Что такое динамический диапазон

Динамический диапазон — сигнал

Динамический диапазон сигнала находится как разность наибольшего и наименьшего уровней громкости сигналов, выраженных в децибелах. Он зависит от характера музыкального произведения и от особенностей исполнения. Так, речь диктора, читающего последние известия, имеет динамический диапазон 25 — 30 дб ( что соответствует изменению напряжения примерно в 20 раз), а при чтении художественного произведения может достигать 50 об ( в 300 раз), изменяясь от криков до шепота.
 

Динамический диапазон сигналов АЭ при выполнении контроля может достигать 100 дБ и более.
 

Динамическим диапазоном сигнала называют отношение максимальной мгновенной мощности сигнала к минимальной. В реальных условиях минимальная мощность сигнала ограничена уровнем помех, который она всегда должна превышать. Наконец, для сравнения характера различных сигналов вводят понятие спектра. Для этого сигнал представляют в виде суммы некоторых эталонных колебаний, и по ним судят о характере реального сигнала. Такими эталонными колебаниями могут быть самые различные временные функции, но наиболее часто применяют гармонические.
 

Если динамический диапазон сигнала больше динамического диапазона усилителя, то некоторые сигналы могут быть не слышны вовсе или слышны неотчетливо. Однако далеко не все звуковоспроизводящие И звукопреобразующие приборы обладают таким большим динамическим диапазоном.
 

Если динамический диапазон сигнала больше динамического диапазона усилителя, возникают искажения, для уменьшения которых сжимают диапазон сигнала с помощью ручной или автоматической регулировки усиления.
 

Ограничение динамического диапазона сигнала обычно определяется сверху появлением перегрузки отдельных звеньев тракта сигналов или возникновением недопустимых нелинейных искажений, снизу — наличием шумов и помех в этом тракте. Чтобы избежать ограничения динамического диапазона сигнала, применяют сжатие его диапазона по возможности до пределов динамического диапазона тракта передачи. Искажения и маскировка шумами будут рассмотрены в отдельных параграфах.
 

Что называется динамическими диапазонами сигнала и усилителя.
 

Если в приемнике динамический диапазон сигнала подвергается сжатию и если сигнал поступает на вход разделительного каскада синхросигналов, через который проходят только верхушки оставшегося сигнала, то все же будет получена полная информация о синхронизации, даже несмотря па то, что используется только небольшая часть амплитуды синхросигнала. На рис. 7 — 3 приведено графическое пояснение сказанного.
 

Ац исходя из динамического диапазона сигнала ( ммакс-ммин) и шага квантования Аи. При выборе шага квантования Аи равным средне-квадратическому значению собственных шумов приемника аш, которое ограничивает и значения имии, Ам имин аш.
 

Противоречие между ограниченностью динамического диапазона сигнала конечной длительности и кажущейся бесконечностью его информационной емкости разрешается довольно просто.
 

Весьма важным является соотношение динамического диапазона сигнала приемного блока и градаций почернения проявленного фотоматериала.
 

Различают динамический диапазон усилителя и динамический диапазон сигнала.
 

Динамический диапазон реальных звучаний превышает динамический диапазон сигналов, которые могут быть записаны на ленте. Чтобы исключить перегрузку, с одной стороны, и уменьшить влияние шума ленты, с другой, в процессе записи изменяют положение регулятора уровня, стараясь несколько опережать тихие и громкие места записываемой программы.
 

Как измерить динамический диапазон

Производители фотоаппаратов не указывают этот параметр в документации. Чтобы знать насколько широк динамический диапазон той или иной камеры необходимо производить специальные замеры в лабораторных условиях. Единица измерения ДД – EV, это одна ступень экспозиции. Обычно для зеркальных фотоаппаратов динамический диапазон равен около 12 EV. Это означает, что между самыми темными участками кадра и самыми светлыми разница в 12 ступеней экспозиции. Математика, да и только. Ведь данные, полученные в ходе подобных замеров верны только для определенных условий, определенного освещения и минимальной светочувствительности. Но где найти фотографа, работающего в идеальных условиях? Даже зная динамический диапазон своего фотоаппарата, его трудно применить на практике, поскольку измерить динамический диапазон окружающего пространства практически нереально и абсолютно бессмысленно с практической точки зрения.

