16 ноября 2009 года

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном

Видеокамеры с широким динамическим диапазоном (WDR) предназначены для обеспечения качественного изображения при встречной засветке и наличии в кадре как очень ярких, так и очень темных областей и деталей. При этом яркие области не насыщаются, а темные не отображаются слишком темными. Такие камеры обычно рекомендуются для организации наблюдения за объектом, находящимся напротив окон, в освещенном сзади проеме двери или ворот, а также при большом контрасте объектов.

Динамический диапазон видеокамеры обычно определяется как отношение самого яркого фрагмента изображения к самому темному фрагменту того же самого изображения, то есть в пределах одного кадра. Это отношение по-другому называется максимальным контрастом изображения.

Проблема динамического диапазона

К сожалению, реальный динамический диапазон видеокамер строго ограничен. Он существенно у"же динамического диапазона большинства реальных объектов, ландшафтов и даже сцен кино и фотографии. Кроме того, условия применения видеокамер наблюдения в части освещения зачастую далеки от оптимальных. Так, интересующие нас объекты могут быть расположены на фоне ярко освещенных стен и предметов или встречного (контро-вого) света. В этом случае объекты или их детали на изображении будут слишком темными, так как видеокамера автоматически адаптируется к высокой средней яркости кадра. В некоторых ситуациях на наблюдаемой "картинке" могут иметь место яркие пятна со слишком большими градациями яркости, которые трудно передаются стандартными камерами. Например, обычная улица при солнечном освещении и с тенями от домов имеет контраст от 300:1 до 500:1, для темных пролетов арок или ворот с освещенным солнцем фоном контраст достигает 10 000:1, внутренность темной комнаты против окон имеет контраст до 100 000:1.

Ширина результирующего динамического диапазона ограничивается несколькими факторами: диапазонами самого датчика (фотоприемника), обрабатывающего процессора (DSP) и дисплея (видеоконтрольного устройства). Типовые CCD (ПЗС-матрицы) имеют максимальный контраст не более 1000:1 (60 дБ) по интенсивности. Самый темный сигнал ограничен тепловым шумом или "темновым током" датчика. Самый яркий сигнал ограничен суммой заряда, который может быть накоплен в отдельном пикселе. Обычно CCD построены так, что этот заряд составляет приблизительно 1000 темновых зарядов, обусловленных температурой CCD.

Динамический диапазон может быть существенно увеличен для специального применения камер, например для научных или астрономических исследований, путем охлаждения CCD и применения специальных систем считывания и обработки. Однако такие методы, будучи очень дорогими, не могут использоваться широко.

Как указывалось выше, множество задач требует размера динамического диапазона 65-75 дБ (1:1800-1:5600), поэтому при отображении сцены даже с диапазоном в 60 дБ детали в темных областях потеряются в шуме, а детали в ярких областях — из-за насыщения, либо диапазон будет обрезан сразу с двух сторон. Системы считывания, аналоговые усилители и аналого-цифровые преобразователи (АЦП) для видеосигнала в режиме реального времени ограничивают сигнал CCD до динамического диапазона в 8 бит (48 дБ). Такой диапазон может быть расширен до 10-14 бит за счет использования соответствующих АЦП и обработки аналогового сигнала. Однако зачастую это решение оказывается непрактичным.

Другой альтернативный тип схемы использует нелинейное преобразование в виде логарифмической функции или ее аппроксимации для сжатия 60 дБ выходного сигнала CCD до диапазона в 8 бит. Обычно такие методы подавляют детали изображения.

Последний (указанный выше) фактор ограничения — вывод картинки на дисплей. Динамический диапазон для нормального CRT-монитора, работающего в освещенной комнате, составляет около 100 (40 дБ). LCD-монитор еще более "ограничен". Сигнал, сформированный видеотрактом и даже ограниченный до контраста 1:200, будет уменьшен в динамическом диапазоне при показе. Чтобы оптимизировать показ, пользователь часто должен регулировать контраст и яркость монитора. И если он хочет получить изображение с максимальным контрастом, придется пожертвовать частью динамического диапазона.

Типовые решения

Имеются два основных технологических решения, которые используются, чтобы обеспечить видеокамеры расширенным динамическим диапазоном:

множественное отображение кадра — видеокамера захватывает несколько полных изображений или его отдельных областей. При этом каждая "картинка" отображает различную область динамического диапазона. После чего камера объединяет эти различные изображения, чтобы воспроизвести единое изображение с расширенным динамическим диапазоном (WDR);
использование нелинейных, обычно логарифмических, датчиков — в этом случае степень чувствительности при различных уровнях освещения различна, что позволяет обеспечить широкий динамический диапазон яркости изображения в одном кадре.

Применяются разные комбинации этих двух технологий, но наиболее распространенная — первая.

Для получения одного оптимального изображения из нескольких используется 2 метода:

параллельное отображение двумя или более датчиками изображения, сформированного общей оптической системой. В этом случае каждый датчик захватывает различную часть динамического диапазона сцены за счет различного времени экспонирования (накопления), различного оптического ослабления в индивидуальном оптическом тракте или за счет использования датчиков различной чувствительности;
последовательное отображение изображения единственным датчиком с различными временами экспонирования (накопления). В крайнем случае производится по крайней мере два отображения: одно с максимальным, а другое — с более коротким временем накопления.

Последовательное отображение, как наиболее простое решение, обычно используется в промышленности. Длительное накопление обеспечивает видимость наиболее темных частей объекта, однако самые яркие фрагменты могут не прорабатываться и даже приводить к насыщению фотоприемника. Картинка, получаемая с малым накоплением, адекватно отображает светлые фрагменты изображения, не прорабатывая темные области, находящиеся на уровне шума. Сигнальный процессор изображения камеры объединяет обе картинки, беря яркие части от "короткой", а темные части от "длительной" картинки. Алгоритм комбинации, позволяющий создавать гладкое изображение без шва, достаточно сложен, и мы не будем здесь его касаться.

