Уровень серого и "запас в светах" у цифровой камеры Canon 5D Mark II

Имеющиеся на сегодня способы определения чувствительности цифровых камер рассматривают не исходные RAW-данные, снятые с сенсора, а результат обработки RAW в конверторе (внешнем или внутрикамерном).

Этот подход, при всей его простоте, не позволяет избавиться от тех преобразований, которые производятся на этапе обработки RAW-данных. В частности, конвертор может производить различные преобразования над данными: вводить скрытую от пользователя экспозиционную поправку, менять тоновую кривую и так далее. В результате, чувствительность камеры получается достаточно произвольной величиной. Достаточно подробно этот вопрос освещен в Википедии , в разделе пересказывающем ISO 12232.

Такой подход позволяет производителям камер всякие неожиданные выкрутасы с чувствительностью, скажем камеры разных производителей при формально одинаковой чувствительности будут вести себя принципиально по-разному в смысле фотографической широты, а следовательно при смене камер придется переучиваться.

В то же время, очень простая серия экспериментов, не требующая никакого специального оборудования (кроме и так имеющихся у фотографа камеры и объектива) позволяет достаточно точно понять, как именно экспонирует ваша камера, а именно:

  • какой уровень сигнала (в терминах RAW-данных) получается при экспонировании "по экспонометру";
  • какой при этом остается "запас в светах" т.е. количество ступеней экспозиции от среднесерого уровня до уровня насыщения сенсора.

(Микро)теория экспонометрии

При измерении экспозиции по отраженному от объекта свету подразумевается, что если мы выставим экспозицию по измерению объекта (отраженного от него света), то на отпечатке данный объект отобразится средним тоном.

Константы калибровки экспонометров разных производителей отличаются, часть производителей экспонометров и фотокамер (в эту группу входят Canon, Nikon, Seconic) подразумевает, что средний тон лежит приблизительно на 3.15 eV ниже, чем света сцены, вторая группа производителей (Pentax, Minolta, Kenko) считает, что средний тон примерно на 0.4eV светлее. Подробнее про константы калибровки экспонометров можно почитать в википедии.

При этом, на печати средний тон принято отображать в 18%-й серый, таким образом первая группа изготовителей фототехники подразумевает сжатие диапазона от среднего тона до светов примерно на 0.7eV, а вторая - примерно на 0.3eV.

Естественно, реальные сцены все отличаются, поэтому пленочный фотограф должен просто понимать, в какое место в полутонах попадет объект, экспонированный "по экспонометру" при соблюдении всех прочих составляющих стандартной процедуры (пленка, проявка, печать).

Примерно такого же понимания хочется добиться и для цифровой техники, с учетом ее особенностей:

  • При съемке в RAW возможна многократная "проявка" (RAW-конверсия) с разными параметрами конвертора и с разными "проявителями".
  • В отличие от классической пленки, цифровой сенсор совершенно не толерантен к передержке, если в RAW-данных достигнуто насыщение по уровню сигнала, то как-то спасти света можно только если насыщение есть не по всем цветовым каналам.
  • Чувствительность по цветовым каналам у цифровой камеры очень сильно отличается (на 1-1.5 стопа и более).
  • Характер светов, полутонов и теней у "цифры" тоже отличаются от пленочных: наибольшее разрешение и наименьший шум достигаются в светах, а чем дальше в тени, тем больше относительный уровень шумов.

Однако достаточно выяснить, где оказывается средний тон при съемке "по экспонометру" и это даст уже массу полезной информации о камере.

Методика измерения и ее обсуждение

Съемка

Методика съемки крайне проста и не требует никакого специального оборудования, кроме самой камеры и объектива.

Предлагаемая техника измерения чувствительности заключается в съемке кадров, состоящих только из "серой карты" (которая заполняет кадр целиком). Карта не обязана быть серой, можно взять и лист белой бумаги или картона, лучше без оптического отбеливателя. Автор использовал просто лист белого пенокартона.

При съемке нужно максимально исключить виньетирование, поэтому снимать лучше телеобъективом, который диафрагмирован на несколько стопов от полного открытия. Автор использовал Canon 135/2 при f/8. Использование телеобъектива позволяет и почти полностью избавиться от эффекта падания освещенности матрицы за счет косого падения лучей на края матрицы.

Снимать мишень надо расфокусированным объективом, чтобы пылинки и мусор на объекте съемки не искажали картину.

Съемка производится в точности по показаниям экспонометра камеры, в автоматическом режиме.

Освещение

Мишень должна быть равномерно освещена. Достаточно просто это достигается , например, освещением рассеянным светом из окна.

Необходимо понимать, что получаемые результаты зависят от используемого освещения: при дневном свете отклик по зеленому каналу в 2-3 раза (1-1.5 стопа) больше отклика по красному, а при свете ламп накаливания (более красном) отклики почти выравниваются.

