Dynamický rozsah digitálnych senzorov

Keď sa hodnotný tvorivý zámer spojí so správnym využitím techniky, vzniká dobrá fotografia. Samotná fototechnika je pritom „iba" prostriedkom, ktorý má slúžiť na dosiahnutie výsledku. Smelo môžeme skonštatovať, že dnešné fotoaparáty sú na veľmi slušnej úrovni, stále sa ďalej rozvíjajú a rôznymi vymoženosťami sa nám snažia pomáhať. Je však potrebné jedným dychom dodať aj to, že majú aj svoje limity. Tie je dobré poznať, aby sme sa s nimi vedeli patrične vysporiadať. Dnes si posvietime na dynamický rozsah snímačov a na to, ako si pomôcť, keď nás obmedzujú.

Limity dynamického rozsahu

Každá fotografovaná scéna je osvetlená minimálne jedným zdrojom svetla, ktoré má niekoľko základných vlastností: intenzitu, farbu a kvalitu. Predmety na scéne (v závislosti od svojho povrchu) časť tohto svetla odrazia - a toto odrazené svetlo môžeme zachytiť pomocou snímača vo fotoaparáte ako obraz reality.

Je jasné, že sa v praxi vyskytujú situácie s veľmi rozmanitou svetelnou intenzitou (jasom) - od veľmi málo osvetlených interiérov, až po jasné plážové poludnia, kde nás slnko až oslepuje. Naše oko má zázračnú vlastnosť „automaticky" sa prispôsobiť takmer akýmkoľvek svetelným pomerom. To isté sa snažíme dosiahnuť nastavením parametrov expozície pri fotografovaní, čím regulujeme množstva svetla, pôsobiaceho na obrazový senzor - či už v automatickom, poloautomatickom alebo manuálnom režime. Cieľom je vytvoriť správne naexponovaný obraz, aby bol čo najlepšie „čitateľný" a to nezávisle na tom, či máme k dispozícii málo alebo veľa svetla. Teoreticky to znie pekne, v praxi však tu narazíme na spomínané technické limity.

Jednotlivé obrazové body senzora sú schopné zaregistrovať istý rozsah svetelnej intenzity, od minimálnej do maximálnej hodnoty, ktoré sú dané vlastnosťami materiálu a konštrukciou. Tento využiteľný (užitočný) rozsah jasov, ktorý dokáže senzor zachytiť, označujeme ako jeho dynamický rozsah. To, čo je tmavšie, než senzorom registrovateľný minimálny jas, bude zaznamenané ako úplne čierny bod - vznikne „podpal" *. Všetko svetlejšie, než je horný limit senzora, bude tvoriť úplne biely bod - prepal. To „úplne" čierne, resp. biele znamená toľko, že zhluk takýchto bodov vytvorí jednoliatu plochu, na ktorej nie je možné nič rozoznať, preto hovoríme, že sú „bez kresby".

* „podpal" asi nie je z jazykového hľadiska úplne správny výraz - významovo je to akési umelé opozitum slova „prepal" a pripadá mi to jednoznačnejšie a výstižnejšie než bežne používaný pojem „tiene" - tiene sú totiž tmavé plochy, ktoré ale nemusia byť úplne čierne.

Cieľom nastavenia technicky správnej expozície je „dostať" reálnu scénu do dynamického rozsahu snímača. Názornou grafickou pomôckou na zobrazenie jasov scény je histogram - pokiaľ nemáte úplne jasno, čo a ako znázorňuje, pozrite si článok o ňom (link je na konci tohto príspevku).

V praxi môžu nastať v podstate tri možnosti, čo sa týka vzťahu medzi dynamickým rozsahom snímača a svetelnou intenzitou scény.

Prvá možnosť je, že scéna má približne rovnaký rozsah jasov, ako je dynamický rozsah snímača. Je to z technického pohľadu ideálna situácia, stačí nastaviť správne parametre expozície, čím dostaneme jas scény pekne do užitočného rozsahu jasov, ktorý senzor dokáže zachytiť. Žiaľ takáto ideálna situácia sa v reálnom svete vyskytuje pomerne vzácne. Skôr sa bežne stretneme s mierne nižším.

Príklad bezproblémového dynamického rozsahu scény.

