Category: наука

Динамический диапазон и фотографическая широта

Оригинал взят у novikovmaxim в Динамический диапазон и фотографическая широта
Внимание! Это старый вариант статьи!
Новая статья, существенно переработанная и дополненная, находится здесь: http://novikovmaxim.narod.ru/statyi/fotodelo/dd.htm
Определение

Ввиду смысловой схожести таких фотографических параметров, как динамический диапазон и фотографическая широта, в применении этой терминологии существует изрядная путаница. Природа этой путаницы — в непонимании отношения реальных яркостей к их отображению на плёнке или в цифре. Попробую внести ясность.

Фотографическая широта — максимально возможный диапазон внешних яркостей, которые может каким либо образом зафиксировать  фотоустройство (фотоаппарат, в том числе и цифровой, сканер и т.п.) внутри одного кадра.

Динамический диапазон — максимально возможный полезный диапазон оптических плотностей плёнки, фотобумаги и т.п. или максимально возможный полезный диапазон количеств электронов, могущих помещаться в каждом пикселе электронной матрицы фотоустройства.

Таким образом, термин «фотографическая широта» применяется для оценки запечетлеваемого диапазона внешних яркостей, а динамический диапазон — для оценки физических свойств внутреннего носителя (оптическая плотность плёнки, ёмкость и шумность пикселей матрицы и т.п.).

Примеры:

Фотографическая широта плёнки (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. Приблизительные значения для негативов 2,5-9 EV, для слайдов 2-4 EV, для киноплёнки 14EV.
Динамический диапазон плёнки (диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять свою прозрачность (оптическую плотность) в зависимости от воздействия внешней яркости. Приблизительные значения для негативов 2-3D, для слайдов 3-4D.


Фотографическая широта фотобумаги (контрастность) — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей (от фотоувеличителя). Типичные значения для чёрно-белых бумаг: 0,7-1,7 EV.
Динамический диапазон фотобумаги
(диапазон оптических плотностей) — её способность в некотором диапазоне изменять степень отражения (оптическую плотность) в зависимости от внешней яркости (от фотоувеличителя). Типичные значения от 1,2 до 2,5D.

Фотографическая широта матрицы цифрового аппарата — способность её фиксировать некоторый диапазон внешних яркостей. У цифрокомпактов 7-8 EV, у зеркалок 10-12 EV.
Динамический диапазон матрицы цифрового фотоаппарата — способность пикселей матрицы в некотором количественном диапазоне накапливать разное количество электронов в зависимости от уровня внешней яркости. Динамический диапазон цифрокомпактов — 2,1-2,4D, а зеркалок — 3-3,6D.

Фотографическая широта графического файла — Поскольку файл — это всего лишь способ хранения информации, то за счёт потери градаций в любой формат файла можно запихнуть любой диапазон внешних яркостей. Стандартные величины у формата восьмибитного JPEG это 8 EV, у HDRI (Radiance RGBE) — до 252 EV. От количества бит, выделяемых для хранения каждого пикселя, этот параметр зависит лишь косвенно, поскольку способ упаковки информации в эти биты у разных форматов различен.
Динамический диапазон графического файла — способность файла хранить в себе некоторый диапазон значений каждого пикселя.


Фотографическая широта монитора — Поскольку монитор это только устройство отображения, то этот параметр не имеет особого смысла. Ближайшим по смыслу параметром будет способность монитора отображать закодированный в графическом файле диапазон значений яркости.  Но он зависит в основном от используемого цветового профиля и программы отображения, которые с тем или иным успехом втискивают всю (или не всю) фотографическую широту изображения, содержащуюся в файле, в рамки динамического диапазона монитора. Замечу, что чем большая фотоширота втиснута в динамический диапазон, тем менее контрастно выглядит изображение.
Динамический диапазон монитора (контрастность) — способность пикселя монитора в некотором диапазоне изменять свою яркость в зависимости от напряжения входящего сигнала. Динамический диапазон современных мониторов находится в пределах 2,3-3D (200:1 — 1000:1).