Обработка данных

Нас интересуют два набора данных:

  1. Величина сигнала (по цветовым каналам) в RAW-данных.
  2. Величина сигнала в камерном JPEG (при использовании автоматического баланса белого сигналы по цветовым каналам отличаться не должны).

Для извлечения RAW-данных использовалась программа 4channels из комплекта LibRaw 0.7-BETA3, оценка положения среднего тона производилась по центральному участку изображения (центральная треть по линейным координатам т.е. 1/9 площади) с помощью специально написанной программы.

Уровни в JPEG-файле оценивались при помощи Photoshop CS4: центральная часть изображения размывалась Gaussian Blur с радиусом 250, затем уровень оценивался пипеткой размером 101x101.

Результаты

Представление результатов

Получаемые в эксперименте значения для серой карты могут быть представлены разными способами. Автору кажется, что наиболее показательным способом является их представление в виде 'Headroom' - запас по экспозиции "от уровня серого до насыщения сенсора", выраженный в стопах. Эта величина показывает, какой запас (по eV) остается для светов, если мы экспонируем объект по показаниям экспонометра камеры.

RAW-данные - линейны, поэтому "headroom" вычисляется по очень простой формуле H=log2(Ls/Lg), где Ls - уровень белого (насыщения), Lg - уровень сигнала для серого. В силу разной чувствительности цветовых каналов, поканальная величина headroom будет разной.

Для JPEG-данных формула несколько сложнее, ибо данные нелинейны: H=log2((255/Lg)g), здесь g - величина "гаммы" для используемого RGB-пространства (для AdobeRGB g=2.2), а 255 - уровень насыщения для 8-битных JPEG-данных.

При создании внутрикамерного JPEG производится выравнивание сигнала по каналам (баланс белого), поэтому величина headroom по каналам будет практически одинаковой.

Если предполагать, что при создании внутрикамерного JPEG не происходит избыточного клиппинга светлых тонов (что, конечно, верно не для всех режимов камеры и требует дополнительного изучения), то разница между RAW-headroom и JPEG-headroom показывает, насколько камера производит сжатие светов.

Измерение уровня насыщения

Для измерения уровня насыщения снимался кадр с очень большой передержкой и считывались максимальные уровни сигнала в каналах. В случае достижения насыщения по всем каналам, эти величины будут одинаковы по всем пикселам изображения. Для рассматриваемой камеры так и происходит и уровни насыщения (после вычитания уровня черного) таковы:

  • 14739 для чувствительностей от ISO 50 до ISO3200;
  • 15349 для чувствительностей ISO6400 и выше.

Результаты для точечного замера

Результаты для точечного режима замера представлены на графике. По горизонтальной оси отложена чувствительность, по вертикальной - headroom для цветовых каналов RAW и для камерного JPEG.

На данном графике мы можем наблюдать следующие интересные вещи:

  • Для всех чувствительностей в диапазоне ISO100-25600 зеленый канал проэкспонирован на 3.65-3.85 стопа ниже, чем уровень насыщения. Другими словами, серая карта экспонируется на уровне 7.5% от максимума.
  • Внутрикамерный RAW-конвертор поднимает уровень серого примерно на 1.1 стоп (до уровня 16%) т.е. туда, где мы его ожидаем увидеть на мониторе или печати, таким образом света довольно сильно сжимаются.
  • Запас "до насыщения" (headroom) для синего и, особенно, красного канала значительно больше (на 0.5 и 1.3 eV, соответственно). Таким образом при дневном освещении процедура highlight recovery имеет шансы восстановить околонейтральные тона, которые на 4-5 стопов ярче среднего тона. Платой за это является бОльший шум в обсуждаемых каналах.
  • ISO50 - это на самом деле ISO100 с передержкой (относительно экспозиции для ISO100) на одну ступень. Камерный RAW-конвертор этот факт учитывает и сжатие светов для ISO50 делает всего на 0.2 стопа.

Матричный замер

Результаты для матричного (Canon называет его evaluative) замера представлены на следующем графике.

Как мы видим, матричный замер устойчиво экспонирует с недодержкой в 0.1 стопа относительно точечного замера. Причины этого - непонятны: замер производился по ровной и равномерно освещенной поверхности и не должен был бы дать устойчивого отклонения в одну сторону. Возможной причиной является встроенная компенсация виньетирования объектива (использованный объектив 135/2 на области замера практически не виньетирует, процедура замера может быть рассчитана на менее выдающийся объектив и вводить компенсацию), но вопрос нуждается в отдельном изучении.

Сжатие светов камерным RAW-конвертором тоже меньше на 0.15 стопа, чем в случае точечного замера, в результате серая точка оказывается на четверть стопа ниже, чем в предыдушем случае.

