디지털 사진의 품질 - 동적 범위 이해

[오리사냥]

디지털 사진의 다이나믹 레인지

사진의 다이나믹 범위는 최대 및 최소 측정 가능한 광 강도(각각 흰색과 검은색)의 비율을 설명합니다. 현실 세계에서, 하나는 진정한 흰색 또는 검은 색을 만나지 않습니다 - 광원 강도와 피사체 반사도의 다양한 정도만. 따라서 동적 범위의 개념은 더욱 복잡해지고 캡처 장치(예: 카메라 또는 스캐너), 디스플레이 장치(예: 인쇄 또는 컴퓨터 디스플레이) 또는 피사체 자체를 설명하는지 여부에 따라 달라집니다.

색상 관리와마찬가지로 위의 이미징 체인 내의 각 장치는 고유한 동적 범위를 가지고 있습니다. 인쇄 물과 컴퓨터 디스플레이에서는 종이 흰색 또는 최대 강도 픽셀보다 더 밝아질 수 없습니다. 사실, 위에 표시되지 않은 다른 장치는 자신의 동적 범위를 가지고 우리의 눈입니다. 따라서 장치 간에 이미지 정보를 변환하면 해당 이미지가 재현되는 방식에 영향을 줄 수 있습니다. 따라서 동적 범위의 개념은 실제 장면, 카메라 및 화면 또는 최종 인쇄의 이미지 간의 상대적 비교에 유용합니다.

빛의 영향: 조도 및 반사율

광 강도는 사고 및 반사 광의 관점에서 설명 될 수있다; 둘 다 장면의 동적 범위에 기여합니다("카메라 계량 및 노출"에대한 자습서 참조).

강한 반사

고르지 않은 인시던트 라이트

강한 반사외에도 검은 물체를 포함하는 반사도가 높은 장면은 실제로 인시던트 광 변동이 큰 장면보다 더 큰 동적 범위를 가질 수 있습니다. 두 시나리오에서의 사진은 카메라의 동적 범위를 쉽게 초과할 수 있습니다.특히 노출이 눈에 띄는 경우.

따라서 동적 범위를 평가할 때 광 강도 또는 휘도를 정확하게 측정하는 것이 중요합니다. 여기서는 조도라는 용어를 사용하여 인시던트 라이트만 지정합니다. 조도와 휘도 는 일반적으로 평방 미터당 캔델라 (cd / m2)로측정됩니다. 일반적으로 발생하는 광원에 대한 대략적인 값은 다음과 같습니다.

위의 다이어그램이 10의 힘으로 조정되기 때문에 여기에서 인시던트 라이트에 대한 가능한 방대한 변형을 볼 수 있습니다. 장면이 직접 및 가로막힌 햇빛으로 고르지 않게 조명된 경우, 이 것만으로도 장면의 동적 범위가 크게 증가할 수 있습니다(부분적으로 조명된 절벽 면이 있는 협곡 일몰 예에서 알 수 있음).

디지털 카메라

실제 장면에 대한 동적 범위의 의미는 단순히 가장 밝은 영역과 가장 어두운 영역(명석 비율)의 비율이지만 디지털 카메라 및 스캐너와 같은 측정 장치를 설명할 때 정의가 더욱 복잡해집니다. 캐비티 또는 웰(photosite)의 각 픽셀에서 빛이 측정되는 디지털 카메라 센서에 대한 자습서에서 기억하십시오. 각 포토사이트 크기는 내용물 측정 방법 외에도 디지털 카메라의 동적 범위를 결정합니다.

블랙 레벨(노이즈로 제한)

화이트 레벨(포화 포토사이트)

더 어두운 흰색 수준 (낮은 용량 포토사이트)

포토사이트는 광자를 마치 물처럼 들고 있는 양동이로 생각할 수 있습니다. 따라서 버킷이 너무 가득 차면 오버플로됩니다. 오버플로가 포화상태이기 때문에 들어오는 광자를 추가로 식별할 수 없으므로 카메라의 흰색 레벨을 정의하는 포토사이트입니다. 이상적인 카메라의 경우, 비명 비율은 따라서 각 광사이트 내에 포함될 수 있는 광자의 수에 불과하며, 가장 어두운 측정 가능한 광강도(하나의 광자)로 나뉩니다. 각각 1000개의 광자를 보유하면 명암비는 1000:1입니다. 더 큰 포토사이트는 더 넓은 범위의 광자를 포함할 수 있기 때문에 컴팩트 한 카메라 (픽셀 크기가커서)에 비해 디지털 SLR 카메라의 동적 범위는 일반적으로 더 높습니다.

기술 참고: 일부 디지털 카메라에서는 소음이 적을 뿐만 아니라 동적 범위를 줄이는 확장된 낮은 ISO 설정이 있습니다. 이는 실제로 설정이 전체 f-stop로 이미지를 과도하게 노출하지만 나중에 하이라이트를 트런하여 라이트 신호를 증가시키기 때문입니다. 이 것의 예는 일반 ISO-100 이하의 ISO-50 속도를 가진 캐논 카메라의 많은입니다.

