И вновь о динамическом диапазоне
Не так давно мне попался довольно качественный HDCD релиз альбома «Mark Knopfler — Sailing To Philadelphia». Впервые я отметил столь низкий уровень фонового шума и динамический диапазон для музыки с живыми инструментами и голосом. Результат сканирования всего альбома гласил:
0dB = FS Square Wave
Using RMS Window of 50,00 ms
Account for DC = true
Краткий ликбез
Динамический диапазон — это разница (или соотношение) между самым громким и самым тихим звуком, выраженная в децибелах. Для определения динамического диапазона используют RMS значения, т.е. Root Mean Square — среднеквадратичные, или же, как принято у нас — «действующие» или «эффективные». Действующее значение выбирается потому, что именно оно (в отличие от пикового) напрямую связано с уровнем звукового давления, и, как следствие, воспринимаемой громкости.
Для анализа вышеуказанных характеристик был использован Adobe Audition. В данном случае алгоритм анализа ДД примерно такой: всё аудио разбивается на небольшие участки, именуемые окнами (в данном случае их размер равен 50 мс), затем для каждого такого участка вычисляется среднеквадратичное значение (путем интегрирования). Далее полученное значение соотносится с одним из следующих: 1. Среднеквадратичное значение для синусоиды с максимальной амплитудой и такой же продолжительностью. 2. Меандр с максимальной амплитудой и такой же продолжительностью. Как известно, меандр имеет максимально возможное значение RMS за период (т.к. модуль его амплитуды в любой момент равен максимуму), синусоида же имеет коэффициент 1/(корень из 2), т.е. 0.707 от максимального (или же пикового) значения. Если вы еще раз взглянете на отчет, то увидите, что там за 0 dB RMS взят меандр (square wave). Таким образом, полученные децибелы среднеквадратичного значения имеют опорный уровень (0 dBFS) равный среднеквадратичному значению для меандра.
Также надо отметить, что при расчете RMS может учитываться или не учитываться постоянная составляющая (в некоторых случаях колебания происходят не относительно нулевого значения, а относительно некоторой константы, которая и равна постоянной составляющей). В нашем случае учет постоянной составляющей включен.
После получения RMS значения для каждого окна производится поиск наименьшего и наибольшего значений. Разница между двумя этими значениями — и есть динамический диапазон.
Кроме того, Audition определяет параметр «Dynamic Range Used», который рассчитывается без учета тишины в начале и конце трека, а также без учета других продолжительных участков с тишиной внутри дорожки. Собственно, этот параметр и является наиболее информативным и важным при анализе динамического диапазона.
DVD-Audio
Так вот, сегодня я наконец заполучил DVD-Audio релиз того самого альбома, о котором писал выше. Результаты меня удивили еще больше. Многоканальная дорожка содержала записи с динамическим диапазоном более 100 дБ, хотя значения для отдельных каналов были довольно разными (кстати говоря, Audition показал для фронтальных каналов актуальную разрядность 24 бита, а для остальных — 20). Я решил произвести более детальный анализ записей: вручную выполнил сведение каналов в стерео (с помощью Channel Mixer в foobar2000), а затем проанализировал динамический диапазон 5.1 записи, стерео даунмикса с DVD диска и моего собственного даунмикса.
Результаты для каждого трека/канала приведены в таблице Excel.
Интересно, что динамический диапазон даунмиксов получились совершенно различным (разной была и громкость — у моего даунмикса она была ниже на несколько децибел). Но, так или иначе, например, для 4-го трека во всех трех случаях отмечается широкий динамический диапазон, более 90 дБ.
Но это что касается отдельных параметров. Наиболее же информативной является гистограмма громкости. Она показывает распределение громкости по частоте появления. Т.е. это значения RMS для всех окон, представленные в виде диаграммы, где по вертикали частота появления, по горизонтали уровень громкости. Таим образом можно видеть, какой уровень громкости преобладает в дорожке, насколько велика суммарная продолжительность тихих участков и т.д.
Например, вот гистограммы громкости для моего и DVD стерео даунмикса четвертого трека (правый канал), соответственно:
Высокая частота для громкости с уровнем около
110 говорит о том, что это скорей всего уровень шумов звукозаписывающего оборудования. В общем же, наиболее интересными являются дорожки с довольно высоким процентом тихих фрагментов. Например, вот диаграмма для моего микса 7-го трека:
Подобный материал гипотетически может помочь выявить различия между 24- и 16-битным аудио. Именно с целью определить возможность выявления таких различий, а также вообще резонность использования 24-битного формата, я искал столь качественные аудиозаписи.
О результатах моих проверок я сообщу в следующих записях.