Первыми представила концепцию объединения двух цифровых изображений, полученных при разном времени накопления, в единое изображение с широким динамическим диапазоном группа разработчиков во главе с профессором И.И. Зиви из компании "Tech-nion", Израиль. В 1988 г. концепция была запатентована ("Камера широкого динамического диапазона" Y.Y. Zeevi, R. Ginosar и O. Hilsenrath), а в 1993 г. ее применили при создании коммерческой медицинской видеокамеры.

Современные технические решения

В современных камерах для расширения динамического диапазона на основе получения двух изображений в основном применяются матрицы Sony двойного сканирования (Double Scan CCD) ICX 212 (NTSC), ICX213 (PAL) и специальные процессоры для обработки изображения, например SS-2WD или SS-3WD. Примечательно, что такие матрицы невозможно обнаружить в ассортименте SONY и не все производители указывают на их использование. На рис. 1 схематически представлен принцип двойного накопления. Время указано по формату NTSC.

Из диаграмм видно, что если типовая камера накапливает поле 1/60 с (PAL-1/50 с), то камера WDR составляет поле из двух изображений, полученных путем накопления, за 1/120 с (PAL-1/100 с) для мало освещенных деталей и за период от 1/120 до 1/4000 с для сильно освещенных деталей. На фото 1 представлены кадры с разным экспонированием и результат суммирования (обработки) режима WDR.

Эта технология позволяет "довести" динамический диапазон до 60-65 дБ. К сожалению, числовые значения WDR, как правило, приводятся только производителями верхней ценовой категории, остальные же ограничиваются информацией о наличии функции. Имеющаяся регулировка градуирована обычно в относительных единицах. На фото 2 представлен пример сравнительной отработки типовой и камерой WDR встречного света от стеклянной витрины и дверей. Встречаются модели телекамер, в документации на которые указано, что они работают в режиме WDR, но нет упоминания о требуемой специальной элементной базе. В этом случае, естественно, может возникать вопрос, является ли заявленный режим WDR таким, каким мы ожидаем? Вопрос справедлив, поскольку даже в сотовых телефонах уже применяется режим авторегулирования яркости изображения встроенного фотоаппарата, называемый WDR. С другой стороны, встречаются модели с заявленным режимом расширения динамического диапазона, названным как Easy Wide-D или EDR, которые работают с типовыми CCD. Если в данном случае указывается величина расширения, то она не превышает 20-26 дБ. Одним из способов расширения динамического диапазона является применяемая сейчас компанией Panasonic технология Super Dinamic III. Она также основана на двойном экспонировании кадра за 1/60 с (1/50С-PAL) и 1/8000 с (с последующим анализом гистограмм, разделением картинки на четыре варианта с различной гамма-коррекцией и их интеллектуальным суммированием в DSP). На рис. 2 представлена обобщенная структура этой технологии. Подобная система расширяет динамический диапазон до 128 раз (на 42 дБ).

Наиболее перспективной технологией расширения динамического диапазона телекамеры на сегодня является технология Digital Pixel System™ (DPS), разработанная в Стен-фордском университете в 1990-х гг. и запатентованная компанией PIXIM Inc. Основным нововведением для DPS является использование AЦП для переведения величины фотозаряда в ее цифровое значение непосредственно в каждом пикселе сенсора. CMOS(КМОП)-матрицы сенсора препятствуют ухудшению качества сигнала, что увеличивает общее отношение сигнал/шум. Технология DPS позволяет вести обработку сигнала в режиме реального времени.

Технология PIXIM использует метод, известный как мультисемплинг (многократная выборка), что позволяет сформировать изображение высочайшего качества и обеспечить широкий динамический диапазон преобразователя (свет/сигнал). В технологии PIXIM DPS используется пятиуровневый мультисемплинг, это позволяет получать сигнал от сенсора с одним из пяти значений экспозиции. Во время экспонирования производится измерение величины освещенности каждого пикселя кадра (для стандартного видеосигнала — 50 раз в секунду). Система обработки изображения определяет оптимальное время экспонирования и сохраняет полученное значение до того, как произойдет перенасыщение пикселя и прекратится дальнейшее накопление заряда. Рис. 3 поясняет принцип адаптивного накопления. Значение светлого пикселя сохранено при времени экспонирования Т3 (перед насыщением пикселя на 100%). Темный пиксель накапливал заряд более медленно, что требовало дополнительного времени, его значение сохранено при времени Т6. Сохраненные значения (интенсивность, время, уровень шума), измеренные в каждом пикселе, одновременно обрабатываются и преобразуются в высококачественное изображение. Поскольку у каждого пикселя есть свой встроенный АЦП и параметры освещенности измерены и обработаны независимо, то каждый пиксель в действительности действует как отдельная камера.

Системы формирования изображения PIXIM, основанные на технологии DPS, состоят из цифрового сенсора изображения и процессора обработки изображения. В современных цифровых сенсорах используется квантование в 14 и даже в 17 бит. Относительно невысокая чувствительность, как основной недостаток CMOS-технологии, характерна и для DPS. Типовая чувствительность камер этой технологии ~1 лк. Типовое значение отношения сигнал/шум для формата 1/3" составляет 48-50 дБ. Заявляемый максимальный динамический диапазон — до 120 дБ с типовым значением 90-95 дБ. Возможность регулирования времени накопления для каждого пикселя матрицы сенсора позволяет при формировании изображения использовать такой уникальный метод обработки сигнала, как метод выравнивания локальных гистограмм, позволяющий резко повысить информативность изображения. Технология позволяет полностью компенсировать засветку фона, выделить детали, оценить пространственное положение объектов и деталей, находящихся не только на переднем, но и на заднем плане изображения. На фото 3, 4 и 5 приведены кадры, полученные типовой CCD-камерой и камерой PIXIM.