Druhá možnosť je, že máme „užší" rozsah jasov, než je dynamický rozsah snímača. Vtedy je situácia tiež priaznivá. Ak je graf na histograme iba trochu užší, než je celá šírka základne, je to „najpríjemnejšia konštelácia". Pokiaľ máme scénu s extrémne malými rozdielmi jasov, hovoríme, že je málo kontrastná (histogram je úzky). Vtedy sa dokonca môžeme rozhodnúť, kam ju v rámci dynamického rozsahu snímača expozične „umiestnime" - či ju chceme skôr tmavšiu alebo skôr svetlejšiu, ale stále v rámci limitov snímača.

Príklad málo kontrastnej scény.

Tretia možnosť je, že rozsah jasov scény presahuje dynamický rozsah snímača - čiže je príliš kontrastná. Táto situácia je technicky najhoršia a žiaľ, v praxi sa vyskytuje pomerne často.

Scéna s príliš veľkým kontrastom.
Jej histogram ako keby chcel ,,vybehnúť vpravo a vľavo. 

Ako sa s tým vysporiadať

Prvý, ideálny prípad treba riešiť iba vtedy, ak z titulu tvorivého zámeru chceme dosiahnuť „naschvál" podpal, alebo prepal - musíme teda podexponovať, resp. preexponovať (najjednoduchšie je použiť korekciu expozície).

Druhý - málo kontrastný - prípad vzniká väčšinou vtedy, keď na scéne panuje rozptýlené (inak povedané mäkké) svetlo, ktoré má zanedbateľný smerový charakter. Nie je tvorené ostrými paralelnými lúčmi, ale slabšími, ktoré sú lámané do rôznych smerov. Nevytvára preto výrazné tiene a tým zostáva pomerne malý rozdiel jasov medzi priamo osvetlenými a neosvetlenými časťami scény. Typickým príkladom je zamračený deň, keď vrstva oblačnosti výrazne rozptýli slnečné lúče. Takéto scény na nás často pôsobia ako nevýrazné až mdlé. To môže byť nevhodné z pohľadu tvorivého zámeru a vtedy sa musí riešiť zvýšením kontrastu. Z pohľadu dynamického rozsahu snímača však táto situácia nepredstavuje problém.

V treťom - príliš kontrastnom - prípade ide o najzávažnejší problém, ktorý je spôsobený technickými možnosťami a ktorý by sa mal vždy nejako riešiť. Máme v zásade dve základné východiská. Keďže sa reálna scéna z pohľadu rozsahu jasov „nezmestí" do limitov senzora, buď musíme časť tohto rozsahu „obetovať", alebo musíme znížiť kontrast zaznamenanej scény.

Priorita svetiel / tieňov

Pokiaľ sa rozhodneme obetovať najtmavšie časti, hovoríme, že exponujeme na svetlá, teda svetlé časti zachytíme s kresbou za cenu toho, že najtmavšie časti „utopíme" v tme (podpal). Ak naopak, obetujeme svetlé časti, exponujeme na tiene, ktoré takto dostanú kresbu a daňou je prepal najsvetlejších častí. Prípadne sa zvolí kombinácia týchto dvoch postupov, keď „vypustíme" časť svetiel aj tieňov (napríklad pri siluetách v protisvetle). Uvedené exponovanie na svetlá, resp. tiene môžeme dosiahnuť korekciou expozície, alebo zamknutím expozície pri nameraní vybranej časti scény (najlepšie s bodovým meraním). Je potrebné sa rozhodnúť podľa charakteru konkrétnej situácie a podľa tvorivého zámeru - generálna rada neexistuje. Je však pravdou, že prípadný podpal opticky menej ruší, než prepal; ale opakujem, nie je to železné pravidlo. Napríklad ak máme samotné slnko v zábere, to môže zostať prepálené. Prípadne ak sa jedná o malé plochy, ako napr. kvapky fŕkajúcej vody v protisvetle, tak to tiež nie je na závadu. Typickým príkladom príliš kontrastnej scény je jasný slnečný deň na poludnie - nie náhodou sa všeobecne odporúča fotografovať radšej ráno, alebo podvečer, kedy je slnko nižšie a jeho lúče musia prejsť hlbšou vrstvou atmosféry, čo jeho intenzitu zníži a zafarbenie oteplí. S ešte väčším kontrastom sa stretneme, keď fotografujeme tmavú miestnosť, pričom máme v zábere aj okno, cez ktoré preniká svetlo jasného slnečného dňa. Najextrémnejší kontrast však vzniká pri záberoch v protisvetle.