Добавлено: судя по всему, широкий динамический диапазон — лишь результат обработки записи. Т.е. тихие участки являются либо участками работы шумоподавления, либо фрагментами затухающих звуков (fade-in/fade-out). Реальных же продолжительных во времени звуков со столь низким уровнем (
Информация от спонсора
PCforums: компьютерный форум. Здесь Вы найдёте интересные материалы и обсуждения на компьютерную и околокомпьютерную тематику а также получите от завсягдатаев форума ответы на любые интересующие Вас вопросы.
Искусство HDR-фотографии. Часть 1
Этой статьёй мы начинаем серию публикаций о весьма интересном направлении в фотографии: High Dynamic Range…
Этой статьёй мы начинаем серию публикаций о весьма интересном направлении в фотографии: High Dynamic Range (HDR) — фотографии с высоким динамическим диапазоном. Начнём, конечно же, с азов: разберёмся с тем, что такое HDR-изображения и как правильно их снимать, учитывая ограниченные возможности наших камер, мониторов, принтеров и т.д.
Динамический диапазон и HDR
Давайте начнем с основного определения Динамического диапазона.
Динамический диапазон определяется отношением темных и ярких элементов, которые важны для восприятия вашей фотографии (измеряется уровнем яркости).
Это не абсолютный диапазон, так как он, во многом, зависит от ваших личных предпочтений и того, какого результата вы хотите добиться.
Например, есть множество замечательных фотографий с очень насыщенными тенями, без каких-либо деталей в них; в этом случае можно говорить о том, что на такой фотографии представлена только нижняя часть динамического диапазона сцены.
Динамический диапазон (далее для удобства будем именовать его — ДД) может быть нескольких типов:
Во время фотосъёмки ДД трансформируется дважды:
Следует помнить, что любая деталь, которая будет потеряна на этапе захвата изображения – никогда не сможет быть восстановлена в последующем (это мы рассмотрим подробнее чуть позже). Но, в конце концов, важно лишь то, чтобы полученное изображение, отображаемое монитором, или распечатанное на бумаге радовало ваш взгляд.
Типы динамического диапазона
Динамический диапазон снимаемой сцены
Какие из самых ярких и самых темных деталей сцены вы хотели бы запечатлеть? Ответ на этот вопрос полностью зависит только от вашего творческого решения. Вероятно, лучший способ усвоить это – рассмотреть несколько кадров, в качестве образца.
Например, на фотографии выше, нам хотелось запечатлеть детали как внутри помещения, так и за его пределами.
На этой фотографии, мы также хотим показать детали и в светлых и в тёмных областях. Однако, в этом случае детали в светлых областях нам более важны, чем детали в тенях. Дело в том, что области светов, как правило, хуже всего смотрятся при фотопечати (зачастую, они могут выглядеть как простая белая бумага, на которой и распечатан снимок).
В подобных сценах динамический диапазон (контрастность) может достигать значения 1:30 000 и более – особенно, если вы снимаете в тёмной комнате с окнами, через которые проникает яркий свет.
В конечном счете, HDR-фотография в подобных условиях – оптимальный вариант для получения снимка, радующего ваш взор.
Динамический диапазон фотокамеры
Если бы наши камеры были способны запечатлеть высокий динамический диапазон сцены за 1 снимок, мы бы не нуждались в методах, описанных в этой и последующих статьях, посвященных HDR. К сожалению, суровая действительность такова, что динамический диапазон фотокамер значительно ниже, чем во многих сценах, для съёмки которых они используются.
Как определяется динамический диапазон фотокамеры?
ДД камеры измеряется от самых ярких деталей кадра до деталей теней, превышающих уровень шума.
Ключевым моментом в определении динамического диапазона камеры является то, что мы измеряем его от видимых деталей области светов (необязательно и не всегда чисто белых), до деталей теней, чётко различимых и не теряющихся среди большого количества шума.
За последнее время технологии, применяемые в зеркалках шагнули далеко вперёд, но ожидать чудес, всё же, не следует. На рынке можно отыскать не так много камер, способных захватить широкий (по сравнению с другими камерами) динамический диапазон. Ярким примером может служить Fuji FinePixS5 (в настоящее время не выпускается), матрица которой имела двухслойные фотоэлементы, что позволило увеличить ДД, доступный S5 на 2 стопа.
Динамический диапазон устройства вывода изображения
Из всех этапов цифровой фотографии, вывод изображения, как правило, демонстрирует самый низкий динамический диапазон.
У вас вполне резонно может возникнуть вопрос: зачем при съёмке стараться захватить большой динамический диапазон, если ДД устройств вывода изображения настолько ограничен? Ответ заключается в компрессии динамического диапазона (как вы узнаете далее, тональное отображение также связана с этим).
