1. Характеристичні криві цифрового сенсора і плівки
2. Експонометрія
3. Методика вимірювання
4. Практика
5. денне освітлення
6. Кадр з експозицією по експонометри
7. Освітлення лампою розжарювання
8. Як цим користуватися
9. Експонування по светам
10. Експонування по півтони з контролем діапазону яркостей сцени
11. керована переекспозиції
12. А як же камерна гістограма?

На відміну від чутливості фотоплівки, для якої є стандартна процедура вимірювання, чутливість цифрової камери досить розпливчасте поняття. Зокрема, існуючий стандарт ISO 12232: 2006 має на увазі використання вихідного зображення в колірному просторі sRGB (див. Виклад методик цього стандарту в Вікіпедії ), Що, в свою чергу, має на увазі використання RAW-конвертера (внутрішньокамерного або окремого). Те, що конвертор може виробляти різні перетворення над даними накладати тонову криву, вводити приховану від користувача експозиційну поправку ніяк не враховується в стандарті.

В результаті, чутливість камери виявляється досить довільною величиною (на що вказується в вищезгаданій статті у Вікіпедії), а виробники камери можуть робити всякі несподівані викрутаси. Наприклад, камери різних виробників, при формально однаковою чутливості, можуть вести себе принципово по-різному в сенсі фотографічної широти, отже, при зміні камер доведеться перенавчатися. Більш того, викрутаси можуть спостерігатися і при різних настройках однієї камери. Наприклад, ISO 50 і ISO 100 в камері Canon 5D Mark II виявляються однієї і тієї ж чутливістю , Тобто однакова експозиція на цих двох установках чутливості виробляє однаковий сигнал, хоча очікується, що він повинен відрізнятися вдвічі.

Далі в тексті ми розглянемо просту методику, яка дозволяє відкалібрувати експонометр таким чином, щоб на різних камерах (або різних установках чутливості у однієї камери) отримувати передбачувані результати.

Характеристичні криві цифрового сенсора і плівки

Характеристичні криві типовою плівки і цифрового сенсора принципово відрізняються на краях робочого діапазону, що схематично показано на наступній діаграмі, побудованої в координатах логарифм експозиції - логарифм сигналу (для плівки оптична щільність тобто логарифм світлопропускання):

Криві на схемі модельні, для плівки використано логістичне рівняння, для сенсора лінійна залежність з миттєвим насиченням в світлі.

У реальному житті ми маємо справу з трьома (іноді з чотирма) колірними каналами, чутливість яких неоднакова (тобто для сірої карти в конкретному висвітленні ми отримаємо три різних відгуку) і ми маємо справу не з однією характеристичної кривої, а з трьома. У координатах вищенаведеної схеми, різна чутливість означає зміщення характеристичного графіка горизонтально, вправо або вліво.

Як добре видно на схемі, поведінка цифрового сенсора досить сильно відрізняється від плівки:

• Поведінка в світлі:
  • Крива плівки плавно загинається, деталі в екстремальних світлі відтворюються, нехай з невеликим контрастом.
  • Сенсор переходить в режим насичення миттєво, деталі яскравіше деякої межі стають невиразні. На практиці, переповнення пікселів сенсора може викликати блюмінг (розтікання накопиченого заряду на сусідні пікселі) тобто засвіченими виявляться не тільки пікселі, на які потрапило занадто багато світла, але і сусідні з ними.
• Поведінка в півтонах:
  • Цифровий сенсор лине (вихідний сигнал лінійно пропорційний падаючому світлу), нахил в координатах характеристичної кривої (логарифм-логарифм) буде завжди однаковим (і рівним одиниці), таким чином, контраст сенсора однаковий по всьому робочому діапазону (і для всіх цифрових сенсорів). Експонування півтонів світліше або темніше виміру по експонометри в першому наближенні нічого не змінює в їх передачі (в реальності різниця є за рахунок бОльшей нелінійності сенсора і меншого числа відтворюваних градацій в тінях).
  • У різних плівок різний коефіцієнт контрасту, нахил прямолінійної ділянки на характеристичної кривої різний. Експонування півтонів нема на середину робочого відрізка змінює передачу контрасту.
• Поведінка в тінях:
  • Плівка в тінях поступово втрачає контраст, загин характеристичної кривої щодо плавний.
  • Сенсор в тінях втрачає градації: так як кодування сигналу лінійне, то при русі в область тіней на кожен наступний фотографічний стоп (зменшення експозиції вдвічі) припадає вдвічі менше різних рівнів сигналу. За рахунок наявності шумів, відбувається і втрата контрасту.

