Динамический диапазон видеокамер. - KinoSklad.ru

Динамический диапазон современных устройств, предназначенных для осуществления натурной, репортажной съемки – это отношение части изображения, являющейся самой яркой на получившемся снимке или картине, к самому темному фрагменту, присутствующем на этом же изображении, при этом они оба не выходят за пределы отрезка видео или фотоматериала.

Описанное выше отношение имеет еще одно название – максимальный контраст, что также применимо к отдельному изображению, фрагменту видеоряда. Реальный динамический диапазон устройств, с помощью которых проводятся съемки в видео формате, как показывает практика, строго ограничен. Если сравнивать его с динамических диапазонов вещей, предметов, объектов, существующих в реальном мире, то он заметно уже. Это же сравнение актуально и для ландшафтов, и сцен кино. Одновременно с этим условия использования видеокамер, предназначенных для осуществления мониторинга и записывания все, что происходит в зоне видимости устройства в круглосуточном формате, в контексте освещения в большинстве случаев нельзя назвать оптимальными или подходящими. На практике это выражается в следующем: объекты, которые нужно сфотографировать или снять на видео, могут быть размещены на фоне ярко освещенных стен или предметов, также может присутствовать такой фактор как встречный свет, например от осветительного прибора. Если сложилась такая ситуация, то объекты или их составные части на готовом снимке будут слишком темными. Причина заключается в том, что устройство для съемки в автоматическом режиме адаптируется к высокой средней яркости кадра. Может произойти так, что на наблюдаемой «картинке» будут выраженно выделять яркие пятна с большими перепадами яркости. Передать такую градацию обычные камеры не способны.

Перечень методов, использование по назначению которых позволяет добиться такого результата как выделение или подчеркивание не сильно проявляющихся изменений яркости, контраста, соотношения цветов на снятом видео оказывают положительное влияние на изменение динамического диапазона.

На практике доказано, что видеопоток устройства, предназначенного для осуществления съемки в высоком разрешении посредством применения цифровой технологии, не предполагающие использование пленки, является трехмерным сигналом. При этом активное развитие и совершенствование современных технологий, нашедших свое применение в процессе фото и видео съемки, способствует разработке и внедрению инновационных возможностей, упрощающих процесс получения исходных сведений об объекте. В данном контексте на первый план выступает обработка многомерных сигналов, в то время как обработка двухмерных изображений постепенно теряет свою актуальность.

Раскрыть содержательную часть термина «динамический диапазон» целесообразно с позиции комплексного подхода, рассмотреть его с нескольких точек зрения, каждая из которых заслуживает внимания.

Трактовка 1. Это отношение самой высокой яркости к самой низкой яркости на конкретном изображении, кадре или фрагменте видео, при условии, что яркость не ниже или не выше допустимого уровня.

Чтобы вычислить динамический диапазон в количественном выражении применительно к конкретному кадру, изображению или фрагменту видеоряда, нужно узнать, какая яркость на картинке, требуется конкретное значение. Чтобы упросить выполнение поставленной задачи, можно определить или вычислить уровень, альтернативный вариант – код выходного сигнала. Однако этот способ не является универсальным, то есть его можно использовать во многих, но не во всех случаях. Если известно о том, какая зависимость между яркостью и выходным сигналом, то можно произвести определить диапазон яркости объектов. За основу берутся два значения: самый высокий и самый низкий уровень, это может быть и код сигнала.

В качестве примера можно рассмотреть следующую ситуацию: для осуществления съемок было выбрано записывающее устройство, в основе его функционирования лежит однобайтное кодирование, при этом заранее известно, что зависимость между яркостью и кодом линейная, другими словами, если одна величина уменьшается в один раз, то другая начинает увеличиваться во столько же раз. В результате в рассматриваемом примере значение динамического диапазона будет равно 255 или 24 дБ.

Практическая реализация обозначенного ранее способа, предполагающего вычисление необходимого значения через диапазон ограничений, характеризуется наличием нескольких недостатков, из-за которых его применение в некоторых ситуациях может быть не целесообразным.

Первый и самый существенный минус, на который стоит обратить внимание, принимая решение о возможности использования данного способа, заключается в том, что не принимается во внимание такой фактор как помехи, точнее их влияние. В качестве источника помех может выступать само устройство, речь идет о внутренних шумах камеры. Еще один недостаток – погрешности квантования, проявляющиеся на этапе преобразования в код в цифровом формате.