실제로 소비자 카메라는 개별 광자를 계산할 수 없습니다. 따라서 다이나믹 레인지는 텍스처를 더 이상 식별할 수 없는 가장 어두운 톤으로 제한됩니다. 우리는 이것을 검은 색 수준이라고 부릅니다. 검은 색 수준은 각 포토사이트를 측정할 수 있는 방법에 의해 제한되므로 이미지 노이즈에의해 어둠 속에서 제한됩니다. 따라서 동적 범위는 일반적으로 측정 노이즈가 적은 낮은 ISO 속도와 카메라의 경우 증가합니다.

Techncal Note: 포토사이트가 개별 광자를 계산할 수 있더라도 광자 소음으로 인해 여전히 제한됩니다. 광자 노이즈는 광자 도착의 통계적 변화에 의해 생성되므로 노이즈에 대한 이론적 최소값입니다. 총 소음은 광자 소음과 판독 소음의 합계를 나타냅니다.

따라서 디지털 카메라의 동적 범위는 측정 가능한 최대 광 강도(픽셀 채도)의 비율에서 측정 가능한 최소 광 강도(위의 판독 노이즈)로 설명할 수 있습니다. 디지털 카메라에서 다이나믹 레인지를 측정하는 데 가장 일반적으로 사용되는 장치는 2의 전력으로 총 광범위를 설명하는 f-stop입니다. 따라서 1024:1의 명암비는 10f-stops(210 = 1024 이후)의 동적 범위를 갖는 것으로 설명될 수도 있다. 응용 프로그램에 따라 각 장치 f-stop은 "영역" 또는 "eV"로 설명될 수도 있습니다.

스캐너

스캐너는 밀도(D)에 설명되어 있는 경우를 제외하고 디지털 카메라의 동적 범위와 동일한 채도:노이즈 기준이 적용됩니다. 이는 아래와 같이 안료가 인쇄된 미디어에서 톤을 만드는 방법과 개념적으로 유사하기 때문에 유용합니다.

밀도 측면에서 전체 동적 범위는 따라서 최대 안료 밀도 (D최대),최소 안료 밀도 (D분)를뺀다. f-스톱의 2와 는 달리 밀도는 10의 힘을 사용하여 측정됩니다 (지진의 리히터 규모와 마찬가지로). 따라서 밀도 3.0은 1000:1의 명암비를 나타냅니다(이후 103.0 = 1000).

총 밀도(D)를 나열하는 대신 스캐너 제조업체는 D 최대 값만 나열합니다. 이는 디지털 카메라와 달리 스캐너가 광원을 완전히 제어하여 최소한의 포토사이트 채도가 발생하기 때문입니다.

높은 안료 밀도의 경우 동일한 노이즈 제약 조건이 디지털 카메라와 동일한 스캐너에 적용됩니다(둘 다 측정을 위해 다양한 광사이트를 사용하기 때문에). 따라서 측정 가능한 Dmax는 또한 광 신호의 판독 중에 존재하는 노이즈에 의해 결정된다.

비교

다이나믹 범위는 매우 다양하여 일반적으로 로그와산비움 스케일로 측정되며, 이는 지진 강도가 모두 동일한 리히터 척도에서 측정되는 방법과 유사합니다. 여기서는 선호하는 측정값(f-stops, 밀도 및 명암비)과 관련하여 여러 장치에 대해 측정 가능한 최대 동적 범위(또는 재현 가능한) 동적 범위를 표시합니다. 마우스를 아래 각 옵션 위에 이동하여 이 옵션을 비교합니다.

인쇄물의 재현 가능한 동적 범위와 스캐너와 디지털 카메라로 측정할 수 있는 큰 차이를 기록합니다. 장면의 실제 다이나믹 레인지와 비교하기 위해, 이들은 거의 반사율이 있는 흐린 날에 약 3 f-스톱에서 매우 고르지 않은 반사율을 가진 화창한 날에 12 개 이상의 f-스톱에 이르기까지 다양합니다.

위의 숫자를 해석할 때주의해야 합니다. 실제 동적 범위는 인쇄 및 디스플레이 장치를 위한 주변 광의 강력한 기능입니다. 적절한 빛 아래에서 볼 수 없는 인쇄물은 전체 동적 범위를 제공하지 않을 수 있으며, 디스플레이 장치는 특히 플라즈마 디스플레이의 경우 완전한 어둠을 실현해야 합니다. 마지막으로 이러한 값은 대략적인 근사치일 뿐입니다. 실제 값은 기기 의 연령, 모델 생성, 가격 범위 등에 따라 다릅니다.

디스플레이 장치의 명암비는 이러한장치를 나열하는 제조업체 표준이 없기 때문에 종종 크게 과장된 경우가 많습니다. 500:1을 초과하는 명암비는 종종 밝은 흰색 점 대신 매우 어두운 검은 점의 결과일 뿐입니다. 이러한 이유로 명암비와 광도 모두에 주의를 기울여야 합니다. 높은 명암비(그에 상응하는 더 높은 광도 없이)는 주변 촛불빛에도 의해 완전히 부정될 수 있다.