Практика

Итак, можно сделать вывод о том, что сегодня при необходимости вести видеонаблюдение в сложных условиях высококонтрастного освещения можно подобрать телекамеру, достаточно адекватно передающую весь диапазон яркости объектов. Для этого наиболее предпочтительно использование видеокамер с технологией PIXIM. Довольно хорошие результаты обеспечивают системы на основе двойного сканирования. Как компромисс можно рассматривать дешевые телекамеры на основе типовых матриц и электронных систем EWD и многозонной BLC. Естественно, желательно использовать оборудование с оговоренными величинами характеристик, а не только с упоминанием наличия того или иного режима. К сожалению, на практике результаты работы конкретных моделей не всегда соответствуют ожиданиям и рекламным заявлениям. Но это тема для отдельного разговора.

Изображения с расширенным динамическим диапазоном (High dynamic range - HDR) позволяют фотографам отобразить больше тональных деталей, чем камера способна запечатлеть в одном снимке. Новая функция «Слияние в HDR» в Photoshop позволяет фотографу объединить серию экспозиций, снятых с брекетингом, в одно изображение, которое содержит в себе тональные детали из всей серии.

Однако тут есть свои подводные камни: расширение тонального диапазона неизбежно происходит за счёт снижения контрастности отдельных тонов. Благодаря умению использовать HDR в Photoshop вы можете извлечь максимум из вашего динамического диапазона в сложных условиях освещённости, сохранив при этом разумную контрастность.

Мотивация: дилемма динамического диапазона

По мере того как цифровые сенсоры достигают всё большего разрешения и, соответственно, меньших размеров пикселей, динамический диапазон от этого никак не выигрывает. В частности, это заметно при использовании компактных цифровых камер с разрешением порядка 8 мегапикселей, т.к. они более подвержены засветкам или шумам в тенях. Корме того, в некоторых случаях диапазон яркостей больше, чем современные цифровые камеры в состоянии передать.

Но есть и «хорошие новости» - практически любая камера в состоянии охватить большой динамический диапазон, просто не за один снимок. Меняя выдержку, большинство цифровых камер могут изменить количество света, попавшего на сенсор, в 50 000 раз или более. Другими словами, нам нужно сделать кадры с разным динамическим диапазоном и наложить их.

Когда использовать HDR

Я предложил бы использовать HDR, только когда распределение яркости в кадре не может быть скомпенсировано за счет использования градиентного фильтра (GND), т.к. эти фильтры расширяют динамический диапазон, сохраняя при этом локальный контраст. Идеально подходят для применения градиентных фильтров кадры с простой геометрией освещения, такой как линейный переход от света к тени, который часто встречается в пейзажной фотографии (где относительно тёмная земля переходит в яркое небо).

Кадр, в котором яркость не может быть легко скомпенсирована с использованием фильтра GND, показан на примере взгляда из арки.

На снимке видно примерно три тональных области с резкими переходами на границах - соответственно, требуется специальный градиентный фильтр. Глядя на эту картину глазами, мы могли бы различить детали как внутри арки, так и вне её, поскольку наши глаза адаптируются к изменениям яркости. Цель применения HDR в данном случае - лучше представить, что мы могли бы увидеть своими глазами, посредством техники, называемой тональным отображением.

Внутренняя обработка файла HDR

Photoshop создаёт файл HDR, используя информацию EXIF каждого из снимков серии, чтобы определить длину выдержки, диафрагму и чувствительность ISO. В дальнейшем эта информация используется для оценки количества света, полученного из каждой части изображения. Поскольку этот свет может существенно варьироваться по интенсивности, Photoshop создаёт файл HDR, используя для описания каждого из каналов цветов 32 бита. Преимуществом является то, что в файлах HDR эти добавленные биты используются для создания относительно широкой шкалы яркостей, которую можно скорректировать для вашего изображения. Важное отличие состоит в том, что эти добавочные биты используются иначе, чем таковые в 16-битных изображениях, которые всего лишь определяют оттенки более точно. Обычные 8 и 16-битные изображения мы будем далее обозначать как малодиапазонные (low dynamic range - LDR) по сравнению с 32-битными.

Почему бы просто не добавлять больше бит, чтобы определить соответствующий большой динамический диапазон? В обычных файлах форматов LDR гораздо больше бит используется на разницу в светлых тонах, чем в тёмных. В результате по мере увеличения числа бит всё большая их часть будет потрачена на более точное описание цвета вместо расширения динамического диапазона.

Дополнительные биты, которые обеспечивает нам формат HDR, великолепны и позволяют нам по сути отображать практически бесконечный диапазон яркостей. Проблема в том, что дисплей вашего компьютера (или итоговый фотоотпечаток) может передать только ограниченную шкалу яркости. Данная глава соответственно фокусируется на том, как создать файлы HDR и впоследствии преобразовать их в обычное 8 или 16-битное изображение, которое можно посмотреть на экране монитора или отправить на печать. Этот процесс обычно называют тональным отображением.

Подготовка почвы

Поскольку создание HDR-изображения требует серии экспозиций с идентичным позиционированием, важна стабильность штатива. Photoshop имеет функцию, которая пытается выравнивать изображения в случае, если камера перемещалась между снимками, однако наилучшие результаты достигаются, если на неё не рассчитывать.

Не забудьте сделать как минимум три экспозиции, хотя для оптимальной точности рекомендуется пять. Увеличение числа экспозиций позволяет алгоритму HDR лучше оценить, как ваша камера преобразует свет в цифровые значения (кривую чувствительности цифрового сенсора)- создавая более равномерное тональное распределение. Пример с видом из арки лучше решается несколькими промежуточными экспозициями в дополнение к двум показанным ранее.

Важно, чтобы на наиболее тёмной из экспозиций не было засветов в областях, где вы хотите сохранить детали. Наиболее яркая экспозиция должна показывать самые тёмные области изображения с достаточно высокой яркостью, чтобы они были относительно бесшумны и чётко видны. Каждая экспозиция должна быть отделена от соседней одной-двумя ступенями, и в идеале они должны быть получены изменением выдержки, а не диафрагмы или чувствительности ISO. Помните, что каждая ступень диафрагмы означает увеличение (+1 ступень) или сокращение (-1 ступень) пропускаемого света вдвое.