Zníženie kontrastu scény

Pokiaľ by sme nechceli prísť ani o svetlá ani o tiene, tak ďalším možným východiskom je zníženie kontrastu, aby sa čo najviac zo scény expozične „zmestilo" do dynamického rozsahu senzora - ide teda o zmenšenie rozdielu jasov. Existuje na to niekoľko techník.

Zmena kvality svetla

Potrebujeme menej ostré, čiže viac rozptýlené svetlo. Ak je svetelným zdrojom silné slnko, ľudí alebo hnuteľné veci môžeme fotografovať v tieni - za budovou, pod hustým stromom a pod., prípadne môžeme použiť tienidlo alebo umiestniť do cesty svetelných lúčov materiál, ktorý ich rozptýli. Pokiaľ chceme fotografovať napr. krajinu, tak sa radšej vráťme inokedy (najlepšie podvečer, alebo ráno).

Prechodové filtre

Tieto filtre majú jednu polovicu svojej plochy potiahnutú šedou vrstvou a druhá polovica je číra. Keď sa nasadia pred objektív, umožňujú opticky znížiť jas niektorej časti scény. Typicky sa používajú na stmavenie oblohy - v hornej (šedej) časti prepúšťajú zníženú intenzitu svetla a v dolnej (čírej) oblasti neovplyvňujú jas. Držiak filtra umožňuje jeho posúvanie, čím je možné doladiť pozíciu prechodu medzi šedou a čírou časťou. Predávajú sa s rôznou hustotou šedej a s rôznym gradientom prechodu. Na konci tohto článku nájdete link na podrobný popis prechodových filtrov.

Výplňový blesk

Príliš veľké rozpätie jasov je možné v mnohých prípadoch zmierniť tzv. výplňovým bleskom. V tomto prípade nemáme nedostatok svetla, takže blesk by sme štandardne ani nepotrebovali. Pokiaľ ho však aktivujeme, priame svetlo blesku osvetlí tmavé partie a tým zníži rozdiel ich jasu voči svetlým častiam scény. V režime TTL sa automaticky nastaví potrebný výkon záblesku, ktorý je len doplnkom pre rovnomernejšie rozloženie osvetlenia. Vzhľadom na obmedzený dosah blesku je táto metóda funkčná iba pre vykrytie tieňov v pomerne malej vzdialenosti.

Odrazné dosky

Odraznou doskou môžeme časť hlavného svetla nasmerovať (odraziť) do oblastí, kde sa vytvárajú hlboké tiene. Opäť tým dosahujeme zníženie kontrastu. Oproti blesku to má výhodu v tom, že vidíme ešte pred exponovaním jeho účinok a nemiešame odlišné druhy osvetlenia. Nevýhoda je taká, že k tomu spravidla potrebujeme asistenta a že intenzita odrazu nemusí byť vždy dostatočná.

Zúženie dynamického rozsahu scény fotoaparátom

Niektoré digitálne zrkadlovky majú funkciu, ktorá pri fotografovaní „stlačí" dynamický rozsah kontrastnej scény rovno pri fotografovaní (v zrkadlovkách Nikon sa označuje ako Active D-lighting). Tiene sa vtedy zaznamenajú oproti skutočnosti trochu svetlejšie a svetlé časti naopak, o niečo tmavšie. Intenzita tejto funkcie je však obmedzená - dokáže rozšíriť efektívny dynamický rozsah snímača len mierne (ale aj to môže niekedy pomôcť).