Напротив, нередко бывает так, что художественная задумка автора состоит как раз в использовании узкого динамического диапазона. Дело в том, что широкий динамический диапазон, позволяя получить больше деталей на снимке, делает снимок менее контрастным. А когда контраст задуман автором изначально, деталями в любом случае придется жертвовать. Контраст – это некий компромисс динамическому диапазону.

Итак, измерение динамического диапазона сцены или получаемой фотографии не столь важно с практической точки зрения. Когда есть понимание, что съемка в полдень в солнечную погоду приведет к контрастным снимкам, а фотография объекта в пасмурный день, напротив, позволяет получить малоконтрастный снимок с наименьшей потерей деталей, то замер точного динамического диапазона не даст ничего большего

В случае наличия сомнений в возможностях фотоаппарата зафиксировать все тона сцены на одном снимке – от теней до света, правильным действием будет изучить гистограмму. Это позволяет сделать практически любой современный цифровой фотоаппарат, включая смартфон.

Что из себя представляет гистограмма? Гистограмма – это некая шкала, на которой располагается график. График показывает соотношение количества пикселей разных тонов, которые участвовали в «построении» кадра. Если график вписывается в шкалу полностью, это означает, что все детали изображения будут проработаны и видны, на кадре нет абсолютно белых и абсолютно черных пикселей. В противном же случае, если график преимущественно смещен в одну из сторон – влево или вправо, это будет означать, что в кадре доминируют черные или белые цвета, что часто говорит о провалах в тенях или светах. Такой важный инструмент фотоаппарата, как гистограмма, несомненно должен быть использован для анализа возможности динамического диапазона камеры запечатлеть планируемый кадр. Если гистограмма показала, что сенсор справляется с условиями сцены, то можно смело снимать, не боясь загубить кадр. Однако стоит помнить, что львиную долю успеха для конечной фотографии составляет ее постобработка.

Ограничения код

Фотографическая широта L определяется длиной прямолинейного участка 1—2 характеристической кривой и измеряется по оси логарифмов экспозиции lg H

Фотографическая широта в химической фотографии ограничивается максимальной оптической плотностью D_max, которую способен обеспечить фотоматериал, и уровнем вуали D, ниже которого изменения плотности не зависят от полученной экспозиции. Математически фотографическая широта может быть описана выражением:

где L — фотографическая широта, а H — экспозиция. Точки 1 и 2 соответствуют концам прямолинейного участка характеристической кривой, ограничивающим область правильных экспозиций. За пределами этого отрезка кривая изгибается, снижая контраст изображения. Это приводит к искажениям при отображении полутонов объекта съёмки и снижению качества изображения. Поэтому фотографическая широта всегда меньше полного интервала экспозиций L max, охватывающего отрезок между минимальной и максимальной оптическими плотностями фотоматериала.

В практической фотографии широта определяет возможность получения качественного снимка сюжетов с большим диапазоном яркостей, когда остаются различимы детали как в самых ярких света́х, так и в глубоких тенях. Кроме качества изображения от широты зависит величина погрешности, допустимой при определении экспозиции. Поэтому при производстве негативных фотоматериалов (как чёрно-белых, так и цветных) в них закладывается максимально возможная фотографическая широта, которая может достигать значения 2,0. Широта чёрно-белых негативных фото- и киноплёнок допускает ошибки до 4 ступеней экспозиции: 3 в области передержек, и 1 в сторону недодержки. Цветные негативные плёнки в силу сложного строения и чувствительности к нарушениям цветового баланса допускают лишь 1 ступень передержки. За счёт большой широты негативных плёнок при оптической печати возможна проработка деталей отдельных участков снимка путём их затенения или дополнительной «пропечатки» с помощью масок.

Большой широтой также обладают фотокиноплёнки для контратипирования, чтобы сохранить как можно больше деталей при копировании. Позитивные фотоматериалы при высоком контрасте напротив, обладают ограниченной широтой, практически не допуская ошибок экспонирования. Аналогичной чувствительностью к ошибкам обладают обращаемые фотоматериалы, фотографическая широта которых меньше, чем у негативных.

Динамика в фотографии и свободное пространство снимка

Очевидно, для этого необходимо знать, как развивается весь процесс движение в целом, через какие фазы проходит движущийся объект, какие из этих фаз наиболее характерны для данного движения и дают о зрителю верное представление о движении объекта.