인간의 눈

인간의 눈은 실제로 카메라로 일반적으로 가능한 것보다 더 큰 동적 범위를 인식 할 수 있습니다. 학생이 다양한 빛을 열고 닫는 상황을고려한다면, 우리의 눈은 거의 24f-stops의 범위에서 볼 수 있습니다.

반면에 단일 사진(일정한 조리개, 셔터 및 ISO)과의 정확한 비교를 위해 즉시 동적 범위(동공 개구가 변경되지 않은 경우)만 고려할 수 있습니다. 이는 장면 내의 한 지역을 보고 눈을 조절하고 다른 곳을 찾지 못하는 것과 비슷합니다. 이 시나리오에서는 눈의 민감성과 다이나믹 레인지가 밝기와 대비에 따라 실제로 변화하기 때문에 많은 의견 차이가 있습니다. 대부분의 추정 어디서나 10-14 f-스톱.

이 숫자의 문제는 우리의 눈이 매우 적응력이 있다는 것입니다. 극단적 인 저조도 별 보기의 상황 (우리의 눈이 야간 시력을 위해 막대 세포를 사용하도록 조정 한 곳), 우리의 눈은 더 높은 순간적 동적 범위 (에 대한 자습서 참조"인간의 눈").

비트 깊이 및 측정 다이나믹 레인지

디지털 카메라가 방대한 다이나믹 레인지를 캡처할 수 있더라도 광 측정이 디지털 값으로 변환되는 정밀도는 사용 가능한 동적 범위를 제한할 수 있습니다. 이러한 연속 측정값을 개별 숫자 값으로 변환하는 주력마를 아날로그에서 디지털(A/D) 컨버터라고 합니다. A/D 컨버터의 정확도는 디지털 이미지의 비트 깊이와유사한 정밀도 측면에서 설명할 수 있지만 이러한 개념은 상호 교환적으로 사용되지 않는다는 점을 주의해야 합니다. A/D 컨버터는 디지털 카메라의 RAW 파일 형식에대한 값을 만드는 것입니다.

예를 들어, 10비트의 색조 정밀도는 0-1023의 가능한 밝기 범위(210 = 1024 레벨 이후)로 변환됩니다. 각 A/D 컨버터 번호가 실제 이미지 밝기에 비례한다고 가정하면(픽셀 값이 밝기의 두 배를 나타내는 두 배), 10비트의 정밀도는 1024:1의 명암비만 인코딩할 수 있습니다.

대부분의 디지털 카메라는 10~14비트 A/D 컨버터를 사용하므로 이론적 최대 동적 범위는 10-14스톱입니다. 그러나 이 높은 비트 깊이는 일반적으로 잡음 수준에 의해 전체 동적 범위가 제한되어 있기 때문에 이미지 포스터화를 최소화하는 데도움이 됩니다. 높은 비트 깊이 이미지가 반드시 이미지가 더 많은 색상을 포함하는 것을 의미하지 는 않는방법과 유사하게, 디지털 카메라에 높은 정밀도 A/D 컨버터가 있는 경우 반드시 더 큰 동적 범위를 기록할 수 있다는 것을 의미하지는 않습니다. 실제로 다이나믹 레인지는 계단의 높이로 생각할 수 있지만 비트 깊이는 단계 의 수로 생각할 수 있습니다. 실제로 디지털 카메라의 동적 범위는 A/D 컨버터의 이론적 최대값에 접근하지도 않습니다. 8-12 스톱은 일반적으로 모든 사람이 카메라에서 기대할 수 있습니다.

이미지 유형 및 톤 곡선의 영향

디지털 이미지 파일이 실제로 하이엔드 장치의 전체 동적 범위를 기록할 수 있습니까? 기록 가능한 동적 범위에서 이미지 비트 깊이의 관련성에 대해 인터넷에서 많은 혼란이 있는 것 같습니다.

먼저 기록 가능한 동적 범위 또는 표시 가능한 동적 범위를 말하는지 여부를 구분해야 합니다. 일반 8비트 JPEG 이미지 파일조차도 RAW 변환 중에 오른쪽 색조 곡선이 적용되고(동기 부여: 동적 범위 참조)A/D 컨버터가 필요한 비트 정밀도를 가지고 있다고 가정하면 무한한 동적 범위를 기록할 수 있습니다. 문제는 이 동적 범위의 유용성에 있습니다. 너무 적은 비트가 톤 범위의 너무 큰 에 걸쳐 확산되는 경우, 이 이미지 포스터화로이어질 수 있습니다 .

반면에 표시 가능한 동적 범위는 이미지 파일에 의해 암시된 감마 보정 또는 색조 곡선또는 비디오 카드 및 디스플레이 장치에서 사용됩니다. 2.2 (PC의 표준)의 감마를 사용하여 이론적으로 거의 18 f-stops의 동적 범위를 인코딩 할 수 있습니다 (감마 보정에 대한 자습서 참조, 추가). 다시 말하지만, 이것은 심한 후손화로 고통받을 것입니다. 거의 무한한 동적 범위를 인코딩하는 유일한 현재 표준 솔루션은 Photoshop (또는 다른 지원 프로그램)에서 높은 동적 범위 (HDR) 이미지 파일을 사용하는 것입니다.