Возможности современных фотоаппаратов

Часть 3. Функции оптимизации динамического диапазона

Сергей Асмаков

Прикладная математика

Тонкости сжатия

HDR вам в помощь

Заключение

 

В третьей публикации цикла мы рассмотрим функции, благодаря которым владельцы цифровых фотоаппаратов могут получать хорошие результаты при съемке высококонтрастных сцен.

Те, кто увлекается фотографией (пусть даже на начальном уровне), на собственном опыте знают, сколь непростой задачей является съемка сцен с большим перепадом освещенности. Дивной красоты горный пейзаж на готовом снимке выглядит лишь бледной тенью оригинала: голубое небо с пышными облаками превратилось в белесое пятно, а от деревьев, расположенных в тени, остался лишь невнятный темный силуэт.

Происходит это вследствие того, что человек и фотокамера, образно говоря, видят мир по-разному. Зрительный аппарат человека способен одинаково хорошо воспринимать детали высококонтрастных сцен как на ярко освещенных, так и на темных участках. Увы, фотокамера далеко не всегда способна запечатлеть изображение таким, каким видим его мы. И чем более контрастной является фотографируемая сцена, тем выше вероятность потери деталей в светах и/или тенях.

Прикладная математика

В классической фотографии для оценки возможности фотоаппарата (в случае пленочных камер — носителя) передавать определенный диапазон яркостей используется понятие фотографической широты (подробнее см. во врезке). Теоретически достижимый максимум этого параметра зависит от разрядности аналого­цифрового преобразователя (АЦП) цифрового фотоаппарата. С учетом погрешности квантования 8-разрядный АЦП позволяет запечатлеть сцену с фотографической широтой до 7 EV, 12-разрядный — до 11 EV и т.д. Однако поскольку мы имеем дело не с идеальными устройствами, то на практике динамический диапазон оказывается уже теоретического максимума. Насколько — зависит как от конструктивных особенностей камеры, так и от выбранных настроек.

Верхний предел яркости, который способен зафиксировать светочувствительный сенсор, определяется уровнем насыщения его ячеек. Минимальное значение зависит от нескольких факторов, в числе которых — величина теплового шума матрицы, шум переноса заряда и погрешность АЦП. Необходимо учитывать и то, что динамический диапазон снимков одного и того же фотоаппарата может меняться при выборе различных значений чувствительности. Наилучшие условия (а следовательно, максимальный динамический диапазон) достигаются в случае съемки с так называемой базовой чувствительностью, которая соответствует минимальному численному значению из доступных вариантов. Например, при наличии в меню значений 100, 200, 400 и 800 единиц ISO для достижения максимального динамического диапазона необходимо выбрать настройку 100 ISO. По мере увеличения значения этого параметра динамический диапазон будет сужаться вследствие возрастающего уровня шумов.

Есть и другой аспект, который также необходимо учитывать. Допустим, характеристики оптической системы, сенсора и АЦП имеющегося в нашем распоряжении фотоаппарата позволяют запечатлеть сцену с фотографической широтой 9 или даже 11 EV. Однако оцифрованный с матрицы сенсора «сырой» образ изображения (RAW) еще необходимо преобразовать в файл стандартного формата, который можно будет открыть на ПК в браузере или в графическом редакторе, отправить на печать и т.д. И здесь приходится сталкиваться с ограничениями существующих форматов записи цифровых изображений. На протяжении длительного времени фактическим стандартом для хранения любительских цифровых фотографий является формат JPEG с разрядностью 8 бит на цветовой канал. Даже при использовании самой совершенной технологии обработки изображения в таком формате нельзя сохранить снимок с фотографической широтой более 8 EV.

Таким образом, если фотографическая широта исходного образа снимка превосходит 8 EV, то в процессе преобразования в стандартный 8-битный формат без каких­либо дополнительных действий (то есть просто путем отбрасывания «лишних» разрядов) часть зафиксированной светочувствительным сенсором информации потеряется.

Тонкости сжатия

Что же можно сделать в ситуации, когда имеется 12- или 14-разрядный образ, который необходимо преобразовать в 8-битный формат? В этом случае приходится прибегать к сжатию динамического диапазона путем уменьшения количества промежуточных оттенков. Во многих современных фотоаппаратах имеются функции, позволяющие выполнить эту операцию без вмешательства пользователя.