При спортивных съемках фотограф должен быть знаком с фотографируемым видом спорта или, по крайней мере, до съемки побывать на тренировках, чтобы иметь представление о движении спортсменов и спрогнозировать моменты съемки.

Работая над портретом, всегда есть возможность отслеживать повороты, жесты, движения снимаемого человека и произвести спуск затвора в нужный момент времени, зафиксировав на снимке живую и естественную позу человека. Во всех других жанрах съемки рекомендуется более внимательно относиться к оценке движения в кадре, для того, чтобы правильно выбрать момент времени для спуска затвора фотокамеры.

Насколько важен выбор момента времени спуска затвора для динамики в фотографии, ясно также из следующего примера. На фотографии ниже затвор был спущен чересчур поздно.

Рисунок 5. Неправильный момент спуска затвора

Велосипедист прошел через все пространство кадра и находится у правой его границы! Эта граница кадра становится своеобразным препятствием у него на пути движения и динамика в фотографии теряется полностью.

В то же самое время свободное пространство, оставшееся в кадре позади велосипедиста, совершенно ненужно и было бы значительно важнее оставить его перед велосипедистом, где этого пространства сейчас катастрофически не хватает.

В целом в данном кадре ощущается сильная теснота. При данном обрезе снимка передать движение трудно и динамика в фотографии теряется.

На снимке ниже момент съемки выбран правильно. Очень грамотно с точки зрения композиции использованы возможности построения снимка. Спортсмен — велосипедист только что въехал в поле кадра и находится в правой его половине.

Рисунок 6. На велотреке

По его направлению движения оставлено значительное свободное пространство, которое зрительно как бы способствует открытию пути для развивающегося движения, подчеркивает его направленность. И именно этот достаточно простой изобразительный прием позволяет получить хорошую динамику в фотографии, чем на ранее рассмотренном снимке.

По рассмотренным ранее принципам, свободное пространство в левой части снимка крайне необходимо, а поэтому его исключение из снимка существенно ухудшит результат и лишит снимок динамики.

Таким образом, свободное пространство, оставленное в кадре в направлении развивающегося движения, благоприятствует получению динамичного снимка и существенно улучшает общую динамику в фотографии.

Увеличение фотографической широты код

Недостаточную фотографическую широту можно искусственно увеличивать с помощью специальных технологий. Наиболее широкую известность получил процесс под названием HDR.

Технология HDR | код

Основная статья: High Dynamic Range Imaging

Получение изображений объектов большего диапазона яркостей, чем фотографическая широта конкретного светочувствительного материала, возможно путём многократной съёмки объекта с разными значениями экспозиции. Полученные таким способом изображения отображают разные участки шкалы яркостей, захватывая кроме средних полутонов глубокие тени и яркие света́. 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 объединяются в один общий, отображающий всю необходимую шкалу полутонов. В некоторых цифровых фотоаппаратах и даже камерафонах этот процесс может выполняться непосредственно после съёмки самой камерой.
Недостаток технологии заключается в её пригодности только для неподвижных объектов.

Матрицы SuperCCD | код

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.

SIMD-матрица | код

Цифровая SIMD-матрица (сокр. от англ. Single Instruction, Multiple Data) нашла применение в камерах видеонаблюдения. В таких матрицах доступна настройка оптимального времени считывания 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)..

Особенности цифровой фотографии

Эффект клиппинга ярких областей неба A при критической недодержке теней B на цифровом снимке

Главным отличием электронных способов преобразования света от химического считаются разные возможности отображения светов и теней. Если в аналоговой фотографии в случае экспозиционных ошибок главная опасность заключается в получении «пустых» теней негатива при недодержке, то в цифровой фотографии следует опасаться «пробитых» светов (клиппинга) из-за передержки. Причина кроется в «эффекте насыщения» полупроводниковых преобразователей, когда любое увеличение экспозиции не приводит к изменению выходного сигнала. Учитывая аналогичное фотографической вуали ограничение по шумам, затрудняющее регистрацию полутонов в области теней, фотографическая широта цифровых фотоаппаратов в большинстве случаев меньше, чем цветных, и тем более чёрно-белых негативных плёнок, но сопоставима с цветным слайдом.