Важные аспекты человеческого зрения
Поскольку свои работы вы демонстрируете другим людям, вам будет небесполезным усвоить некоторые основные аспекты восприятия окружающего мира человеческим глазом.
Человеческое зрение работает не так, как наши фотокамеры. Все мы знаем, что наши глаза адаптируются к освещению: в темноте зрачки расширяются, а при ярком свете – сужаются. Обычно, этот процесс занимает достаточно продолжительное время (он вовсе не моментальный). Благодаря этому, без специальной подготовки, наши глаза могут охватить динамический диапазон в 10 стопов, а в целом нам доступен диапазон около 24 стопов.
Контраст
Все детали, доступные нашему зрению, базируются не на абсолютной насыщенности тона, а на основе контрастов контуров изображения. Человеческие глаза очень чувствительны даже к самым незначительным изменениям контрастности. Вот почему концепция контрастности столь важна.
Общий контраст
Общий контраст определяется перепадом яркости между самыми темными и самыми светлыми элементами изображения в целом. Такие инструменты, как Кривые (Curves) и Уровни (Levels) изменяют только общий контраст, поскольку все пиксели с одним уровнем яркости они обрабатывают одинаково.
В общем контрасте выделяют три основных области:
Совокупность контрастов этих трёх областей определяет общий контраст. Это означает, что если вы увеличите контрастность средних тонов (что бывает очень часто), вы потеряете общий контраст в области светов/теней при любом способе вывода изображения, зависящего от общего контраста (например, при печати на глянцевой бумаге).
Средние тона, как правило, отображают основной предмет съёмки. Если уменьшить контрастность области средних тонов, то ваше изображение будет блеклым. И, наоборот, при увеличении контрастности средних тонов, тени и света станут менее контрастными. Как вы увидите чуть ниже, изменение локального контраста может улучшить общее отображение вашей фотографии.
Локальный Контраст
Следующий пример поможет понять концепцию локального контраста.
Круги, расположенные друг напротив друга, в каждой из строк имеют абсолютно идентичные уровни яркости. Но правый верхний круг выглядит намного ярче, чем тот, что слева. Почему? Наши глаза видят разницу между ним и окружающим его фоном. Правый выглядит ярче на тёмно-сером фоне, по сравнению с таким же кругом, размещённом на более светлом фоне. Для двух кругов же, расположенных ниже, верно обратное.
Для наших глаз абсолютная яркость представляет меньший интерес, чем её отношение к яркости близлежащих объектов.
Такие инструменты, как Заполняющий свет (FillLight) и Резкость (Sharpening) в Lightroom, и Тени/Света (Shadows/Highlights) в Photoshop действуют локально и не охватывают сразу все пиксели одинакового уровня яркости.
Dodge (Затемнить) и Burn (Осветлить) – классические инструменты для изменения локального контраста изображения. Dodge&Burn – это по-прежнему один из оптимальных методов улучшения изображения, потому, что наши собственные глаза, естественно, неплохо могут судить о том, как та или иная фотография будет выглядеть в глазах стороннего зрителя.
HDR: управление динамическим диапазоном
Еще раз вернёмся к вопросу: для чего же тратить усилия и снимать сцены с динамическим диапазоном шире, чем ДД вашей камеры или принтера? Ответ заключается в том, что мы можем сделать кадр с высоким динамическим диапазоном и позже вывести его изображение через устройство с меньшим ДД. В чём суть? А суть в том, что в ходе этого процесса вы не потеряете никакой информации о деталях изображения.
Конечно, проблему съёмки сцен с высоким динамическим диапазоном можно решить и другими путями:
Но во время длительного (или не очень) путешествия вы должны иметь максимум возможностей для фотосъёмки, так что нам с вами следует найти более эффективные решения.
К тому же окружающее освещение может зависеть не только от погоды. Для лучшего понимания этого, давайте вновь рассмотрим несколько примеров.
Фото выше весьма тёмное, но, несмотря на это, на нём запечатлён невероятно широкий динамический диапазон света (было снято 5 кадров с шагом в 2 стопа).
На этой фотографии свет, падающий из окон справа был весьма ярким, по сравнению с тёмным помещением (в нём не было источников искусственного освещения).
Так что ваша первая задача – запечатлеть на камеру полный динамический диапазон сцены, исключив потерю каких-либо данных.
Отображение динамического диапазона. Сцена с низким ДД
Давайте, по традиции, сначала посмотрим на схему фотосъёмки сцены с низким ДД:
В рассматриваемом случае при помощи камеры мы можем охватить динамический диапазон сцены за 1 кадр. Незначительные потери деталей в области теней, как правило, не являются существенной проблемой.