При збільшенні чутливості сенсора (тобто збільшенні коефіцієнта посилення його сигналу перед або після оцифровки) зростає і відносна кількість шумів, тобто порушується лінійність. В першу чергу це стосується тіней, в другу півтонів, а поведінка сенсора в світлі змінюється найменше.

Експонометрія

При вимірі експозиції по відбитому від об'єкта світла мається на увазі, що якщо ми виставимо експозицію по вимірюванню об'єкта (відбитого від нього світла), то на відбитку даний об'єкт відобразиться середнім тоном.

Константи калібрування експонометрів різних виробників відрізняються, частина виробників експонометрів і фотокамер (в цю групу входять Canon, Nikon, Sekonic) має на увазі, що середній тон лежить приблизно на 3.15 eV нижче, ніж світла сцени, друга група виробників (Pentax, Minolta, Kenko) вважає , що середній тон приблизно на 0.4eV світліше. Детальніше про константи калібрування експонометрів можна почитати в вікіпедії .

На печатці середній тон прийнято відображати в 18% -й сірий (якщо вважати в стопах, це на 2.47eV нижче, ніж 100% білий), таким чином, перша група виробників фототехніки на увазі стиснення діапазону від середнього тону до світел приблизно на 0.7eV, а друга - приблизно на 0.3eV.

Природно, реальні сцени все відрізняються, тому плівковий фотограф повинен просто розуміти, в яке місце в півтонах потрапить об'єкт, експонованих "по експонометри" при дотриманні всіх інших складових стандартної процедури (плівка, проявлення, друк). При цьому яскраві світла будуть скомпрессировать, контраст в світлі зменшиться, але якась деталізація збережеться.
Вищесказане відноситься, в першу чергу, до негативної плівці, слайд поводиться менш толерантно, але характеристична крива плавно загинається в світлі і тінях і у слайда теж.

У разі ж цифрового сенсора ніякого стиснення світел немає, насичення настає різко. Всі деталі, які яскравіше точки насичення, відтворені просто не будуть. Як наслідок, при зйомці на цифрову камеру потрібно знати, наскільки нижче точки насичення міряє експонометр.

Методика вимірювання

Пропонована методика калібрування експометра полягає в зйомці зображення сірої шкали з двома експозиціями:

1. За експонометри, щоб отримати точку настройки експометра на цьому пристрої.
2. З дуже великою перетримуванням (5-6-7 стопів), щоб отримати рівень насичення сенсора для даної камери.

Далі беремо усереднені значення пікселів (з RAW-файлу) для цих двох випадків, ділимо один на одного, отримуємо запас в світлі в разах, беремо логарифм за основою 2 і отримуємо те ж саме в фотографічних стопах.

Є, правда, кілька ускладнюють моментів:

1. Відносна (відносно один одного) чутливість каналів різна при різному спектрі освітлення. Як наслідок:

• При заданому освітленні запас в світлі буде різним за різними колірних каналах.
• При зміні освітлення запас в світлі теж змінюється.

• Може змінюватися рівень насичення, при збереженні значень, одержуваних при зйомці по експонометри.
• Встановлене ISO може бути несправжнім , А експонометр про це не знає.