Дополнительным ограничителем выступают свойства аналогово-цифровых преобразователей, определяющих математический предел количества отображаемых градаций серого по каждому из цветовых каналов. Файлы JPEG, получаемые на выходе любого цифрового фотоаппарата, ограничены самим стандартом, не допускающим глубину цвета, отличную от 8-битного. В этом случае максимальное количество отображаемых полутонов не превышает 256 по каждому из трёх цветоделённых каналов. В фотоаппаратах профессионального и полупрофессионального классов используются более совершенные АЦП, кодирующие файлы RAW по 12 и даже 14-битному алгоритму. В этом случае регистрируется значительно больше полутонов, в последнем случае 16384 в каждом канале. Поэтому при конвертации этих файлов на внешнем компьютере, есть шанс отобразить в конечном 8-битном JPEG участки снимка, лишённые деталей при автоматической внутрикамерной конвертации.

Единицы измерения

Динамический диапазон измеряют по шкале, каждое следующее деление которой соответствует снижению
измеряемого параметра в 10 раз, а фотографическую широту — по шкале, каждое следующее деление
которой соответствует снижению измеряемого параметра в 2 раза.

Исходя из понятия логарифма (показатель степени, в которую надо возвести
одно число, чтобы получить другое), обе эти шкалы являются логарифмическими. В первом случае используется логарифм по основанию
10 (десятичный логарифм — lg), во втором — по основанию 2 (двоичный
логарифм — log₂).

Логарифмическая шкала — это удобный способ уложить огромный диапазон значений измеряемого параметра
в компактном виде. Можно предположить, что к концу шкалы теряется её точность. Это так, но дело
в том, что и органы чувств человека ведут себя так же. Глаз человека, например, может различить
небольшой перепад в свете звёзд, но такой же в абсолютных числах перепад яркости двух ярких ламп
глаз уже не зафиксирует.

Поэтому десятичный логарифм используется для соответствия каждого следующего деления шкалы динамического
диапазона зрительному ощущению падения яркости в 2 раза при фактическом десятикратном падении
величины измеряемого параметра, а двоичный — для соответствия каждого следующего деления шкалы
фотографической широты зрительному ощущению равномерного падения яркости при падении вдвое количества
света.

Размер динамического диапазона или фотографической широты записываются цифрой, обозначающей
количество делений по соответствующей шкале между измеренными точками. При этом, если измерения
проходят по шкале динамического диапазона, рядом с цифрой ставят обозначение D (2D,
2,7D, 4D, 4,2D), а если по шкале фотографической широты, то используется обозначение EV (Exposure
Value — значение экспозиции) или просто количество ступеней или стопов (делений).

Часто динамический диапазон записывают в виде отношения, показывающего, во сколько раз между
крайними точками диапазона происходит перепад измеряемого параметра, например 100:1 (2D) или
1000:1 (3D). Обычно такой способ записи применяется для указания контрастности мониторов.

Формула же для измерения полезного динамического диапазона следующая: динамический диапазон
равен десятичному логарифму из отношения максимальной величины измеряемого параметра к минимальному,
то есть уровню шума:

Формула вычисления фотографической широты аналогична, но вместо десятичного логарифма применяется
двоичный.

Иногда из-за путаницы в терминологии динамический диапазон измеряют в единицах экспозиции (EV),
ступенях или стопах, как фотографическую широту, а фотографическую широту — как динамический
диапазон. Чтобы привести параметры к нормальному виду, приходится пересчитывать диапазон из одной
шкалы в другую. Для этого необходимо вычислить цену деления одной шкалы в цифрах другой. Например,
цену деления шкалы фотографической широты в цифрах шкалы динамического диапазона.

Поскольку деления шкалы представляют собой степени, вычислим, в какую степень надо возвести
десятку (размерность шкалы динамического диапазона), чтобы получить двойку (размерность
шкалы фотографической широты). Для этого берём десятичный логарифм от двойки и получаем искомый результат
— цену одного деления шкалы фотографической широты в единицах шкалы динамического диапазона —
приблизительно 0,301. Это число и будет коэффициентом перевода. Теперь, для перевода EV в D,
следует EV умножить на 0,3, а для перевода из D в EV, следует D разделить на 0,3.

