Фотографическая широта

Фотографии шара, сделанные c тремя экспозициями: уменьшенная (-), нормальная (0), увеличенная (+). Фотографическая широта фотоматериала на центральной фотографии оптимальна, на остальных - недостаточна

Файл:Farcryhdr.jpg

Разные уровни яркости изображения при искусственном изменении освещённости

Фотографическая широта — диапазон экспозиций при сенситометрическом испытании светочувствительного материала, в котором яркость или плотность оптическая освещённости деталей объекта воспроизводится в зависимости от экспозиции (в идеале - линейно) и выражается характеристической кривой (см.Рис.1).

Для цветной фотоплёнки дополнительным критерием правильности является верность цветопередачи.

• В узком смысле фотографическая широта L — интервал экспозиций между конечной и начальной точками прямолинейного участка характеристической кривой; выражается разностью логарифмов экспозиций, соответствующих этим точкам:

L=lgH₂ — lgH₁

где Н - экспозиция, см. рис. 1 - График характеристической кривой фотоплёнки

Также термин «фотографическая широта» используется как характеристика всего фотографического процесса (а не отдельного его элемента) — от снимаемого объекта до конечного изображения. В этом случае она может быть как меньше фотографической широты светочувствительного элемента (из-за недостатков преобразования изображения), так и больше ее (благодаря применению технологии HDR).

История развития понятия

Рис.1, Схема (ХК)

Page 10 of Raymond Davis, Jr. and F. M. Walters, Jr., Scientific Papers of the Bureau of Standards, No. 439 (Part of Vol. 18)

Фотографическая широта — одна из основных характеристик светочувствительного материала в фотографии, телевидении и кино. Это понятие возникло в процессе исследования и стандартизации процессов чёрно-белой фотографии.

При сенситометрических исследованиях было установлено, что характеристическая кривая разных галогенсеребряных фотоматериалов не совсем линейна - в её начальном участке имеется область вуали (обозначим её D₀), затем выше точки

D₀+0,1

можно выделить участок приблизительно линейного нарастания почернения в зависимости от нарастания экспозиции. Наконец, при больших экспозициях степень почернения фотоматериала переходит через максимум (D_max) и затем может быть ниже максимальной (область соляризации)

D_max—0,1,

которая находится на прямой в зоне максимальных значений экспозиции.

Все эти и другие обозначения отражены в соответствующих ГОСТах, и используются при учёте ряда дополнительных условий и ограничений (например, определённое значение выдержки при фотосъёмке — 1/20 с, стандартное время проявления в стандартном проявителе и т.д.).

Выбор правильной экспозиции фотопластинок, плёнки и фотобумаги для получения максимально качественного изображения потребовал создания системы измерения и оценки величины светочувствительности и фотографической широты материала. Появился метод измерения характеристик фотоматериалов — сенситометрии (от лат. sensitivus — чувствительный и от греч. metréo — измеряю). Вначале, на раннем этапе измеряли лишь светочувствительность фотоматериалов.

В 1890 году английскими учёными Хертером и Дриффилдом было создано представление о характеристической кривой (рис.1). В качестве критерия светочуствительности была выбрана фотографическая инерция (критерий Хертера и Дриффилда) — максимальная начальная величина экспозиции Hi, определяемая в точке пересечения касательной к графику характеристической кривой, с осью абсцисс.

Открытие характеристической кривой позволило решить много насущных технических проблем фотографии. Были разработаны:

• Методы количественного контроля отдельных стадий производства фото- и киноматериалов, фотоизображений в полиграфии, при аэрофотосъёмках и т.д.);
• Приёмные и арбитражные испытания;
• Методы сенситометрии для специальных материалов для измерения и регистрации различного рода излучения (спектроскопия, микроскопия, астрономия и т.д.).
• Необходимые сенситометрические системы для испытания фото/киноаппаратуры в разных режимах и т.д.;

Значение характеристической кривой

Характеристическая кривая (рис. 1) фотоматериала — график зависимости выходного сигнала фотографического процесса (плотности фотоплёнки, аналогового электрического сигнала видеокамеры, аналогового сигнала фотодиода фотосенсора) от экспозиции, дающий возможность охарактеризовать, оценить количественно процесс получения оптического изображения.

Характеристическая кривая дает возможность получить характеристики:

• Вуаль (фотография) или уровень шумов;
• Светочувствительность фотоматериала;
• Диапазон яркостей (контрастности) изображения;
• Фотографическую широту максмальную и главное — полезную (оптимальную) фотографическую широту;

Зачем увеличивать фотографическую широту

Рис. 2 Фотография на плёнке с повышенной фотографической широтой

Недостаточная фотографическая широта фотографического процесса приводит к потере деталей изображения в светах и тенях конечного изображения. Глаз человека, благодаря сложной системе регулирования, обладает высочайшей способностью к восприятию и передаче диапазона яркостей света и цвета объекта. Поэтому, чем больше фотографическая широта материала и процесса, тем больше возможности управления качеством конечного изображения (отпечатка, слайда). Благодаря этому, изображение может быть воспринято глазом, как реалистическое. При съемках, при выборе кадра стремяться включать места с максмальным диапазоном яркостей изображения (рис. 2), что увеличивает глубину восприятия изображения.

Диапазон выходного сигнала

Рис.3, Схема (ХК) фотосенсора цифрового фотоаппарата

Каждый светочувствительный материал имеет свой диапазон значений выходного сигнала, который определяет фотографическую широту. Мы измеряем и в дальнейшем используем именно выходной сигнал с учетом возможности получения его в зоне прямого участка (ХК) (см. Рис.3). Это и ограничивает его влияяния на получаемое значение фотографической широты.