Другие способы замера, имеющиеся в камере дают промежуточные результаты: замер по центральному 8% пятну практически неотличим от замера точкой, центровзвешенный замер очень близок по результатам к матричному.

Режим Highlight Priority

В режиме Highlight priority (D+) результаты существенно отличаются от стандартных режимов (обратите внимание на то, что вертикальную ось на данном графике пришлось расширить на 1eV вверх).

Данный режим - это недодержка на 1eV, которая затем компенсируется камерным RAW-конвертором и итоговое положение точки серого в JPEG практически не меняется. Таким образом, в этом режиме мы имеем от 4.7 (для зеленого канала) до 6-6.25 (для красного) стопов запаса для светов, которые затем сжимаются при конвертировании до обычных 2.7-3.

Фотографические выводы

Весь нижеследующий текст относится только к снимающим в RAW. Если вы снимаете в JPEG, то производитель камеры уже подумал за вас, все сделал, исправить это сделанное уже очень трудно.

Специальные режимы

ISO50 - это передержка ISO100 на один стоп, режим Highlight priority - это недодержка ISO100-3200 на один стоп. Но колесико экспокоррекции на рассматриваемой камере расположено удобнее, чем включение двух обсуждаемых специальных режимов т.е. нет вообще никакой причины их использовать.

Использование экрана камеры

Когда вы используете экран камеры для рассматривания изображения (или его гистограммы), необходимо понимать, что рассматриваете вы JPEG-представление (и для кадра и для гистограммы), а к нему применен и баланс белого и (рассмотренная выше) коррекция среднего тона вверх. И если баланс белого можно победить через UniWB, то для среднего тона таких удобных средств нет. В результате, камерное представление имеет растянутые тени и сжатые света, что затрудняет корректную оценку результата съемки.

Скрытая коррекция уровня серого в конверторах

Многие RAW-конверторы приводят средний тон, экспонированный по экспонометру (для рассматриваемой камеры - 7.5% от насыщения), в положение, соответствующее среднему тону для показа (15-18% серый) даже при нейтральном положении всех регулировок.

Это означает, что в данных конверторах есть скрытая от пользователя экспокоррекция "в плюс", а "правда" получается при коррекции среднего тона примерно на 1eV "в минус" относительно стандартного значения. Другими словами, правильно снятый кадр может выглядеть в таких конверторах пересвеченным.

Влияние освещения

Если смещаться от дневного света (при котором делались вышеописанные эксперименты) в сторону света ламп накаливания, то разбаланс спектрального состава света будет компенсироваться разбалансом чувствительности. Для ламп накаливания практические (с поправкой на свет() чувствительности каналов практически сравняются, таким образом headroom еще вырастет. В то же время, освещенные искусственным светом сцены обычно не очень контрастны и такой большой запас в светах не нужен. Другими словами, при искусственном свете и съемке по экспонометру мы почти гарантированно получим сильно недодержанный кадр. RAW-конвертор скомпенсирует, конечно....

Какова же чувствительность матрицы?

В отсутствие нормальных стандартов (а существующие предлагают оперировать JPEG-представлением т.е. включать в процесс измерения чувствительности и RAW-проявитель), нормального ответа на этот вопрос не существует.

Вместе с тем, понимание того, где оказывается средний тон при экспонировании по номинальной чувствительности матрицы имеет вполне практическое применение. Давайте рассмотрим пару простейших примеров:

  • Экспонирование по среднему тону: если мы замеряем объект, то он окажется в районе 7.5% для зеленого канала (и в 1.5-2 раза ниже для синего-красного каналов). Если контраст между полутонами и светами сцены меньше, чем 1:12, то мы можем увеличивать экспозицию, снижая таким образом шумы.
  • Экспонирование по светам (как слайд): замеряем света, которые должны иметь какую-то фактуру и делаем экспокоррекцию в плюс. Величина этой коррекции для рассматриваемой камеры от 3.7 стопа (если мы не хотим клиппинга ни в одном из каналов) до 5-5.5 стопов, если мы рассчитываем вытащить фактуру с помощью highlight recovery.

Наиболее выигрышный метод экспозиции (c точки получения оптимальной картинки - без ненужных вылетов в светах и без недодержки) - именно второй. Мы гарантированно не теряем детали в светах и при этом экспонируем настолько вправо, насколько это возможно.

Да, это разновидность ETTR, но "обычный ETTR" подразумевает контроль по гистограмме или изображению, чуть выше в данном тексте написано, почему визуальный контроль неточен.