HDR

Pokiaľ je kontrast scény extrémne veľký a nepomôžu alebo sa nedajú uplatniť vyššie uvedené postupy, tak zostáva ešte jedna špeciálna vymoženosť digitálnej fotografie a tým je metóda HDR (high dynamic range). Podrobnejšie si o nej môžete prečítať v článkoch, ktoré sa tejto technike špeciálne venujú (link nájdete na konci). V skratke povedané: statická scéna sa nafotografuje zo statívu s rôznymi expozíciami - musíme mať záber, kde sú prekreslené tiene, ďalší, kde sú zachytené svetlé časti bez prepalov a potom ešte je dobré urobiť minimálne jednu expozíciu medzi týmito „krajnými" hodnotami; následne sa funkciou HDR tieto zábery automaticky zložia do jedného, virtuálne extrémne kontrastného, ale všade prekresleného obrazu. Ten sa nakoniec tonálne premapuje na výslednú fotografiu so zníženým dynamickým rozsahom, ktorý je v zobraziteľnom pásme. Teoreticky je takto možné úspešne zaznamenať obrovský jasový rozsah, treba však dávať pozor na to, aby extrémne zužovanie dynamického rozsahu scény nepôsobil nakoniec neprirodzeným dojmom.

Manuálne zloženie rôznych expozícií

Je to vlastne princíp vytvorenia viacerých expozícií s rôznymi hodnotami (ako pre HDR) s následným manuálnym zložením prostredníctvom masky vrstvy v počítači. Poskytuje to možnosť selektívneho uplatnenia jednotlivých častí scény z rôzne exponovaných obrázkov. Dokonca sa to dá použiť aj pre zábery, ktoré sú čiastočne dynamické (napríklad nevadí, ak sa niečo v popredí pohybuje, pretože z druhej expozície chceme „vziať" len oblohu). Tento postup je vhodný, keď sa vybraná oblasť dá jednoducho vymaskovať.

Stlačenie histogramu v počítači

Pokiaľ ste (z nejakého dôvodu) žiadnu z uvedených techník neuplatnili na scénu s príliš veľkým kontrastom, tak sa môžete pokúsiť o zúženie histogramu. V princípe sa jedná o zosvetlenie tieňov a stmavenie svetiel. Ale pozor! Týmto spôsobom je možné fotografii pomôcť iba vo veľmi obmedzenej miere a to aj v prípade, že fotíte do RAW. Z fyzicky prepálených pixelov ani z tvrdých podpalov nie je možné vytiahnuť nič, iba z hodnôt blízko minima a maxima histogramu. Preto táto možnosť sa dá skutočne úspešne použiť iba pre zábery s veľkým kontrastom, ktoré sú ale bez prepalov/podpalov (čiže bez prekročenia dynamického rozsahu snímača). Pri zosvetľovaní tieňov treba byť opatrný, lebo s intenzitou takéhoto zásahu nastupuje aj šum. Existuje aj metóda, ktorá sa označuje ako „pseudo HDR", keď z jedného RAW-u sa „vyvolá" viacero snímkov s rôznou korekciou expozície v RAW konvertore a potom sa to „podhodí" ako sada vstupných obrázky pre spracovanie HDR. Výsledný efekt je však podobný stláčaniu histogramu a ďaleko zaostáva za výsledkami skutočného HDR.

Nasledujúci príklad na 4 obrázkoch demonštruje riešenie príliš kontrastnej scény pomocou HDR.

Číselné vyjadrenie dynamického rozsahu

Expozičný rozsah sa číselne vyjadruje v stupňoch EV (Exposure Value). Pokiaľ vám náhodou tento pojem nič nehovorí, tak je to „fotografické vyjadrenie" množstva svetla. Vzhľadom na to, že svetlo nevnímame lineárne ale logaritmicky, platí, že o jeden expozičný stupeň vyššie číslo znamená vždy dvojnásobné množstvo svetla. Bežné digitálne fotoaparáty majú dynamický rozsah cca 5 až 7 EV - podľa kvality a veľkosti senzora. Profi zrkadlovky sa vyznačujú dynamickým rozsahom 7 až 8 EV. Čo sa týka reálnych scén, tak jasný slnečný deň na poludnie má rozpätie jasov približne 12 až 15 EV, čo je príliš veľký kontrast a predstavuje z hľadiska dynamického rozsahu snímačov problém . Zamračený deň tvorí scény so slabým kontrastom a jeho rozsah jasov sa pohybuje okolo 3-4 EV.

Záver

Nebojte sa žiadnych svetelných pomerov. Pokiaľ máte jasný obsahový zámer, na základe uvedených postupov dokážete vyťažiť z danej situácie v rámci technických možností maximum.