Як наслідок, бажано калібрувати експонометр на кожному використовуваному значенні чутливості і для кожного використовуваного виду освітлення.

Практика

У подальших тестах використовувалася камера Olympus E-PL3.

Знімемо два вищеописаних кадру:

1. Сіра плашка (можна використовувати сіру карту, можна просто білий папір, краще без оптичних відбілювачів).
   Просто відключаємо всі експозиційні поправки і знімаємо.
   Якщо знімається плашка займає все поле кадру, то режим експонометра не має значення, все режими (центрально, точковий, матричний) дадуть однаковий результат.
   Для отримання рівномірної яскравості по кадру, краще використовувати довгофокусну оптику, злегка (1-2 стопа) прикривши діафрагму щодо найбільш відкритою.
   Корисно злегка розфокусувати об'єктив, щоб неминуче наявні на мішені нерівномірності, порошинки і т.п. не заважали.
2. Той же кадр, але з експозиційною поправкою + 5-6 стопів (eV). На багатьох камер вистачить і меншою поправки, але перестаратися тут не можна.

Вантажимо ці кадри по черзі в RawDigger, робимо виділення (Selection) в центрі кадру, дивимося.

денне освітлення

Кадр з насиченням

Як ми бачимо, у даній камери, незважаючи на насичення, сигнал коливається від 3522 до 4031 по всьому кадру (інформаційний блок Image) і від 3927 до 4031 з обраної області (наступний інформаційний блок). Але середнє значення по вибірці в центральній частині кадру 4031 по всім каналам, що збігається з максимумом. Отже, пікселів відхиляються від максимуму дуже мало, що добре видно на гістограмі вибірки, в лінійному масштабі по вертикальній осі видно тільки значення 4031:

І тільки в логарифмічному масштабі видно інші значення, яких дуже мало, одиниці - кілька десятків кожного, тоді як основного значення близько 160 тисяч в кожному каналі.

Таким чином значення насичення нам відомо: 4031 для кожного з колірних каналів.

Кадр з експозицією по експонометри

Видно, що оптика кілька віньетірует, тому візьмемо область в центрі кадру, і середні значення по каналах для неї. В даному прикладі це 183 (R), 370 (G), 218 (B) (третій інформаційний блок зверху вікна, вважаючи зліва направо, колонка Avg), різницею в 0.5 між двома зеленими каналами пренебрежем.

Поділивши максимально можливі значення (взяті з засвеченного кадру), на значення каналів для сірої плашки по експонометри, отримаємо запас в світлі.

сонячне освітлення

колірної канал

значення насичення

Значення для сірої плашки по експонометри

Запас в світлі, рази

Запас в світлі, eV (log 2 запасу в разах)

червоний

4031

183

22

4.45

зелений

4031

370

10.9

3.44

синій

4031

218

18.5

4.21

Різниця по каналах видно і на гістограмі по вибірці. Значення EV0 на фотографічній шкалою поставлено в 370 (середнє по зеленому каналу за вибіркою), відносний недосвет синього (0.8eV) і червоного (1eV) каналів добре видно.

Освітлення лампою розжарювання

При висвітленні лампою розжарювання результат змінюється: в зображенні сірої плашки стає менше синього і більше червоного, що не дивно тому що сіра карта нейтральна, спектр світла змінився (зрушився в червону сторону), а кольорові фільтри на пікселях залишилися колишніми. Запас в світлі в зеленому каналі теж трохи підріс:

Освітлення лампою розжарювання

колірної канал

значення насичення

Значення для сірої плашки по експонометри

Запас в світлі, рази

Запас в світлі, eV (log 2 запасу в разах)

червоний

4031

306

13

3.72

зелений

4031

339

11.9

3.57

синій

4031

117

34.5

5.10

Наведемо і гістограму:

Ця гістограма побудована з тієї ж шкалою по горизонтальній осі, що і попередня. Видно, що розбаланс каналів став істотно іншим: синій недосвечен на 1.5eV щодо зеленого, а червоний експонований практично так само.