Есть ещё один недостаток HDR-изображений: они требуют относительно статического предмета съёмки в связи с необходимостью получения нескольких независимых экспозиций. Предыдущий пример с океаном на закате, следовательно, был бы не слишком уместен для использования техники HDR, поскольку волны значительно смещались бы между экспозициями.

Создание 32-битного файла HDR в Photoshop

Мы используем Adobe Photoshop, чтобы преобразовать последовательность экспозиций в одно изображение, которое использует тональное отображение для передачи того, что мы могли бы увидеть своими глазами. Прежде чем тональное отображение станет возможно, нам потребуется объединить все экспозиции в один 32-битный файл HDR.

Откройте инструмент HDR (File>Automate>Merge to HDR) и загрузите все экспозиции; для показанного выше примера использовалось четыре снимка. Если снимки не были сделаны со стабильного штатива, на этом шаге может потребоваться включить выравнивание (Attempt to Automatically Align Source Images), что существенно увеличивает время обработки. Нажав «OK», вы вскоре увидите сообщение «Расчёт функции чувствительности камеры» (Computing Camera Response Curves).

Когда компьютер закончит обработку, он покажет окно с комбинированной гистограммой. Photoshop вычисляет точку белого, но в результате его вычислений яркие части изображения зачастую оказываются засвечены. Вы можете сдвинуть точку белого к правой границе пиков гистограммы, чтобы получить все яркие детали. Полученное значение применяется только в целях просмотра, его потребуется определить более точно позже. Нажав «OK», вы получите 32-битное HDR-изображение, которое можно в этот момент сохранить. Учтите, что изображение может в этот момент выглядеть достаточно тёмным; только после преобразования в 16 или 8-битное изображение (с использованием тонального отображения) оно станет более похожим на желаемый результат.

На этом этапе, в виде 32-битного файла HDR, к изображению могут быть применены лишь немногие способы обработки, так что хранить его в таком виде иначе, как в целях архивации, практически бесполезно. Одноа из доступных функций - компенсация экспозиции (Image>Adjustments>Exposure). Вы можете попробовать увеличить экспозицию, чтобы увидеть все скрытые детали в тенях, или уменьшить её, чтобы увидеть все скрытые яркие детали.

Использование тонального отображения HDR в Photoshop

В Adobe Photoshop преобразуем 32-битное HDR-изображение в 16 или 8-битный файл LDR, применив тональное отображение. Это потребует от нас принципиальных решений о типе тонального отображения, в зависимости от предмета съёмки и распределения яркости в фотографии.

Запустите преобразование изображения в обычное 16-битное (Image>Mode>16 Bits/Channel), и вы увидите инструмент преобразования HDR. Можно выбрать один из четырёх методов тонального отображения, как описано ниже.

Экспозиция и гамма

Этот метод даёт вам возможность скорректировать экспозицию и гамму вручную, что служит эквивалентом изменения яркости и контраста, соответственно.

Компрессия яркости

У этого метода нет параметров настройки, он применяет специальную тональную кривую, которая значительно сокращает контраст ярких частей, чтобы высветлить и сохранить контраст в остальном изображении.

Эквализация гистограммы

Этот метод пытается перераспределить гистограмму HDR в диапазон контрастности обычного 16 или 8-битного изображения. В нём применяется специальная тональная кривая, которая растягивает пики гистограммы, так чтобы она стала более однородной. Обычно это наилучшим образом работает для гистограмм, в которых есть несколько относительно узких пиков без пикселей в промежутках.

Локальная адаптация

Наиболее гибкий метод и, пожалуй, наиболее часто используемый фотографами. В отличие от трёх предыдущих, этот метод меняет яркость частей изображения на попиксельной основе (аналогично повышению локального контраста). Тем самым глаз обманывается, полагая, будто контрастность изображения выше, что зачастую критично для потерявших контрастность HDR-изображений. Этот метод позволяет изменять тональную кривую для лучшего соответствия изображению.

Прежде чем использовать любой из этих методов, сперва может быть полезно определить точки белого и чёрного, используя движки на гистограмме изображения. Нажмите на двойную стрелку рядом с пунктом «Тональные кривые и гистограмма» (Toning Curve and Histogram), чтобы получить гистограмму изображения и движки.

Напоследок хотим рассказать о параметрах настройки метода «локальной адаптации», т.к. он, вероятно, является наиболее используемым и обеспечивает максимальную степень свободы.

Тональная иерархия и контрастность изображения

В отличие от трёх остальных методов преобразования, локальная адаптация необязательно сохраняет общую иерархию тонов. Она транслирует интенсивности пикселей не цельной тональной кривой, а с учётом значений окружающих пикселей. Это означает, что в отличие от использования тональной кривой, тона на гистограмме могут быть не просто растянуты и сжаты, но могут и пересекаться в позициях. Визуально это означает, что часть изображения, которая изначально была темнее другой, может получить аналогичную яркость или даже стать ярче - пусть даже не на много.

Очевидным примером случая, когда тональная иерархия сохраняется, является использование градиентного фильтра для расширения динамического диапазона (хотя это не является примером работы локальной адаптации). В этом примере, несмотря на то что морская пена и блестящие камни на переднем плане в действительности темнее, чем поверхность океана на расстоянии, итоговое изображение передаёт океан вдалеке как более тёмный. Ключевая концепция состоит в том, что при переходе к дальней части картины наши глаза адаптируются к изменению яркости (как при взгляде на яркое небо), тогда как на ближней дистанции адаптироваться незачем. Имитация этой характеристики зрения может рассматриваться как цель метода локальной адаптации - в частности, для распределений яркости, которые более сложны, чем простой вертикальный переход, как на берегу океана на закате.

Пример более комплексного распределения яркости показан ниже для трёх изображений статуи. Мы называем контраст на большой части изображения общим, тогда как изменения контраста в малых частях называются локальной контрастностью. Метод локальной адаптации старается сохранить локальную контрастность, снижая общую (аналогично тому, что происходит с примером заката в океане).