Замечу, что шкала фотографической широты применяется не только для измерения диапазонов, но
и для измерения конкретных величин экспозиции. В этом случае шкала имеет условный ноль, который
соответствует яркости света, падающего от объекта, освещённость которого составляет 2,5 люкса
(для нормальной экспозиции объекта с таким освещением требуется диафрагма
1.0 и выдержка 1 сек. при чувствительности ISO 100). Таким образом, экспозиция вполне может принимать по этой шкале
отрицательные значения в EV. Диапазон же, естественно, всегда положителен.

Динамика в фотографии и в видео

Фотография в отличие видео не может изобразить движение как таковое, ведь движение развивается во времени, а снимок позволяет запечатлеть только очень короткий момент времени, и, следовательно, возможна только одна фаза движения. Несмотря на это, перед фотографом стоит проблема, как передать движение на снимке или как показать динамику в фотографии? Согласитесь, что снимок не передающий характер движения в кадре, теряет реализм.

Мы выяснили, что снимок способен зафиксировать только одну из фаз движения, происходящего перед фотоаппаратом и именно ту, в которой находится движущийся объект в момент срабатывания затвора фотоаппарата. Посмотрите на рисунок ниже, который показывает какое множество фаз движения проходит спортсмен во время прыжка.

Рисунок 1. Различные фазы движения спортсмена при прыжке с шестом

На следующем рисунке зафиксирована одна из этих фаз движения, которая хорошо характеризует движение, дает о нем правильное представление. По одной этой фазе уже можно в некоторой мере представить предыдущее положение спортсмена и о его дальнейшую траекторию движения. Здесь мы отчетливо видим динамику в фотографии.

Рисунок 2. Характерная фаза движения спотрсмена

Чувствительность

Чувствительность камер измеряется в фут-канделах (FtCd) либо люксах (1 FtCd « 9,3 лк) и обычно соотносится с минимальным уровнем освещённости, при котором качество изображения остаётся на приемлемом уровне. Однако в отрасли системы видеонаблюдения и контроля постоянно возникает путаница вокруг того, какое изображение следует считать «приемлемым». Производители камер определяют чувствительность двумя разными способами:

1) как освещённость передней плоскости матрицы и

2) как минимальную освещённость сцены.

Если чувствительность определяется как минимальная освещённость сцены, требуется оговорить ряд дополнительных параметров, при которых должно производиться измерение — таких, как отражательная способность сцены, F-число объектива, наличие либо отсутствие авторегулировки степени усиления видеосигнала, скорость затвора и оперативные задачи, решаемые камерой с ИК подсветкой. Большинством производителей для определения минимальной освещённости сцены используется поверхность с отражательной способностью 89 либо 75 (белая поверхность). Если бы отражательная способность реальной сцены в точности соответствовала этим условиям, то приводимые в технической документации цифры могли бы оказаться хоть в какой-то мере полезными. Однако в реальных условиях отражательная способность объектов весьма различна — от 90 у снега, 40 у травы и 25 у кирпича до 5 у асфальтового покрытия и других материалов чёрного цвета. Очевидно, что если уличная поворотная видеокамера направлена на автомобиль чёрного цвета, то для обеспечения минимальной освещённости потребуется в 15 раз большее количество излучения, чем для белой поверхности. Существует технология, позволяющая как минимум вдвое повысить чувствительность матриц — использование пиксельных микролинз. Снабдив каждый из светочувствительных элементов матрицы отдельной микроскопической линзой, можно существенно увеличить количество света, попадающего в объектив. В частности, этот метод дает КМОП-матрицам возможность собирать свет не только с активных зон каждого пиксела, но и из межпиксельного пространства. Это позволяет более чем вдвое повысить чувствительность камер и существенно снизить эффект смазывания изображения по сравнению с обычными матрицами.

Похожие новости

Цифровой видеорегистратор: особенности и применение Сегодня видеорегистраторы стали важной частью любого автомобиля или офиса. Цифровой видеорегистратор – это14.01.2012Обеспечение безопасности коттеджей Если поселок состоит из элитных домов, вооруженная охрана и новейшее охранное оборудование будет как нельзя кстати.25.11.2011Охрана гаражей и автостоянок Значительное увеличение количества транспорта в городах, заставило увеличить рост, строительства новых гаражных06.11.2011