Одной из первых подобную функцию внедрила компания НР, к настоящему времени, увы, уже прекратившая разработку и выпуск цифровых фотоаппаратов. В представленной в 2003 году цифровой фотокамере HP Photosmart 945 была впервые в мире реализована технология HP Adaptive Lightling, которая позволяла автоматически компенсировать недостаток освещенности на темных областях снимков и таким образом сохранять детали в тенях без риска переэкспонирования.

Алгоритм работы HP Adaptive Lightling основывается на принципах, изложенных английским ученым Эдвином Лэндом (Edwin Land) в теории зрительного восприятия человека RETINEX. Впрочем, нас интересует практическая реализация этого метода, поэтому мы сразу перейдем к изложению того, как работает HP Adaptive Lightling.

 

Рисунок

Принцип работы функции HP Adaptive Lighting

После получения с сенсора фотоаппарата 12-разрядного образа снимка из него экстрагируется вспомогательное монохромное изображение, которое фактически представляет собой карту освещенности. В дальнейшем эта карта используется в качестве маски, позволяющей регулировать степень воздействия довольно сложного цифрового фильтра на изображение. Таким образом, на участках, соответствующих наиболее темным точкам карты (то есть светлым участкам исходного изображения), воздействие на образ будущего снимка минимально, и наоборот. Такой подход позволяет проявить детали в тенях за счет избирательного осветления подобных областей. Правда, неизбежной платой за это является снижение общей контрастности результирующего изображения.

Все необходимые операции выполняются автоматически. Пользователь может лишь выбрать в меню фотоаппарата один из двух режимов работы Adaptive Lighting (низкий либо высокий уровень воздействия) либо отключить данную функцию. На выходе мы получаем обработанный снимок в формате JPEG.

Схожая функция под названием iDynamic реализована во многих фотоаппаратах семейства Lumix, выпускаемых компанией Panasonic. В ее основе лежит довольно простой алгоритм коррекции полученного снимка при помощи тональной кривой. Активация функции iDynamic позволяет повысить детальность изображения в тенях, однако при этом становится более заметным и цифровой шум в таких областях.

 

Рисунок

Фотоснимки, сделанные камерой НР Photosmart R927 с отключенной (вверху)
и активированной функцией Adaptive Lighting

Хотя функции Adaptive Lighting и iDynamic позволяют улучшить детализацию изображения в тенях, у них есть и существенный недостаток. Проблема заключается в том, что изображение в данном случае обрабатывается целиком. При этом изменение крутизны тональной кривой в одной области (например, в тенях) неизбежно приведет к тому, что в других областях (скажем, в средней части) она станет более пологой. Следовательно, чем сильнее приходится сжимать динамический диапазон исходного цифрового образа, тем заметнее будет снижаться общий контраст изображения. В итоге решение одной проблемы неизбежно порождает другую: ради сохранения деталей в светах и тенях приходится снижать контрастность, а это, в свою очередь, приводит к тому, что снимок становится плоским и неинтересным.

Разорвать этот порочный круг удалось разработчикам компании Apical, которые создали более эффективный алгоритм под названием Iridix. Его отличительной особенностью является метод пространственно­вариативного сжатия динамического диапазона. Давайте разберемся, как он работает.

Сначала выполняется предварительный анализ изображения, в ходе которого на нем выделяются группы однородных областей. Затем каждая группа обрабатывается при помощи тональной кривой, форма которой оптимизирована именно для этой области. Таким образом, фильтр работает избирательно и его воздействие на пикселы с одинаковыми цветовыми координатами будет отличаться в зависимости от того, где именно находится пиксел — в светах, тенях или же в области средних тонов.

Первой функцию сжатия динамического диапазона, базирующуюся на использовании алгоритма Iridix, внедрила в своих фотоаппаратах компания Nikon. Фирменная реализация данного решения получила название D-Lighting. Одним из первых компактных фотоаппаратов, оснащенных функцией D-Lighting, стал выпущенный в 2004 году Coolpix 8400.

 

Рисунок

При сравнении увеличенных фрагментов хорошо
заметно, что темные участки исходного снимка (вверху)
при включении функции Adaptive Lighting стали светлее

В настоящее время функции оптимизации динамического диапазона, в основе которых лежит алгоритм Iridix, реализованы в фотокамерах многих известных производителей. В их числе — компания Olympus, во многих моделях которой имеется функция SAT (Shadow Adjustment Technology — технология коррекции теней). В некоторых аппаратах серии PEN (в частности, E-P3) реализована функция Auto Gradation. При ее активации камера анализирует гистограмму снятой сцены и соответствующим образом подстраивает величину экспозиции и тональную кривую для достижения оптимального баланса деталей в светах и тенях.