На примере выше проиллюстрировано визуально, как локальный и глобальный контраст влияют на изображение. Обратите внимание, как крупномасштабные (глобальные) полосы света и тени преувеличены в случае высокой общей контрастности. Наоборот, в случае с низкой глобальной контрастностью лицо статуи в анфас имеет практически одинаковую яркость с профилем.

Исходное изображение смотрится прекрасно, поскольку все тональные зоны чётко видны и показаны достаточно контрастно, чтобы выглядеть объёмно. Теперь предположим, что мы начали со среднего изображения, которое было бы идеальным вариантом для преобразования в HDR. Тональное отображение методом локальной адаптации наверняка создало бы изображение, похожее на крайнее правое (хотя, возможно, не настолько утрированное), поскольку оно сохранило бы локальную контрастность, уменьшив при этом общую (тем самым сохраняя текстуру тёмных и светлых зон).

Преобразование HDR методом локальной адаптации

Дистанция, которая отличает локальную контрастность от общей, задаётся радиусом. Радиус и порог аналогичны параметрам маски нерезкости, используемой для локального улучшения контрастности. Большая величина порога повышает локальный контраст, но при этом существует риск возникновения дефектов гало, тогда как чрезмерно малый радиус может придать изображению блёклость. Для любого выбранного изображения рекомендуется подбирать оба параметра для получения нужного эффекта, поскольку их идеальное сочетание зависит от изображаемого предмета.

Вдобавок к подбору величин радиуса и порога практически всегда требуется коррекция тональной кривой изображения. Этот подход идентичен описанному в главе об использовании кривых, где малые и плавные изменения в форме кривой практически всегда идеальны. Такая кривая показана для нашего примера с аркой вместе с результатом её применения.

Основная проблема метода локальной адаптации в том, что он не может отличить падающий свет от отражённого. В результате он может ошибочно затемнить натурально-белые текстуры и высветлить более тёмные. Помните об этом, подбирая радиус и порог, так чтобы минимизировать данный эффект.

Даже если изображаемая сцена не требует расширения динамического диапазона, итоговое фото всё же может выиграть от его побочного эффекта: снижения шума в тени. Замечали, что цифровые изображения всегда более шумные в тени, чем в ярких зонах? Происходит это потому, что соотношение сигнал-шум в изображении выше, когда светосигнал сильнее. Вы можете обратить это себе на пользу, объединяя правильно выдержанное изображение с передержанным. Photoshop всегда использует для передачи выбранного тона наиболее выдержанное изображение - таким образом собирая больше света в деталях в тени (при этом без передержки).

Индустрия производства развивается с высокой скоростью. Каждый год на выставках производители представляют новейшие технологии, позволяющие улучшить телевизоры и убедить людей, что пришло время для обновления.

Эволюция

Последние несколько лет провели нас от моделей с экранами на электронно-лучевой трубке до тонких телевизоров. Наблюдался взлет плазменных панелей и их падение. Затем пришла эра высокой четкости, полная поддержка HD и Ultra HD. Были эксперименты и с популярным трехмерным форматом, а также с формой экрана: его делали то плоским, то изогнутым. И вот наступил новый виток этой телевизионной эволюции - телевизоры с HDR. Именно 2016 год стал новой эрой в телевизионной промышленности.

в телевизоре?

Данная аббревиатура расшифровывается как «расширенный динамический диапазон». Технология дает возможность с максимальной точностью приблизить созданную картинку к тому, что человек видит в реальной жизни. Сам по себе наш глаз воспринимает сравнительно маленькое число деталей на свету и в тенях в один момент времени. Но после того как зрачки адаптируются к текущим условиям освещения, их чувствительность увеличивается почти вдвое.

Фотоаппараты и телевизоры с HDR: в чем отличия?

В обоих видах техники задача данной функции является одинаковой - с максимальной достоверностью передать окружающий мир.

Из-за ограничений матриц фотокамер делают несколько снимков с различной экспозицией. Один кадр является очень темным, другой - немного светлее, еще два - очень светлые. Все они потом соединяются при помощи специальных программ вручную. Исключением являются фотоаппараты со встроенной функцией склеивания кадров. Смыслом данной манипуляции является вытаскивание всех деталей из теней и светлых областей.

Телевизоры с поддержкой HDR производители сделали акцентированными на яркости. Так, в идеале устройство должно быть способно в произвольной точке выдавать значение в 4000 кандел на квадратный метр. Но при этом детализация в тенях не должна быть завалена.

Для чего нужен HDR?

Самыми важными параметрами для качества отображаемой картинки являются точность цветопередачи и контрастность. Если поставить рядом 4K-телевизор с HDR-телевизором, который имеет лучшую цветопередачу и увеличенный диапазон контрастности, то большая часть людей остановит свой выбор на втором варианте. Ведь на нем картинка выглядит менее плоско и более реалистично.

Телевизоры с HDR обладают увеличенной градацией, что позволяет получить большее число оттенков различных цветов: красного, синего, зеленого, а также их комбинаций. Таким образом, смыслом моделей с HDR является отображение более контрастной и полноцветной картинки, чем у других телевизоров.

Возможные проблемы

Для того чтобы в полной мере насладиться всеми плюсами технологии, к сожалению, нужны не только телевизоры с HDR, но и контент, который будет соответствовать технологии. В принципе, телевизоры с расширенным динамическим диапазоном изображения делают уже вполне качественно. Яркость моделей поднята в два раза, а подсветка стала локальной и прямой, то есть в одном кадре могут с различной яркостью подсвечиваться разные фрагменты. Самый с HDR является не совсем дешевым. Его стоимость - около 160 тысяч рублей. Эта модель - телевизор Sony. С HDR есть 55-дюймовый и 65-дюймовый экраны. К сожалению, бюджетные модели имеют недостаточную пиковую яркость, а подсветка в них не регулирует произвольные области матрицы. Также у них очень скромное количество передаваемых оттенков цветов.

Сложность использования старых моделей заключается в том, что эффект может быть противоположным тому, который задумал режиссер при съемке своего творения. Ведь совместно с колористами была разработана цветовая схема, а кадры были окрашены с использованием обширной палитры цветов, предоставленных специальным стандартом в кинематографе. Предыдущие модели телевизоров с таким стандартом не работают, так как не способны отобразить некоторые оттенки. Именно поэтому телевизионные версии фильмов смотрятся более бледно, чем должны.