Далее мы переносим этот захваченный тональный диапазон на устройство вывода изображения (которое, как правило, предлагает меньший динамический диапазон, чем ДД камеры)
Процесс отображение на этапе: фотокамера – устройство вывода, в основном, осуществляется с помощью тональных кривых (обычно, сжимающих света и тени). Вот основные инструменты, которые для этого используются:
Примечание: во времена плёночной фотографии. Негативы увеличивали и печатали на бумаге различных классов (или на универсальной). Различие классов фотобумаги заключалось в контрасте, который они могли воспроизвести. Это классический метод тонального отображения. Тональное отображение – может звучать, как что-то новое, но это далеко не так. Ведь только на заре фотографии схема отображения снимка выглядела: сцена – устройство вывода изображения. С тех пор последовательность остаётся неизменной:
Сцена > Захват изображения > Вывод изображения
Отображение динамического диапазона. Сцена с более высоким ДД
Теперь давайте рассмотрим ситуацию, когда мы снимаем сцену с более высоким динамическим диапазоном:
Вот пример того, что вы можете получить в результате:
Как мы видим, камера может захватить только часть динамического диапазона сцены. Ранее мы уже отмечали, что потеря деталей в области светов – редко допустима. Это означает, что нам необходимо изменить экспозицию для того, чтобы защитить область светов от потери деталей (конечно, необращая внимание на зеркальные блики, например, отражений). В результате мы получим следующее:
Теперь мы получили существенную потерю деталей в области теней. Возможно, в некоторых случаях это может выглядеть достаточно эстетично, но только не тогда, когда вы хотите отобразить на фото и более тёмные детали.
Ниже приведен пример того, как может выглядеть фотография, при уменьшении экспозиции для сохранения деталей в области светов:
Захват высокого динамического диапазона при помощи брекетинга экспозиции.
Так как же вы можете захватить весь динамический диапазон при помощи камеры? В этом случае решением будет Брекетинг экспозиции: съёмка нескольких кадров с последовательным изменением уровнем экспозиции (EV) так, чтобы эти экспозиции частично перекрывали друг друга:
В процессе создания HDR-фотографии вы захватываете несколько различных, но взаимосвязанных экспозиций, охватывающих весь динамический диапазон сцены. В целом экспозиции отличаются на 1-2 стопа (EV). Это означает, что необходимое число экспозиций определяется следующим образом:
Каждая последующая экспозиция может увеличиваться на 1-2 стопа (в зависимости от брекетинга, выбранного вами).
Теперь давайте выясним, что вы можете сделать с полученными снимками с разной экспозицией. На самом деле, вариантов немало:
Ручное объединение
Ручное объединение снимков с различной экспозицией (используя, по сути, технику фотомонтажа) почти столь же старо, как искусство фотографии. Несмотря на то, что в настоящее время Photoshop и делает этот процесс более лёгким, но он всё еще может быть достаточно утомительным. Имея альтернативные варианты, вы, вряд ли, прибегнете к объединению снимков вручную.
Автоматическое смешивание экспозиций (также называемое Fusion)
В этом случае за вас всё сделает программное обеспечение (например, при использовании Fusion в Photomatix). Программа выполняет процесс объединения кадров с различной экспозицией и генерирует конечный файл изображения.
Применение Fusion обычно дает очень хорошие изображения, которые выглядят более «естественными»:
Создание HDR-изображений
Любой процесс создания HDR включает два этапа:
При создании HDR-изображений вы, на самом деле, преследуете ту же цель, но идёте иным путём: вы не получаете конечное изображение сразу же, а снимаете несколько кадров с различной экспозицией, а затем объединяете их в HDR-изображение.
Новшество в фотографии (которая уже не может обходиться без компьютера): 32-битные HDR-изображения с плавающей точкой, позволяющие хранить практически бесконечный динамический диапазон тональных значений.
В ходе процесса создания HDR-изображения, программа сканирует все тональные диапазоны, полученные в результате брекетинга, и генерирует новое цифровое изображение, включающее совокупный тональный диапазон всех экспозиций.
Примечание: когда появляется что-то новое, всегда найдутся люди, утверждающие, что это уже не ново, и они делали это еще до своего рождения. Но расставим все точки над i: способ создания HDR-изображения, описанный здесь, достаточно новый, поскольку для его использования необходим компьютер. И с каждым годом результаты, получаемые при помощи этого способа, становятся всё лучше и лучше.