Необходимо отметить, что уменьшая разбаланс чувствительности каналов (например, с помощью magenta-фильтра при дневном свете), мы одновременно делаем две вещи:

  • снижаем уровень шума в красном и (в меньшей степени) синем канале;
  • уменьшаем пространство для маневра в светах за счет highlight recovery.

В общем случае, наверное, проще иметь дело со сбалансированным фотоматериалом, но ситуации очень разные.

Познай свою камеру

Запас в светах и разбаланс чувствительности по каналам очень сильно различаются, как для разных производителей фотокамер, так и у одного производителя даже для камер почти одного времени выпуска (например, у Canon 450D запас в светах в RAW на 0.5 стопа меньше, чем у 5D Mark II, а эти камеры - обе имеют 14-битный АЦП и разделены меньше чем годом). Как следствие, измерение уровня серого должно делаться для каждой камеры отдельно, благо исследование несложное и делается быстро.

Измерения, подобные вышеописанному, нужно проводить не только для дневного света, но и для других источников освещения, используемых при съемке. Кроме того, если используются балансирующие чувствительность фильтры, то полезно сделать измерение запаса в светах и для них.

P.S. Да, кстати, если вы видите на графиках измерения динамического диапазона камер нечто, что загибается в светах - это постарался какой-то RAW-конвертор, подвигал точку серого, посжимал света. Привет тестам DPReview.

Comments

Запас все увеличивается и

Запас все увеличивается и увеличивается. Я намерял на 350d 3.3-4.6 EV, в зависимости от канала. Интересно, к чему это?

Кстати, при добавлении

Кстати, при добавлении комментария выскочило

Unable to send e-mail. Please contact the site admin, if the problem persists.

Битность растет, щум

Битность растет, шум потихоньку падает.

Кроме того, камеры - таки разные, у 450D тоже 3.3 стопа по зеленому (считал в уме, в процентах там 10.5)

Ну так понятно, что все

Ну так понятно, что все становится лучше. Но зачем оставлять запас в светах такой большой, если внутрикамерный "проявитель" его не использует? Для RAW-фотографов? Но фича не пиарится. А так - сдвинули бы чуствительность в сторону уменьшения запаса, получили бы ниже шумы, что пиарить порще.

Использует его проявитель или

Использует его проявитель или нет - я не знаю, данный эксперимент это не показывает.
Судя по тому, что кривые "ДД" плавно загибаются - что-то вполне используется.

Мда. поправка в 3.7 ступени

Мда. поправка в 3.7 ступени на многих камерах означает съёмку в M-режиме только... Т.е. спотовый замер в Av/Tv, фиксация замера + фокусировка и съёмка -- не сработают, так как поправку больше 2-х ступеней большинство камер ввести не дают.

Ну так и для замера "по

Ну так и для замера "по светам" явно лучше одноградусный спотметр, ибо встроенный в камеру даст нужный эффект только для телевика.

Ужос. Вот и весь прогресс,

Ужос. Вот и весь прогресс, собственно...
Пейзаж можно и ещё более медитативно снимать. Всё остальное -- остаётся жрать, что дают.

Спектральные чувствительности экспонометра и сенсоров

А вот вчера/сегодня подверг Canon EOS 40D бесчеловечным испытаниям. Снимал серую карту при ISO100, расфокус (объектив на бесконечность), замер частичный под четырьмя источниками освещения лампами накаливания и дневного света, прямой солнечный свет, солнечный день в тени.

Вот диапазоны headroom для каждого из каналов (оба зелёных усреднялись в один):
* красный 3.95÷4.86 EV (tungsten, shade)
* зелёный 3.49÷3.78 EV (direct sun, tungsten)
* синий 3.85÷5.38 EV (shade, fluorescent)

Итого:
* headroom красного и синего каналов предсказуемо гуляет в широком диапазоне (0.91 EV и 1.53 EV разницы соотвественно);
* headroom зелёного канала хоть и не так сильно, но тоже изменяется от 3.78 EV под лампой накаливания до 3.49 EV под солнцем.

Вывод: спектральные чувствительности встроенного в камеру фотоэкспонометра и RGB-сенсоров не совпадают ни для одного из RGB-каналов. Это нисколько не помогает фотографу имеем на почти треть EV сильнее засвеченный зелёный канал под солнцем по сравнению с лампой накаливания.

Вычисление Lg/Ls

Извините, можно по возможности конкретизировать о вычислении Lg и Ls? Хотел провести тест своей камеры и вот здесь как раз запнулся.

Второй вопрос: при разложении RAW на каналы программой 4channels используется ли опция приведения к гамме 2.2 и какие-либо другие?

Насыщение меряется очень

Насыщение меряется очень просто - снимаем с огромным пересветом, сигнал будет плоским и одинаковым (как минимум, по каналу).
Уровень серого - я усреднял среднюю часть.

И все делал в линейной гамме, для простоты.