Новые телевизоры с поддержкой HDR могут менять цветовую схему таким способом, как им захочется, применяя свои собственные алгоритмы, которые о видении режиссера не знают. По этой причине создатели придумали технологию, при которой совместно с видеосигналом передаются специальные метаданные, содержащие информацию с алгоритмами изменения картинки под телевизоры с функцией HDR. Теперь устройство знает, где необходимо осветлить, а где затемнить, а также то, в какие моменты нужно добавить какой-то оттенок. И если модель телевизора поддерживает такие возможности, то картинка будет выглядеть точно так, как хотел режиссер.

Контент скоро появится

На текущий момент времени телевизоры с HDR имеют ничтожно малое количество контента. Так, всего несколько названий предоставлено сервисами онлайн-видео, а также последний эпизод фильма «Звездные войны» снят и отредактирован в формате, похожем на HDR. Из-за этого может сформироваться мнение, что нет смысла в покупке телевизоров, поддерживающих расширенный динамический диапазон.

Однако это не так. Есть компании, которые предоставляют возможности для того, чтобы конвертировать видеоконтент в псевдо-HDR. Конечно, это не делается нажатием на одну кнопку, которая моментально в автоматическом режиме улучшит изображение без всякой посторонней помощи. Но есть набор утилит, которые во много раз облегчат работу, связанную с восстановлением задуманной режиссером и колористами цветовой схемы. А это значит, что со временем объемы контента высокого качества будут увеличиваться.

Варианты HDR

Так же как и с ранее выходившими технологиями HD и Blu-Ray, есть несколько мнений о том, как все должно быть реализовано. Поэтому HDR поделился на форматы. Самым распространенным является формат HDR10. Он поддерживается всеми телевизорами с HDR. В данном формате метаданные целиком присоединены к видеофайлу.

Следующий варианта - это Dolby Vision. Тут каждая сцена обрабатывается отдельно. Картинка из-за этого выглядит лучше. В России такой вариант поддерживается только телевизорами от LG. Проигрывателей с его поддержкой пока нет, так как современные модели слабы, и их процессоры не могут потянуть такую нагрузку. Владельцы же моделей с HDR10 с выходом обновлений получат обработку видео, приближенную к DV.

Требования

В 2016 году HDR-телевизоры стали массово появляться на рынке. Почти каждое устройство с поддержкой 4K может понимать этот формат. Но, к сожалению, понимать - это одно, а правильно отображать - совсем другое.

Идеальный вариант - это телевизор с OLED-матрицей и поддержкой 4K, который способен делать любой пиксель максимально ярким или же затемнять его. Подойдут и модели, обладающие ковровой подсветкой из светодиодов, которые индивидуально либо в группах регулируют яркость своих областей матрицы.

Обновление

Если ваш телевизор поддерживает технологию HDMI 2.0, то есть очень большая вероятность, что в ближайшее время будет получено программное обновление до нового стандарта, который нужен для того, чтобы передавать метаданные. Эти два стандарта полностью совместимы физически. Разница заключается лишь в способах программной обработки видеопотока.

Как это самое обновление получить, если оно не пришло автоматически? Необходимо зайти в настройки телевизора и выбрать пункт "Поддержка". Здесь должна быть возможность обновления, при выборе которой нужно будет подтвердить действие и выбрать загрузку по сети. Далее система сама отыщет новую прошивку и предложит ее установить.

Вывод

Как уже было сказано в начале статьи, большее число людей выберут полноцветную картинку, а не изображение с высоким разрешением. Это вполне логично. Ведь много пикселей - это, несомненно, хорошо, но еще лучше, когда пиксели хорошие. Список телевизоров с поддержкой HDR пока невелик. Такие модели есть у LG, Sony и Samsung.

Развитие технологии кажется значительно более перспективным, чем гонка за разрешением. На последних телевизионных выставках анонсированы новые модели, которые должны не только поддерживать высочайшее разрешение, но и давать высокую яркость, а также демонстрировать определенные уровни черного цвета и охватывать большое число оттенков. Нужно отметить, что формат HDR по умолчанию заявлен во множестве моделей, которые выйдут в 2017 году. Проблема может заключаться лишь в стандартах. Производителям контента и телевизоров нужно ее решать, и текущий год, судя по всему, будет посвящен именно этому.

Таким образом, мы выяснили, что такое HDR в телевизоре, для чего нужна эта технология, какие у нее преимущества и недостатки. Конечно, на сегодняшний день нельзя настоятельно рекомендовать любителям телевидения переходить на новые модели, так как технология все еще находится на стадии развития. Но, зная современные темпы развития, можно с уверенностью сказать, что через год HDR достигнет качественно иного уровня и все больше людей начнут приобретать телевизоры, поддерживающие расширенный диапазон. К этому времени производители контента как раз смогут произвести большое число фильмов и сериалов в формате HDR, и просмотр телевизора будет приносить еще большее любителям красивой картинки.

Динамический диапазон -- это отношение максимального допустимого значения измеряемой величины (яркости по каждому из каналов) к минимальному значению (уровню шумов). В фотографии динамический диапазон принято измерять в единицах экспозиции (шаг, стоп, EV), т.е. логарифмом по основанию 2, реже - десятичным логарифмом (обозначается буквой D). 1EV = 0,3D. Изредка используют и линейное обозначение, например 1:1000, что равно 3D или почти 10EV.