Лицензию на право применения алгоритма Iridix приобрела и компания Sony. Во многих моделях компактных фотоаппаратов серии Cyber-shot, а также в зеркальных камерах серии «альфа» и в незеркальных NEX реализована фирменная функция оптимизации динамического диапазона под названием DRO (Dynamic Range Optimizer). Одной из отличительных особенностей данного решения является возможность регулировки степени воздействия фильтра на получаемое изображение. Функцию DRO можно задействовать как в базовом, так и в расширенном режиме, причем в последнем случае доступно несколько вариантов настроек.

 

Рисунок

Сверху — типичный результат съемки высококонтрастного
изображения с потерей деталей в светах и тенях.
Сжатие динамического диапазона при помощи тональной кривой,
воздействующей на изображение целиком,
позволяет вернуть потерянные детали,
но при этом приводит к снижению общего контраста (фото в центре).
Этого нежелательного явления можно избежать,
применяя избирательную коррекцию однородных областей
(результат см. внизу)

В ряде случаев работа функции оптимизации динамического диапазона предусматривает не только определенные операции по обработке исходного образа снимка, но и коррекцию настроек съемки. Подобным образом работает функция D-Range, реализованная в ряде моделей Pentax (Optio RZ18, Optio VS20 и др.). При активации этой функции камера делает снимки с отрицательной экспокоррекцией (–1 или –2 EV). Вследствие этого образ кадра получается недодержанным, что необходимо для сохранения максимума информации о деталях в светах. Затем полученный образ обрабатывается при помощи тональной кривой — это позволяет выровнять общий баланс и скорректировать уровень черной точки. И последний этап — преобразование изображения в стандартный файл JPEG с разрядностью 8 бит на цветовой канал.

Итак, мы рассмотрели решения, позволяющие минимизировать потери деталей в светах и тенях снимка в том случае, когда фотографическая широта фотографируемой сцены не превосходит динамический диапазон светочувствительного сенсора. Однако на практике может возникнуть и другая ситуация — когда фотографическая широта сцены оказывается шире. Что ж, разработчики современных цифровых фотоаппаратов предусмотрели инструменты, позволяющие справиться и с такой задачей.

HDR вам в помощь

Для того чтобы обеспечить хороший результат при съемке сцены, фотографическая широта которой превосходит динамический диапазон светочувствительного сенсора камеры, в ряде современных цифровых фотоаппаратов предусмотрен специальный режим. Работает он следующим образом. Сначала камера снимает серию из нескольких (обычно трех) кадров одной и той же сцены с различными настройками экспозиции. Затем при помощи программных средств полученные кадры объединяются в одно HDR-изображение. После этого остается лишь преобразовать HDR-изображение в стандартный JPEG (различные варианты решения этой задачи были рассмотрены в предыдущем разделе).

Во многих современных фотокамерах подобный режим называется HDR, что по сути неверно. Дело в том, что термин HDR обозначает совокупность технологий съемки, сохранения и воспроизведения изображений с широким динамическим диапазоном. Однако на самом деле конечным результатом работы фильтров, о которых идет речь, являются файлы стандартного формата JPEG с разрядностью 8 бит на цветовой канал. HDR-изображение в данном случае служит лишь промежуточным звеном в цепи совершаемых преобразований. Так что использование аббревиатуры HDR в данном случае является скорее данью моде.

 

Рисунок

Результат работы функций HDR и HDR Art,
реализованных в ряде моделей компактных фотоаппаратов Exilim.
Сверху — снимок с обычными настройками,
в центре и внизу — та же сцена, снятая в режимах
HDR и HDR Art соответственно

Одним из примеров реализации простого варианта данной функции является режим HDR, предусмотренный в ряде старших моделей компактных фотоаппаратов семейства PowerShot компании Canon (в частности, в Canon PowerShot S100). Совмещение исходных снимков и их обработка выполняются в автоматическом режиме, не требуя вмешательства пользователя. Существенным недостатком этого режима является отсутствие каких­либо средств для точного совмещения снимков, вследствие чего получить хороший результат можно только при фотографировании статичных сцен со штатива.

Схожая функция с аналогичным названием (HDR) реализована в ряде моделей компактных фотокамер Exilim, выпускаемых компанией Casio (Exilim EX-ZR10, EX-ZR100, EX-ZR15 и др.). В распоряжении владельцев этих аппаратов имеется еще и фирменный режим HDR Art, который позволяет получать необычные эффекты за счет локальной коррекции контраста и цветовой насыщенности в процессе преобразования исходных снимков.