Фотографическая широта матрицы сканера — способность её фиксировать некоторый диапазон яркостей отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Составляет от 6 EV у офисных планшетных до 16 EV у профессиональных барабанных сканеров.
Динамический диапазон матрицы сканера — способность пикселей матрицы сканера в некотором количественном диапазоне
накапливать разное количество электронов в зависимости от яркости отражённого от бумаги или пропущенного через плёнку света. Динамический диапазон сканеров может принимать значения от 1,8D у офисных планшетников до 4,9D у профессиональных барабанных сканеров.

Примечание по сканеру: Поскольку лампа сканера создаёт постоянную освещённость сканируемого материала, верхняя граница  яркости этого материала фиксирована (абсолютно белый лист или полностью прозрачная плёнка). Поэтому и верхняя граница динамического диапазона матрицы фиксирована, будучи подогнанной под эту максимальную яркость. Следовательно, величины фотографической широты и динамического диапазона совпадают. Кроме того, зная динамический диапазон плёнки (бумаги) и его сдвиг относительно полной прозрачности (абсолютной белизны), можно смело сравнить динамические диапазоны плёнки (бумаги) и сканера, и определить, сможет ли тот или иной сканер оцифровать плёнку (бумагу) без потерь градаций. Для справки: динамический диапазон
вуали (максимальной прозрачнгости) фотоплёнок приблизительно составляет 0,1D.

Обшее примечание 1. Не все вышеперечисленные словосочетания реально используются, но они упомянуты для полноты картины, чтобы яснее можно было прочувствовать разницу между фотографической широтой и динамическим диапазоном.


Обшее примечание 2. Очевидно, что фотографическая широта и динамический диапазон для одного и того же аналогового фотоустройства или материала имеют разные величины, даже если их попытаться выразить в одинаковых единицах. Для цифровых же фотоустройств эти параметры имеют одну величину. Из-за этого понятие фотошироты обычно подменяется понятием динамического диапазона. К счастью, для цифровых фотоустройств это не критично.
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 — log10 или lg), во втором — по основанию 2 (двоичный логарифм — log2 или lb).

Десятичный логарифм используется для компактности шкалы динамического диапазона и 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 геометрически увеличивающимся падении 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 просто как отношение, например 100:1 (2D) или 1000:1 (3D).

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:

D = lg(Max/Min)

Формула вычисления фотошироты аналогична, но вместо десятичного логарифма применяется двоичный.

Динамический диапазон цифровых устройств измеряют ещё и в децибеллах. Способ измерения практически аналогичен вышеописанному, поскольку децибел - тоже логарифмическая величина, и тоже вычисляется через десятичный логарифм. Но значение в децибелах будет в 20 раз больше (1D = 20 дб), и сейчас я объясню, почему.

Измерению в этом случае подвергается разница напряжений, в которые преобразовываются накопленные в каждом пикселе матрицы электроны. Впрочем, это напряжение пропорционально количеству накопленных электронов, но я упомянул напряжение не случайно. Дело в том, что в децибелах измеряют диапазоны только энергетических величин: мощностей, энергий и интенсивностей. И способ их вычисления полностью аналогичен вышеописанному за исключением умножения итогового числа на 10, потому что мы мерием не белы а децибелы, которые в 10 раз меньше.

Однако существует возможность померить в децибелах и амплитудные величины, такие как напряжение, ток, импеданс, напряженности электрического или магнитного полей и размахи любых волновых процессов. Но для этого надо учесть  зависимость от них соответствующей им энергетической величины.

Вычислим зависимость
мощности от напряжения. Мощность равна квадрату напряжения делённого на сопротивление, то есть она зависит от напряжения квадратично. Увеличивая напряжение в 2 раза мощность увеличивается в 4 раза. Значит, чтобы сохранить мощностную пропорцию, придётся мерить диапазон не напряжений, а квадратов этих напряжений:

lg(Umax2/Umin2) = lg(Umax/Umin)2 = 2*lg(Umax/Umin)

Мы получим значение в белах. Для перевода в децибелы умножаем на 10. В итоге полная формула принимает вид:

Децибелы = 20*lg(Umax/Umin)

Таким образом, у нас получается, что динамический диапазон в децибелах равен подсчитанному нами по шкале динамическому диапазону, умноженному на коэффициент 20.

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.

Кроме того, принимая во внимание логарифмичность шкал и зная динамический диапазон фотоустройства, можно вычислить его фотографическую широту, и наоборот, по его фотографической широте можно узнать его динамический диапазон. Для этого нужно опять же просто пересчитать диапазон из одной шкалы в другую.