Характеристика «динамический диапазон» также используется для форматов файлов , используемых для записи фотографий . В этом случае он назначается авторами конкретного формата файла, исходя из тех целей, для которых этот формат будет использоваться. Например, ДД

Термином «динамический диапазон» иногда неверно называют любое отношение яркостей в фотографии:

отношение яркостей самых светлых и тёмных объектов съемки
максимальное отношение яркостей белого и чёрного цветов на мониторе/фотобумаге (верный английский термин contrast ratio)
диапазон оптических плотностей плёнки
другие, ещё более экзотические варианты

Динамический диапазон современных цифровых фотоаппаратов на начало 2008 года составляет от 7-8 EV у компактных камер до 10-12 EV у цифровых зеркальных камер (см. тесты современных камер на http://dpreview.com). При этом необходимо помнить, что матрица передает объекты съёмки с разным качеством, детали в тенях искажаются шумами , в светах - передаются очень хорошо. Максимальный ДД зеркалок доступен только при съемке в RAW , при конвертации в JPEG камера обрезает детали, сокращая диапазон до 7,5-8,5EV (в зависимости от настроек контраста камеры).

Динамический диапазон файлов и матриц фотоаппаратов часто путают с количеством бит , используемых для записи информации, однако прямой связи между этими величинами нет. Поэтому, например, ДД Radiance HDR (32 бита на пиксель) больше, чем 16-битного RGB (фотоширота), показывающая тот диапазон яркостей, который пленка может передать без искажений, с равным контрастом (диапазон яркостей линейной части характеристической кривой плёнки). Полный ДД плёнки обычно несколько шире фотошироты и виден на графике характеристической кривой плёнки.

Фотоширота слайда составляет 5-6EV, профессионального негатива - около 9EV, любительского негатива - 10EV, киноплёнки - до 14EV.

Расширение динамического диапазона

Динамического диапазона современных камер и пленок недостаточно для того, чтобы передать любой сюжет окружающего мира. Особенно это заметно при съемке на слайд или компактную цифровую камеру, которые зачастую не могут передать даже яркий дневной пейзаж в средней полосе России , если там есть объекты в тени (а диапазон яркостей ночного сюжета с искусственным освещением и глубокими тенями может доходить до 20EV). Эта проблема решается двумя путями:

увеличение динамического диапазона камер (видеокамеры для систем наблюдения имеют заметно больший динамический диапазон, чем фотокамеры, однако это достигается путем ухудшения других характеристик камеры; каждый год выходят новые модели профессиональных камер с лучшими характеристиками, при этом их динамический диапазон медленно растет)
комбинирование изображений, снятых с разной экспозицией (технология HDR в фотографии), в результате которого возникает единое изображение, содержащее все детали из всех исходных изображений, как в крайних тенях, так и в максимальных светах.

Файл:HDRIexample.jpg

HDRi фотография и три снимка, из которых она собрана

Оба пути требуют решения двух проблем:

Выбор формата файла, в который можно записать изображение с расширенным диапазоном яркостей (обычные 8-битные sRGB файлы для этого не подходят). На сегодня самыми популярным форматами являются Radiance HDR, Open EXR, а так же Microsoft HD Photo , Adobe Photoshop PSD , RAW -файлы зеркальных цифровых камер с большим динамическим диапазоном.
Отображение фотографии с большим диапазоном яркостей на мониторах и фотобумаге , имеющих существенно меньший максимальный диапазон яркостей (contrast ratio). Данная проблема решается с помощью одного из двух методов:
- тональная компрессия, при которой большой диапазон яркостей уменьшается в небольшой диапазон бумаги, монитора или 8-битного sRGB-файла путем уменьшения контраста всего изображения, единым образом для всех пикселей изображения;
- тональное отображение (tone mapping, тонмаппинг), при котором производится нелинейное изменение яркостей пикселей, на разную величину для разных областей изображения, при этом сохраняется (или даже увеличивается) оригинальный контраст, однако тени могут выглядеть неестественно светлыми, и на фотографии могут появиться ореолы на границах областей с разным изменением яркости.

Тонмаппинг также может использоваться и для обработки изображений с небольшим диапазоном яркостей для повышения локального контраста.

Из-за способности тонмаппинга выдавать «фантастические» картинки в стиле компьютерных игр, и массового представления таких фотографий с вывеской «HDR» (даже полученных из одного изображения с небольшим диапазоном яркостей) у большинства профессиональных фотографов и опытных любителей выработалось стойкое отвращение к технологии расширения динамического диапазона из-за неверного мнения о том, что она нужна для получения таких картинок (приведенный выше пример показывает использование методов HDR для получения нормального реалистического изображения).

См. также

Ссылки

Определения основных понятий:
- БСЭ, статья «фотографическая широта»
- Горохов П. К. «Толковый словарь по радиоэлектронике. Основные термины» - М.: Рус. яз., 1993
Фотоширота пленок и ДД фотоаппаратов
- http://www.kodak.com/global/en/professional/support/techPubs/e4035/e4035.jhtml?id=0.2.26.14.7.16.12.4&lc=en
Форматы файлов:

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Динамический диапазон в фотографии" в других словарях:

Динамический диапазон: Динамический диапазон (техника) характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления, представляющая логарифм… … Википедия

Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового давления и т. д.), представляющая логарифм отношения максимального и… … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. Динамический диапазон. Динамический диапазон характеристика устройства или системы, предназначенной для преобразования, передачи или хранения некой величины (мощности, силы, напряжения, звукового… … Википедия

Фотографическая широта характеристика светочувствительного материала (фотоплёнки, передающей телевизионной трубки, матрицы) в фотографии, телевидении и кино. Определяет способность светочувствительного материала правильно передавать яркость… … Википедия

Контраст в наиболее общем смысле, любая значимая или заметная разница (например, «Россия страна контрастов…», «контраст впечатлений», «контраст вкуса пельменей и бульона вокруг них»), не обязательно измеряемая количественно. Контрастность степень … Википедия

Для улучшения этой статьи желательно?: Найти и оформить в виде сносок ссылки на авторитетные источники, подтверждающие написанное … Википедия

У этого термина существуют и другие значения, см. HDR. High Dynamic Range Imaging, HDRI или просто HDR общее название технологий работы с изображениями и видео, диапазон яркости которых превышает возможности стандартных технологий. Чаще… … Википедия

Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей … Википедия

В Википедии есть п … Википедия

- (лат. redactus приведённый в порядок) изменение оригинала изображения классическими или цифровыми методами. Также может обозначаться термином ретуширование, ретушь (фр. retoucher подрисовывать, подправлять). Целью редактирования… … Википедия

Дата публикации: 23.06.2015

Вместо красивого неба на закатном снимке получилось белое пятно? А может, наоборот, закат запечатлеть удалось, но внизу лишь чёрный фон? Сфотографировали человека напротив окна, а за ним в кадре образовалась белая пелена? Пришло время разобраться, откуда берутся такие ошибки и как их исправить!