Итак, ещё раз вернёмся к вопросу: зачем создавать изображения с высоким динамическим диапазоном, если динамический диапазон устройств вывода настолько ограничен?
Ответ заключается в тональном отображении – процессе конвертации тональных значений широкого динамического диапазона в более узкий динамический диапазон устройств вывода изображений.
Именно поэтому тональное отображение для фотографов является самым важным и непростым этапом создания HDR-изображения. Ведь вариантов тонального отображения одно и того же HDR-изображения может быть множество.
Говоря о HDR-изображениях, нельзя не упомянуть о том, что они могут быть сохранены в различных форматах:
Для создания HDR-изображений вам потребуется программное обеспечение, поддерживающее создание и обработку HDR. К таким программам можно отнести:
К сожалению, все перечисленные программы генерируют различные HDR-изображения, которые могут отличаться (подробнее об этих аспектах мы поговорим позже):
Основы Тонального отображения
Как и в случае со сценой с низким динамическим диапазоном, при отображении сцены с высоким ДД мы должны сжать ДД сцены до выходного ДД:
В чём же отличие рассмотренного примера с примером сцены с низким динамическим диапазоном? Как видите, в этот раз, тональная компрессия более высока, так что классический способ с тональными кривыми уже не работает. Как обычно, прибегнем к самому доступному способу показать основные принципы тонального отображения – рассмотрим пример:
Чтобы продемонстрировать принципы тонального отображения, воспользуемся инструментом HDR Expose программы Unified Color, поскольку он позволяет выполнять с изображением различные операции по модульному принципу.
Ниже вы можете увидеть пример генерации HDR-изображения без внесения каких-либо изменений:
Как видите, тени вышли достаточно тёмными, а области светов – пересвечены. Давайте взглянем, что нам покажет гистограмма HDR Expose:
С тенями, как видим, всё не так плохо, а вот света обрезаются, примерно, на 2 стопа.
Для начала, посмотрим, как экспокоррекция на 2 стопа может улучшить изображение:
Как видите, область светов стала выглядеть гораздо лучше, но в целом изображение выглядит слишком тёмным.
То, что нам нужно в этой ситуации – это объединить компенсацию экспозиции и снижение общего контраста.
Теперь общий контраст в порядке. Детали в области светов и теней не теряются. Но, к сожалению, изображение выглядит довольно плоским.
Во времена до эпохи HDR, эта проблема могла быть решена при помощи использования S-образной кривой в инструменте Кривые (Curves):
Однако, создание хорошей S-кривой займёт некоторое время, а в случае ошибки, легко, может привести к потерям в области светов и теней.
Поэтому инструменты тонального отображения предусматривают другой путь: улучшение локального контраста.
В полученном варианте детали в светах сохранены, тени не обрезаны, а плоскостность изображения исчезла. Но и это ещё не окончательный вариант.
Для придания фотографии завершённого вида оптимизируем изображение в Photoshop CS5:
Основное различие между всеми инструментами для работы с HDR заключаются в алгоритмах, используемых ими для понижения контраста (например, алгоритмы определения того, где заканчиваются общие настройки и начинаются локальные).
Не существует правильных или неправильных алгоритмов: всё зависит от ваших собственных предпочтений и вашего стиля фотографии.
Все основные инструменты для работы с HDR, предлагаемые рынком, также позволяют контролировать и другие параметры: детализация, насыщенность, баланс белого, удаление шума, тени/света, кривые (большинство из этих аспектов мы подробно рассмотрим позже).
Динамический диапазон и HDR. Резюме.
Способ расширения динамического диапазона, который способна захватить камера, весьма стар, поскольку ограниченность возможностей камер известна очень давно.
Ручное или автоматическое наложение изображений предлагает очень мощные способы конвертации широкого динамического диапазона сцены до динамического диапазона, доступного вашему устройству вывода изображения (монитору, принтеру и т.д.).
Создание бесшовных объединённых изображений вручную может быть очень сложным и трудоемким: бесспорно, метод Dodge & Burn– незаменим для создания качественного отпечатка изображения, но он требует длительной практики и усердия.
Автоматическая генерация HDR-изображений является новым способом преодолеть старую проблему. Но при этом алгоритмы тонального отображения сталкиваются с проблемой сжатия высокого динамического диапазона до динамического диапазона изображения, которое мы можем просмотреть на мониторе или в распечатанном виде.
Различные методы тонального отображения могут дать совершенно различные результаты, и выбор метода, дающего желаемый результат, зависит только от фотографа, то есть от вас.
Больше полезной информации и новостей в нашем Telegram-канале «Уроки и секреты фотографии». Подписывайся! Читайте нас на Яндекс.Дзен «Секреты и хитрости фотографии».