Як цим користуватися

Знання половини фотошіроти (тобто запасу в світлі, різниці в яскравості між півтонами знімка і найяскравішим об'єктом, який все ще може бути опрацьований) дозволяє впевнено визначати експозицію:

Експонування по светам

У разі, коли сцена має великий діапазон яркостей, але точно відомо, які саме світла повинні мати деталізацію, визначення експозиції стає тривіальним:

1. Зробимо завмер світел (точковим виміром камери або зовнішнім спотметром).
2. Далі зробимо Експопоправка в плюс трохи меншу, ніж запас в світлі (плюс 3-3.3eV для розглянутої камери і денного світла).

І, власне, все. Потрібні нам світла будуть гарантовано опрацьовані (мати деталізацію), а саме цього ми і добивалися. Цей прийом особливо доречний, якщо світлі частини кадру потрібно пропрацювати, але залишити при цьому світлими, наприклад при зйомці зимового пейзажу.

Експонування по півтони з контролем діапазону яркостей сцени

Припустимо, експозиція знімка визначається півтонами і міняти її ми не хочемо.

Знову ж спотметром (точковим виміром камери) визначаємо експозицію для світел, якщо вона розходиться з бажаної більш ніж на запас в світлі, - то світла не будуть опрацьовані. Отже, потрібно або зменшувати контраст сцени якимось чином (градієнтні фільтри, підсвічування переднього плану), або міняти (зменшувати) експозицію, або шукати інший ракурс, в якому не буде заважають нам занадто яскравих світил.

керована переекспозиції

Якщо заважають нам світла мають околонейтральний відтінок, а використовуваний нами RAW-конвертор режим відновлення світел (Highlight recovery), то можна ризикнути і залишити деталізацію тільки в одному-двох каналах з трьох. Візьмемо експозицію трохи більше, ніж дозволяє запас в світлі у всіх трьох каналах, втратимо деталі в самому чутливому (зазвичай, зеленому) каналі, а потім відновимо щось схоже на деталі по іншим каналам.

Для даної камери і денного освітлення це дасть зайвий 1eV до запасу по светам.

А як же камерна гістограма?

Вдумливий читач запитає нас а навіщо всі ці дурниці, є ж камерна гістограма.

Так, вона є. Але давайте згадаємо в наших тестах ми знімали сіру карту. Отже, на камерній гистограмме, при правильно виставленому балансі білого, ми отримаємо піки в одних і тих же місцях (бо карта сіра, а баланс білого правильний, його навіть можна виставити прямо по цій карті).

Чи відповідають такі піки реальності? При денному світлі у нас на 1 стоп недодержання канали синього і червоного (щодо зеленого), а камера малює піки в одному положенні. При світлі лампи розжарювання майже на 2 стопа недодержання синій, а його пік камера покаже там же, де червоний і зелений.

Те ж саме стосується і індикації пересвета, як-то довіряти йому можна тільки для зеленого каналу, а що відбувається в інших зрозуміти по камерної гистограмме і стандартних установках балансу білого можна.

Звісно є UniWB , Але його використання на багатьох камерах ускладнене тим, що зображення не зберігає дані про природному балансі білого в момент зйомки, що ускладнює обробку знімків. Крім того, UniWB не вирішує завдання повністю, крім балансу білого камера накладає якусь тонову криву і що вона при цьому відріже, а що залишить - в загальному випадку невідомо.

Особливо погано поводиться камерна індикація при лампах розжарювання: розбаланс каналів досягає 2 стопів і більше , Індикація пересвета по синьому каналу буде практично гарантовано брехати, змушуючи фотографа зменшувати експозицію і ще більше недоекспонувати синій канал.

При цьому знання запасу в світлі для своєї камери для різних налаштувань дозволяє зовсім відмовитися від контролю зйомки по екранчику камери, результат гарантований і без цього.