Поскольку деления шкалы представляют собой степени, вычислим, в какую степень надо возвести десятку (размерность шкалы динамического диапазона), чтобы получить двойку (размерность шкалы фотографической широты). Берём десятичный логарифм от двойки и получаем 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. Поэтому она 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.

Битовая глубина цифрового фотоустройства.

При упоминаниях о динамическом диапазоне фотоустройств иногда упоминается их битовая глубина. Давайте разберёмся, что это такое.

Верхняя граница динамического диапазона матрицы соответствует максимальному количеству электронов, способных возбудиться фотонами в каждом пикселе. Минимальная граница соответствует количеству возбуждённых фотонами электронов, сравнимому с колебанием количества паразитных электронов, находящихся в каждом пикселе в возбуждённом состоянии постоянно (тепловой шум). Если сигнал от постоянно находящихся электронов ещё можно отфильтровать (что и делается), то случайные колебания их количества непредсказуемы.

Между максимальным и минимальным значениями существует большое количество градаций, соответствующих разным яркостям, воспринятым пикселем. Для цифровой фиксации градаций в двоичном представлении требуется некоторое количество бит. Это количество бит и называется битовой глубиной АЦП (аналого-цифрового преобразователя фотоустройства, преобразующего количество возбуждённых электронов в пикселе в ту или иную цифру).

В современных сканерах на каждый из трёх цветов выделяют обычно по 16 бит. В цифровых фотоаппаратах это значение несколько меньше. Но даже там битовая глубина является избыточной, потому что основным ограничением является не разрядность АЦП, а динамический диапазон пикселей, которые пока неспособны накапливать большее количество электронов, или же иметь более низкий показатель случайного теплового шума, чтобы не глушить полезные электроны. В результате, младшие биты избыточной битовой глубины заняты в основном значениями случайного теплового шума.

9 тайн, не разгаданных физиками

Оригинал взят у davydov_index в 9 тайн, не разгаданных физиками
В 1900 британский ученый лорд Кельвин сказал, что в физике не стоит больше ожидать открытий – только искать возможность более точных измерений. Через три десятка лет возникла квантовая механика, а Эйнштейн опубликовал теорию относительности, которая изменила науку.

fb5b22d515

В наши дни уже очевидно, что знания ученых не могут быть исчерпывающими. Напротив, каждое новое открытие вызывает цепочку новых, еще более сложных вопросов. Вот несколько самых интересных из них.

Что такое темная энергия?

fb5b22d515

Неважно, как астрофизики сражаются с цифрами, Вселенная все равно не похожа на простое уравнение. Несмотря на воздействие гравитации, она все равно разрастается и увеличивается с невероятной скоростью. Астрофизики предположили, что на время и пространство воздействует сила, противодействующая гравитации, и назвали ее темной энергией. Ее считают свойством космоса, для которого характерно давление, разделяющее пространство. Чем шире становится Вселенная, тем больше в ней темной энергии. Но что это такое конкретно, никто по-прежнему не знает.

Read more...Collapse )

Обнажённые девушки с веснушками-конопушками

Оригинал взят у tettie в Обнажённые девушки с веснушками-конопушками

Нередко бывает, что так любимый мужчинами рыжий цвет женских волос сопровождается веснушками-конопушками на коже. Иногда эти "поцелуи солнца" заметны только на лице, а иногда ими усыпано сплошь всё тело. А бывает, что на лице веснушек практически нет, зато они есть на руках, плечах или в зоне декольте. У одних девушек конопушки едва заметны, а у других ярко выражены. Кого-то это может отталкивать, а кого-то наоборот - привлекать и даже являться своеобразным фетишем. Возможно, данная публикация тоже станет одним из тех противоречивых постов, в котором мнения комментаторов разделятся поровну. Тем не менее, предлагаю вам фотоподборку с девушками, "расцелованными солнцем". Надеюсь, понравится =)

01

Смотреть 35 фото...Collapse )

Ещё для любителей рыженьких:
Винтажная фотосессия с Ariel Piper Fawn
Американская порноактриса Faye Reagan
Пышная рыженькая модель Lucy Collett
Рыжая красотка Лида на берегу моря
Пышногрудая модель Ameliya Noita
Виола на скалистом берегу моря
Феномен движения Suicide Girls