Наверняка вы замечали, что иногда в кадре бывает очень сложно показать и яркое солнце, и тёмные детали: либо небо получается пересвеченным, либо нижняя часть кадра становится слишком тёмной. Почему так происходит? Дело в том, что фотоаппарат способен воспринимать ограниченный диапазон яркости. Речь идёт о динамическом диапазоне. Во времена фотоплёнки это понятие именовалось «фотографической широтой».

NIKON D810 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 100, F14, 25 с, 22.0 мм экв.

NIKON D810 / 18.0-35.0 mm f/3.5-4.5 УСТАНОВКИ: ISO 31, F20, 6 с, 22.0 мм экв.

Когда чаще всего ощущается нехватка динамического диапазона?

На практике фотограф постоянно сталкиваться с проблемой недостаточного динамического диапазона. Прежде всего, она будет заметна при съёмке контрастных сцен.

Классический пример - съёмка на закате. Не так просто будет запечатлеть и яркое солнце, и затенённые участки внизу кадра, землю. Нехватка диапазона также ощущается при фотографировании в контровом свете (например, если вы снимаете в помещении напротив окна).

Все области, не вошедшие в динамический диапазон, на снимке получаются или слишком светлыми, или тёмными, лишаются всех деталей. Это, конечно, ведёт к потере качества снимка, техническому браку.

Несколько примеров сюжетов с широким динамическим диапазоном:

Что такое динамический диапазон фотоаппарата? Как его измерить?

Итак, динамический диапазон (ДД) - это характеристика фотокамеры, отвечающая за то, какой диапазон яркости она сможет показать на одном кадре. Обычно производители не указывают этот параметр в технических характеристиках фотоаппарата. Тем не менее, его можно измерить, посмотрев, сколько деталей в тёмных и светлых участках кадра сможет передать та или иная камера.

Сравните: камера смартфона имеет узкий динамический диапазон, а зеркальная фотокамера Nikon D810 - широкий.

Кроме того, существуют специальные лаборатории, измеряющие характеристики фотокамер. Например, DXOmark , в базе данных которой очень много протестированных фотокамер. Отметим, что специфика тестирования этой лаборатории такова, что измеряется динамический диапазон на минимальных значениях ISO. Так что, при повышенных значениях ISO, картина может несколько измениться.

Динамический диапазон измеряют в ступенях экспозиции (EV). Чем больше ступеней экспозиции камера может отобразить на фотографии, тем шире её динамический диапазон. Например, фотокамера Nikon D7200 имеет динамический диапазон 14,6 EV (по данным DXOmark). Это прекрасный результат, однако, стоит отметить, что в целом динамический диапазон обычно выше у фотокамер с полнокадровыми матрицами, таких как Nikon D610, Nikon D750, Nikon D810. А вот динамический диапазон компактных фотокамер может быть всего 10 EV, у смартфонов - и того меньше.

Отметим, что потенциал зеркальных камер (в том числе их динамический диапазон) можно оценить только при работе с RAW-файлами . Ведь на JPEG-снимках будут сказываться многие внутрикамерные настройки. Например, камера может сильно повышать контраст снимков, сужая динамический диапазон. С другой стороны, многие фотоаппараты умеют искусственно расширять его при съёмке в JPEG, но об этом чуть позже.

Как загубить динамический диапазон на фото? Типичные ошибки

Даже если камера обладает широким динамическим диапазоном, это не гарантирует, что на фотографиях будут отображены все детали в тёмных и ярких участках. Рассмотрим основные ошибки фотографов, ведущие к значительному снижению динамического диапазона и плохой проработке деталей.

Ошибки экспозиции . Ошибки экспозиции всегда чреваты тем, что на фото будут появляться либо пересвеченные, либо «выбитые в чёрное» области. Загубленный некорректной экспозицией кадр не спасёт даже широкий динамический диапазон.

Рассмотрим пример пересвеченного кадра:

Теоретически, динамического диапазона камеры для этого сюжета должно было хватить, но произошла потеря деталей в светлых участках кадра (на небе) из-за неправильно настроенной экспозиции. Кадр получился слишком ярким.

Обратная ситуация - кадр недоэкспонированный, тёмный.

На этот раз детали потерялись в тёмных участках кадра.

Ошибки при обработке . Грубая обработка фотографий на компьютере или применение фильтров внутрикамерной обработки изображения способны очень сильно сузить динамический диапазон на ваших кадрах. Поэтому не злоупотребляйте излишним повышением контраста, работой с насыщенностью цветов, коррекцией экспозиции и т.п.

Укладываемся в динамический диапазон

Часто даже при съёмке сложных сюжетов с большим перепадом яркости можно не прибегать ни к каким сложным ухищрениям для расширения динамического диапазона. Нужно просто грамотно использовать то, что может дать фотокамера.

Выбирайте подходящие условия для съёмки . Чтобы получать качественные кадры, нужно выбирать подходящие условия освещения. Зачастую фотограф сам себя загоняет в такие условия, в которых практически невозможно сделать качественный снимок. Вместо того чтобы пытаться запечатлеть слишком контрастный сюжет, стоит подумать: возможно, лучше выбрать другой ракурс, другое время для съёмки или освещение. К примеру, закатное небо по яркости сбалансируется с землёй после захода. Кстати, не всегда стоит брать в кадр солнце. Подумайте, можно ли обойтись без него. Так вам удастся избежать лишних пересветов. Это относится и к съёмке портретов напротив окна. Достаточно сделать пару шагов от окна и снимать сбоку от него - яркое окно не получится пересвеченным, а на вашу модель будет падать красивое боковое освещение.