще используют понятие «полезная фотографическая широта» материала — L_max 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

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.

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

• Фотография
• Фотоматериалы
• Светочувствительные материалы
• Зонная теория Адамса

Примечания