Что такое динамический диапазон камеры и сколько стопов нужно для съёмки

Сам по себе термин «динамический диапазон» это не одна конкретная характеристика. В общем смысле это отношение наибольшего значения величины к наименьшему. Вы могли сталкиваться с ним в аудиотехнике, радиоэлектронике и других областях. 

Чтобы интуитивно понять, что он значит в фото и видеосъёмке, достаточно взять телефон и навести камеру на окно в вашей комнате:

• Если вы тапнете по окну, телефон подстроит экспозицию так, что за окном будут хорошо видны облака, деревья или здания. Но, скорее всего, всё, что находится внутри комнаты, окажется в полной темноте, где трудно разглядеть детали.
• Теперь наведите камеру на тёмную часть комнаты: ситуация станет обратной. Детали интерьера предстанут во всех подробностях, но окно превратится в сплошное белое «горящее» пятно.

Возможность получить детали одновременно в тёмной и светлой частях высококонтрастной картинки и обеспечивает высокий динамический диапазон. Это характеристика сенсора, которая определяет, какой перепад яркости камера может записать с сохранением деталей. Она зависит от размера сенсора и его конфигурации, поэтому у разных камер отличается.

Кстати, не исключено, что в нашем небольшом эксперименте ваш смартфон сразу отлично справился с задачей: камеры современных смартфонов умеют обходить ограничения маленького сенсора программными приёмами, например снимают несколько кадров с разной экспозицией и объединяют их (мультикадровый HDR).

Разберёмся, что означают стопы динамического диапазона, сколько их нужно для видеосъёмки и почему цифры из характеристик не всегда рассказывают всю историю.

Что такое динамический диапазон камеры

Вернёмся к кадру с окном: в нём есть яркое небо и тёмный угол комнаты. Эти участки имеют разную яркость, и камере нужно уместить их в одном кадре. Если диапазон яркостей сцены превышает возможности сенсора, часть информации потеряется. В светлых областях исчезнут детали, а в тенях они окажутся скрыты за шумом.

У динамического диапазона есть две границы:

• Света. Максимальная яркость, при которой камера ещё способна различать детали. Если сенсор достигает насыщения, участок изображения становится пересвеченным, и восстановить потерянную информацию уже нельзя. Пересвет — как правило фатальный брак, из-за которого кадр может стать непригодным для качественного ролика.
• Тени. Минимальная яркость, при которой полезный сигнал ещё можно отличить от шума. Детали в тенях могут физически присутствовать в записи, но выглядеть настолько шумными, что использовать их в готовом видео будет сложно. Впрочем, небольшой шум в тенях часто без проблем убирается шумоподавлением на посте.

Расстояние между этими границами и называется динамическим диапазоном. Формально это отношение максимальной яркости, которую сенсор записывает без потери деталей, к минимальной, которую можно отличить от шума. Его обычно измеряют в стопах.

Что такое стопы и как их считать

Стоп обозначает изменение экспозиции в два раза. Один стоп вверх означает вдвое больше света, один стоп вниз — вдвое меньше.

Например, если при выдержке 1/50 секунды вы получаете правильную экспозицию, то переход на 1/100 секунды уменьшит количество света на один стоп. При переходе на 1/25 секунды света попадёт вдвое больше, то есть экспозиция увеличится на один стоп.

Диафрагма и ISO тоже участвуют в управлении экспозицией, но у них есть свои особенности. Один стоп диафрагмы — это изменение светопропускания примерно в 1,4 раза (например, с f/2 на f/2,8). А вот повышение ISO не означает, что сенсор физически получает больше света: оно меняет усиление сигнала или способ его обработки, в зависимости от камеры.