Ограничение снизу: аналоговая вуаль и цифровой шум

• Для фотографической плёнки и фотобумаги — плотность вуали (собственная плотность неэкспонированного материала);
• для аналоговых устройств — величина собственного шума устройства;
• для цифровых устройств — величина собственного теплового шума матрицы + шум переноса заряда + величина погрешности АЦП (аналого-цифрового преобразования), также называемая «шумом квантования».

Чем больше собственный аналоговый шум и вуаль плёнки, тем выше (при прочих однаковых параметрах преобразования) тот минимальный уровень экспозиции, при котором начинается линейная часть характеристической кривой материала. Тем меньше фотографическая широта.

Существует физический предел у светочувствительных элементов фотоэлектрического принципа действия, называемый обычно «пределом квантования заряда». Электрический заряд в одном элементе, величина которого и преобразуется в выходной сигнал устройства, состоит из электронов. Типичные их количества сейчас — до 30000 электронов в насыщенном элементе матрицы. А собственные шумы не бывают ниже, чем 1—2 электрона. Так как число электронов примерно соответствует количеству поглощённых квантов, то это и определяет максимальную теоретически достижимую для такого элемента фотографическую широту — 14 ступеней экспозиции (двоичный логарифм от 30000).

Влияние зернистости и цветопередачи на широту

Нижний порог фотографической широты плёнки дополнительно обусловлен уровнем зернистости или «шума». В черно-белых фотоплёнках зерна серебра в светочувствительном слое формируют изображение и определяют зернистость. В цветных фотопленках каждое зерно металлического серебра при цветном проявлении порождает существенно более крупное образование из красителя. Это делает принципиально различным характер шума на различных типах плёнок и затрудняет точное определение нижней границы экспозиции. Кроме того, в нелинейных областях искажается цветопередача на плёнке из-за различных свойств цветочувствительных слоёв, что дополнительно уменьшает фотографическую широту цветных плёнок.

Ограничения сверху: насыщение и переэкспозиция

• Для фотоплёнки и фотобумаги это плотность засвеченных участков, нелинейность степени почернения при больших экспозициях;
• для аналоговых устройств это максимальная величина сигнала, снимаемого со светочувствительного элемента;
• для цифровых устройств это максимальное числовое значение пиксела (максимальное количество накопленных электронов).

Особенности цифровых систем

Помимо самого светочувствительного элемента (фотосенсора), цифровой фотоаппарат подразумевает различную обработку полученного изображения. По аналогии с плёнкой, на фотосенсоре получается «негатив» — сырой набор данных (записывается в виде файлов формата RAW). При дальнейшем просмотре на компьютере или для печати на принтере его надо преобразовать в «отпечаток» (обычно создать файлы в формате JPG).

Создаваемые Форматы файлов DNG (англ. Digital Negative) являются наиболее удобным преобразованием для для сырой информации с матрицы и для обработанного изображения.

Если речь идёт о фотографической широте цифрового фотоаппарата в целом, а не его матрицы, это означает фактически фотографическая широта фотографического процесса (объект — фотосенсор — файл JPG), и результат, который принципиально зависит от того, какие настройки преобразования сырых данных матрицы в конечный файл выставлены в самом фотоаппарате. Например, чем больше выставлен контраст, тем меньше будет фотографическая широта фотопроцесса в целом.

Жанры фотографии

В XX веке, когда техника фотографии достаточно усовершенствовалась, появились достаточно чувствительные фотографические материалы и удобные фотоаппараты, фотография начала преобразовываться из технического курьёза в один из типов изобразительного искусства, родственного живописи, но отличающегося от неё.

Особенно с развитием цифровой фотографии появилась возможность фотохудожникам, и вообще фотолюбителям получать на изображениях фотоэффекты, регулировать распределение цветовых и световых характеристик в диапазонах, делающий фотоснимок близким к художествееным произведения искусства. Это прежде всего связано с первооткрывателями Григорием Вардом, Полом Дебевеком.

Часть современных жанров фотографии повторяет соответствующие жанры живописи, часть же специфична только для фотографии.

Методы увеличения фотографической широты

Увеличение фотографической широты методом HDR

Получение изображений объектов большего диапазона яркостей, чем фотографическая широта конкретного светочувствительного материала, делается путём многократной съёмки объекта с разным выставленным значением экспозиции. В фотолюбительской практике для такой съёмки применяется термин эксповилка, или «брекетинг» — калька с соответствующего английского термина англ. bracketing. После получения двух и более снимков, сделанных в одних и тех же условиях с разной экспозицией, эти снимки обрабатыватся для получения «HDR-изображения».

Super-CCD-фотосенсор rgbG в камерах Fujifilm

В этих фотосенсорах для увеличения фотографической широты используется наличие на одной и том же фотосенсоре элементов различной площади и различной эффективной чувствительности. Передача низких уровней яркости обеспечивается элементами большой чувствительности, а высоких яркостей — низких.

SIMD-фотосенсор в камерах систем видеонаблюдения

Цифровой SIMD-фотосенсор (сокр. от англ. Single Instruction, Multiple Data). В этих камерах осуществляется настройка оптимального времени экспозиции для каждого пикселя в зависимости от уровня освещенности в данном участке кадра. Для этих технологий в данный момент применяется термин «Широкий динамический диапазон» (англ. Wide Dynamic Range)..

См. также

• Фотография
• Фотоматериалы
• Диапазон яркостей (контрастности) изображения
• Яркость
• Контрастность
• Плотность оптическая

Ссылки

Фотографическая широта — статья из Большой советской энциклопедии.