 

Рисунок

Режим HDR Art позволяет получить яркие и необычные
снимки даже не в самых благоприятных условиях.
Сверху — снимок с обычными настройками,
внизу — результат съемки с использованием режима HDR

В новых моделях фотоаппаратов Sony серии «альфа» (в частности, NEX-5N, NEX-7, SLT-A35 и др.) имеется функция Auto HDR, позволяющая получать изображения высококонтрастных сцен путем комбинирования трех снимков, сделанных в режиме брекетинга по экспозиции. В зависимости от выбранных настроек разница в величине экспозиции исходных кадров может устанавливаться автоматикой камеры либо вручную. Максимальная эксповилка составляет ±3 EV, что теоретически позволяет запечатлеть без потери деталей сцену, динамический диапазон которой превосходит фотографическую широту сенсора камеры на 6 EV.

Помимо рассмотренных ранее чисто программных вариантов реализации данной функции, существует и другая ее разновидность — аппаратно­программная. Такой подход, в частности, реализован в компактных фотоаппаратах семейства Fujifilm FinePix, оснащенных КМОП-сенсорами EXR (FinePix F770EXR, F660EXR, HS30EXR и др.).

 

Рисунок

Снимки, сделанные с отключенной (слева) и активированной функцией Auto HDR

В зависимости от условий съемки и особенностей сюжета пользователь такой камеры может выбрать режим работы сенсора из трех вариантов: высокого разрешения (High Resolution, HR), высокой чувствительности (High Sensitivity and Low Noise, SN) либо расширенного динамического диапазона (Wide Dynamic Range, DR). В последнем случае камера делает два снимка с уменьшенным вдвое разрешением (один с высокой чувствительностью, а другой — с низкой) и затем комбинирует их в одно изображение.

Помимо фиксированных режимов работы сенсора в настройках камеры можно воспользоваться режимом EXR Auto. В этом случае камера будет выбирать режим работы сенсора автоматически в зависимости от особенностей фотографируемой сцены.

Заключение

Функция оптимизации динамического диапазона и режим съемки высококонтрастных сцен относятся к числу действительно ценных и полезных возможностей современных цифровых фотоаппаратов. Если при съемке на пленку фотографам, желающим запечатлеть высококонтрастную сцену без потери деталей, приходилось прибегать к различным ухищрениям (например, устанавливать градиентный фильтр), то цифровая техника во многих случаях позволяет справиться с этой задачей без дополнительных приспособлений и даже без вмешательства пользователя.

Разумеется, не следует воспринимать подобные возможности как некое чудодейственное средство, способное помочь абсолютно в любой ситуации. Использование инструментов цифровой обработки изображений требует осмысленного подхода — только в этом случае фотограф вправе рассчитывать на получение предсказуемого результата.

Не стоит забывать простое правило: хотя хитроумная автоматика во многих случаях позволяет получить оптимальный результат даже без вмешательства пользователя, есть ситуации, когда ее просто необходимо выключать. Например, если вы хотите получить эффектный силуэт на светлом фоне.

Несмотря на значительный прогресс, достигнутый за последнее десятилетие в области развития алгоритмов сжатия динамического диапазона изображений, подобные инструменты пока далеки от совершенства. Именно поэтому в некоторых случаях результат работы автоматических фильтров оставляет желать лучшего: фотографии получаются плоскими и неконтрастными. Чтобы придать им «товарный вид», потребуется дополнительная обработка в графическом редакторе.

Весьма эффективным инструментом являются режимы, которые позволяют комбинировать изображение из серии снимков, сделанных с разными настройками экспозиции. Однако здесь также есть подводные камни и серьезные ограничения. Например, для точного совмещения исходных снимков необходимо пользоваться штативом. Кроме того, фотографу придется следить за тем, чтобы в кадре не оказалось быстро движущихся объектов (велосипедистов, всадников, автомобилей и т.п.). В противном случае на готовом изображении могут появиться нежелательные артефакты в виде фантомных объектов.

На этом мы завершаем рассмотрение данной темы. Следующая статья цикла будет посвящена функциям, базирующимся на применении данных о местоположении.

 

Продолжение следует

 

В начало В начало

КомпьютерПресс 03'2012

Наш канал на Youtube

1999 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2002 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2003 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2004 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2005 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2006 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2007 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2008 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2009 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2010 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2011 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2012 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
2013 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Популярные статьи
КомпьютерПресс использует