По той же логике измеряется динамический диапазон сенсора. Если камера способна различить яркости, отличающиеся в два раза, это один стоп. Каждый следующий стоп удваивает диапазон яркостей относительно предыдущего. Поэтому разница между 10 и 12 стопами заметнее, чем может показаться по цифрам: два дополнительных стопа означают, что камера охватывает в четыре раза больший диапазон яркостей. То есть если один стоп соответствует отношению яркостей 2:1, то 12 стопов — это уже 4096:1. Здесь стоит сделать важное замечание: речь идёт о возможностях сенсора, а не о контрастности итогового кадра. Она ещё зависит от того, в какой профиль эта информация кодируется.

Заметим, что динамический диапазон не постоянен. Он максимален на базовом ISO и падает по мере его повышения. У камер с двумя базовыми значениями ISO (dual native ISO) диапазон частично восстанавливается на втором базовом ISO. Поэтому всегда смотрите, при каких настройках проводилось измерение.

Почему стопы в спецификации и в тестах не совпадают

Прямое сравнение разных камер по указанному количеству стопов, может быть некорректным. И дело не в том, что производители обманывают нас и манипулируют данными. Показатель динамического диапазона в определённой степени субъективен. Верхний порог определяется точно: это граница между наличием информации и пересветом. А вот нижний зависит от степени зашумлённости, и посчитать допустимым можно разный уровень шума.

Представим, что камера записала детали в очень тёмной области. Формально информация там есть, но изображение покрыто цветным шумом, а мелкие текстуры практически исчезли. Считаем ли мы в счёт этот участок за полноценный стоп? Зависит от критерия измерения.

Лаборатории используют разные пороги, поэтому одна и та же камера может получить несколько значений:

• Полный измеренный диапазон учитывает и очень слабый сигнал, который уже заметно страдает от шума.
• Полезный диапазон строже оценивает, насколько хорошо сохраняются детали при приемлемом уровне шума.

Например, RTINGS в описании своей методики, по которой они протестировали динамический диапазон десятков моделей камер, отдельно публикует результаты для разных порогов отношения сигнала к шуму и определяет строгий порог в 6% шума. Для многих операторов такой уровень приемлем, и не требует списывать один лишний стоп со счетов.

Так или иначе, для максимально точного представление о том, что вы получите от конкретной камеры, ориентируйтесь на результаты реальных тестов, а не на заявленные производителем цифры.

Как Log-профиль помогает использовать динамический диапазон

Важно не только получить широкий диапазон на сенсоре, но и грамотно записать его. Здесь помогают Log-профили. Если вы снимали в Log, то наверняка задумывались —  почему картинка становится такой серой? Дело в том, что Log перераспределяет кодовые значения. Наше зрение лучше различает небольшие перепады яркости в тенях и средних тонах, чем в ярких светах, поэтому Log отдаёт им больше уровней градации, а светá сжимает. В результате при том же размере файла и том же кодеке, например H.264, в записи сохраняется больше полезной информации об экспозиции, чем с обычным контрастным профилем.

Здесь важно не перепутать причину и следствие. Log сам по себе не увеличивает физический динамический диапазон сенсора. Он помогает сохранить и закодировать больше информации из того диапазона, который камера способна зарегистрировать.

При этом есть несколько нюансов:

• В тенях всё равно присутствует шум. Если сильно поднять их при обработке, он станет заметнее.
• В светах остаётся предел насыщения сенсора. Если важные детали полностью пересвечены, Log не восстановит их.
• Битность, кодек и режим записи влияют на то, насколько хорошо файл переносит цветокоррекцию. Например, 10-битная запись обычно даёт больше градаций для тональных переходов, чем 8-битная, но сама по себе не гарантирует более широкий диапазон сенсора.

Как получить максимум динамического диапазона при съёмке

Даже если камера обладает широким диапазоном, его можно использовать неэффективно. Несколько простых привычек помогают избежать самых частых ошибок.

Следите за пересветами. Если в кадре есть важные детали в небе, на лице или в ярком окне, проверяйте, не потерялись ли они. Здесь помогут встроенные функции мониторинга: зебра (штриховка на пересвеченных участках), waveform (диаграмма яркости кадра) и false color (цвета вашей картинки заменяются цветовой картой показывающей уровни экспозиции).

