Динамический диапазон и матрицы

Битовая глубина
Другой фактор качества изображения — число цветов или тонов серого, которые может иметь пиксель. Чтобы понять важность этого фактора, представьте себе две раскрашенные картинки одного цвета. Для первой с помощью серого карандаша зададим 10 градаций, окрашенные поля обозначим номерами от 1 до 10. Когда картинка будет готова, изменения тона между полями будут хорошо заметны.
Рисунок 1. ДД камеры ограничены максимальным сигналом элемента матрицы и минимальным уровнем шумов.
Для второй картинки задаем 256 различных тонов серого, отмечая поля числами от 1 до 256. При таком большом количестве серых тонов переходы незначительны и полоска кажется плавно, непрерывно окрашенной. Теперь вернемся к цифровой фотографии. Вместо карандаша у нас будут пиксели. Чем больше цветов (или тонов) передают пиксели, тем выше качество изображения.
Термин «динамический диапазон» (ДД) может сбивать с толку, так как он используется в разных фотографических ситуациях, включая ДД сцены и ДД отпечатка. Применительно к матрицам цифровых камер этот термин используется для описания широты, которую может обеспечить матрица при фиксировании деталей одновременно в областях теней и светов, т.е. в значительной мере в том же смысле, что и термин «фотографическая широта» для пленок. Более строгое определение ДД для цифровых матриц таково: ДД — это отношение между наибольшим и наименьшим регистрируемыми сигналами, которые пропорциональны наибольшему выходному сигналу элемента матрицы (наибольший) и минимальному уровню шумов (наименьший).
Рисунок 2. Чем больше уровней(тонов серого) а цифровом файле, тем плавней градация тонов(верхняя полоска). Когда видимых уровней мало, дискретность тонов становится очевидной(нижняя полоска).
Относительно ДД сказано много. Без сомнения, наибольшие технологические усовершенствования в производстве цифровых камер коснутся именно его, однако сейчас прогресс несколько замедлился. Проблемы цифрового ДД во многом подобны проблемам ДД пленок — это существенные ограничения возможности матриц регистрировать детали при большом диапазоне яркостей (ДЯ) объекта съемки или ДД сцены. Например, позитивные (обращаемые) пленки могут регистрировать детали в очень узком диапазоне — примерно 5 ступеней. Цветная негативная пленка немного лучше — 7 ступеней, в то же время черно-белая негативная пленка охватывает около 9 ступеней. Для сравнения, ДД сегодняшних цифровых камер составляет 5-7 ступеней в зависимости от качества матрицы и, что очень важно, от аналого-цифрового преобразователя (АЦП).
Как уже упоминалось, ДД матрицы определяется двумя факторами: эффективностью элемента матрицы и уровнем шумов. Эффективность элемента матрицы определяется количеством электронов, или наибольшим зарядом, который элемент может удержать до перехода в насыщение. Эта величина связана с размером элемента матрицы (одна из причин, почему большие (полнокадровые) матрицы могут иметь преимущества перед матрицами меньшего размера, хотя и не всегда) и пределами ДД на ярком краю ДЯ сцены. Уровень шума определяется как сигнал, сформированный всеми источниками шумов, который ограничивает ДД в тенях, поскольку любой измеренный световой сигнал не может быть меньше уровня шумов.
Еще одним фактором, ограничивающим ДД матрицы, является разрядность АЦП. Теоретически, чем выше разрядность АЦП, тем выше точность АЦ-преобразования. Например, 12-разрядные АЦП, которые применяются сегодня во многих профессиональных и полупрофессиональных DSLR-камерах, имеют теоретический ДД в 12 ступеней. В некоторых более новых моделях установлены 22-разрядные АЦП с теоретическим ДД в 22 ступени. Однако ДД всегда ограничен эффективностью элементов матрицы и минимальным уровнем шумов — независимо от разрядности примененного АЦП, что дает нам реальные пределы ДД в 5-7 ступеней.
Рисунок 3. Таблица показывает варианты ДД. Как видите. ДЯ типичной сцены вне помещения при солнечном освещении намного превосходит ДД цифровой камеры, что делает невозможным передать на снимке детали на всём диапазоне.
В цифровой фотографии битовая глубина описывает число различных тонов или цветов, которые могут воспроизводиться пикселями. Эти тона также называют уровнями. в вычислительной технике бит принимает два значения — 0 или 1 (бинарность). Файлы в формате jpeg являются 8-битовыми. Это означает, что они имеют битовую глубину в 256 различных тонов, или уровней (рассчитывается как 2 в 8-й степени). В то же время файлы в формате raw обычно 12-битовые, что дает битовую глубину 4096 тонов (2 в 12-й степени), а файлы 16-битового изображения имеют битовую глубину 65 536 тонов (2 в 16-й степени).
Из этого мы можем заключить, что чем выше битовая глубина, тем более плавной и непрерывной будет тональная градация цифрового изображения. Поэтому недостатком фотографирования в формате jpeg является потеря тысяч потенциальных тонов. Однако он применяется только при необходимости серьезной компьютерной обработки файла, так как научные исследования показали, что человеку достаточно всего около 200 тонов, чтобы он воспринимал изображение как фотографию с непрерывными тонами.
В файле цветного изображения три канала: красный, зеленый и синий, каждый из которых может иметь по 256 цветовых тонов (при 8-битовом изображении), что позволяет получить 16 777 216 возможных оттенков цвета (256 х 256 х 256). Это близко к предельной различимости цветов человеком, которая примерно равна 17 млн цветов. 12-битовый цветной файл содержит 68 719 476 736 возможных вариаций цвета.