Не забывайте о заполняющем свете, даже для кадров в низком ключе. Даже если вы хотите оставить в кадре зоны с полным провалом в темноту, лучше записать максимум деталей, добавив заполняющий свет. Глубокую черноту всегда можно создать на цветокоррекции, затемнив эти области. А вот если информация не была записана на площадке, восстановить её на посте будет невозможно.

Правильно экспонируйте Log. Не стоит автоматически недосвечивать кадр только потому, что Log выглядит плоским. У многих камер есть рекомендованный ISO и рекомендации производителя по экспозиции для Log (например, для S-Log3 от Sony часто советуют экспонировать светлее). Ориентируйтесь на false color и разметку именно вашей камеры или монитора: цвета зависят от производителя. Как правило, средний серый обозначается зелёным, а светлая кожа должна попадать примерно в розовую зону, то есть около одного стопа выше среднего серого.

Управляйте контрастом сцены. Если окно слишком яркое относительно комнаты, можно изменить ракурс или подсветить детали внутри. Не всегда нужно искать камеру с ещё двумя стопами диапазона, если проблему можно решить на площадке.

Следите за объективом. Блики и паразитные засветы в оптике поднимают уровень чёрного и «съедают» тени, снижая реальный динамический диапазон и убивая контраст. Используйте бленду или компендиум со шторками и избегайте прямых источников света в кадре, если ваша оптика с ними не справляется.

Сколько стопов динамического диапазона нужно для съёмки

Универсального числа не существует: чем сложнее и менее управляем свет на площадке, тем больше запас должен быть у сенсора, а при контролируемом освещении хватает и скромных значений. Ниже — три ориентира с типичными задачами и примерами актуальных популярных камер. Все цифры заявлены производителями, а не измерены независимыми лабораториями, поэтому перед покупкой сверяйтесь с реальными тестами.

Как сравнить динамический диапазон двух камер

Если выбираете между двумя моделями, не стоит ограничиваться цифрами в спецификациях. Лучше проверить несколько вещей:

• Есть ли независимые лабораторные тесты с понятной методикой.
• Как камера сохраняет детали в светах и тенях.
• Насколько сильно шумят тёмные участки после коррекции.
• В каком разрешении, ISO, профиле и кодеке проводилось измерение.
• Как ведут себя цвета при сильном изменении экспозиции.

Полезно смотреть не только на графики, но и на примеры изображения до и после обработки. Если камера заявляет широкий диапазон, но при подъёме теней быстро появляются цветные пятна или теряются оттенки, это может оказаться важнее разницы в один рекламный стоп.

Частые вопросы о динамическом диапазоне

В: Чем больше стопов, тем лучше камера?
О: Широкий диапазон полезен при съёмке контрастных сцен, но не определяет качество изображения целиком. Также важны шум, цветопередача, разрешение и возможности записи.

В: Сколько стопов нужно для видеосъёмки?
О: Универсального минимума нет. Для контролируемого света требования ниже, чем для съёмки на улице с ярким небом и глубокими тенями. Оценивайте реальные результаты камеры в нужном режиме.

В: Можно ли восстановить пересвеченные участки?
О: Если сенсор полностью потерял информацию из-за насыщения, восстановить исходные детали обычно невозможно. Если пересвечена только часть каналов или в записи остался запас, иногда удаётся вернуть часть информации.

В: Увеличивает ли Log динамический диапазон?
О: Нет, сам сенсор от этого не меняется. Log помогает эффективнее распределять тональные значения при записи и сохранять больше информации для обработки.

В: Можно ли вытянуть несколько стопов из теней?
О: Иногда можно, но результат зависит от шума, сенсора, экспозиции и формата записи. Чем сильнее вы поднимаете тёмный сигнал, тем заметнее могут становиться шум и артефакты.