В данном контексте в содержательной части понятия «динамический диапазон», раскрывающей все его аспекты, должно найти свое отражение указание на строго обозначенное минимально допустимое отношение сигнал/шум. Если отношение сигнал/шум проявляется не выраженно, на практике это представляется в виде небольшой яркости, то следствием этого является утрата большей части данных о яркости.

Трактовка 2. Динамический диапазон представляет собой отношение максимальной яркости к минимальной яркости, при условии, что яркость не ниже или не выше допустимых значений, при этом отношение сигнала/шума не достигло показателей, выходящих за пределы минимально допустимых.

Даже принимая во внимание тот факт, что обозначенный выше вариант трактовки, более полное раскрывает рассматриваемое понятие на теоретическом уровне, на практике складывается противоположная ситуация. Все дело в том, что в большинстве практических случаев динамический диапазон позиционируется как величина, вычисление которой осуществляется в соответствии с трактовкой 1, при этом помехи как значимый фактор отодвигаются на второй план и теряют актуальность.

Важно сделать акцент на том, что динамический диапазон – это универсальное понятие, то есть его можно применить ко всей видеосистеме или ее составным частям. Коды в цифровом формате, полученные устройством для осуществления съемки, могут быть сохранены как отдельный файл или переданы по доступным для использования каналам связь, при этом допускается изменение их формата. Следствием измерения формата становится изменение количества битов, также происходит преобразование цветового пространства или в зависимости от выбранного формата его сжатие.

Если взять за основу одиночный кадр и сделать его объектом для изучения, то становится очевидным следующее: последующая система не оказывает положительное влияние на динамический диапазон выбранного кадра, если сравнивать с динамическим диапазоном устройства, предназначенного для ведения фото или видео съемки. Одновременно с этим, стоит отметить, что если были соблюдены все требования и правила, и на выходе получилась грамотно разработанная система, то в таком случае вероятность ухудшение динамического диапазона изображения, полученного с помощью устройства для осуществления съемки, сводится к минимуму.

Пример можно представить так: чтобы определить динамический диапазон, взяв за основу файл в формате JPEG, нужно обратиться к стандарту sRGB, где его значение будет составлять 12 EV, вычисление осуществлялось в соответствии с трактовкой 1. Из этого перечня только 8 и 9 представляют пользу, что обусловлено погрешностью квантования и сжатием (ссылка на трактовку 2).

Динамический диапазон файлов и устройств, улавливающих свет, попадающий на камеру через объектив, во многих случаях рассматриваются в прямой взаимосвязи с количеством бит, нашедших свое применение в практическом осуществлении процесса записи информации. Но, если произвести детальный анализ, то становится понятым, что обозначенные выше величины не имеют друг другу никакого отношения. Поэтому, например, динамический диапазон пакета программного обеспечения Radiance HDR, разработанного для расчета освещения, при котором на один пиксель приходится 32 бита, больше, если сравнивать его с 16-битным цифровым форматом файла RGB TIFF, использующегося для графической работы, в его случае на один пиксель приходится 48 битов. Динамический показатель в первом случае составляет 256 EV, в соответствии с трактовкой 1. Яркости пикселей представляется не как целочисленная структура, а в формате, характеризующимся наличием плавающей запятой.

Один из способов, позволяющих создать оптимальные условия для улучшения динамического диапазона системы – это учет информации из не отдельного взятого кадра, а их совокупности. В такой ситуации динамический диапазон готового снимка, прошедшего процедуру обработки может быть на порядок лучше, если сравнивать с динамическим диапазоном отдельного взятого изображения или фрагмента видео.

На данный момент времени эти методы нашли свое широкое применение, так как они с одной стороны детально изучены с научной точки зрения на теоретическом уровне, с другой – доказали свою эффективность на практике. По этой причине они по-прежнему сохраняют актуальность. Важно сделать акцент на том, что улучшение динамического диапазона в обозначенных выше методах стало возможным благодаря тому, что сокращается выдержка выходного кадра. Эта особенность делает нецелесообразным их применение в тех случаях, когда речь идет о съемке быстро движущихся объектов.

С теоретической точки зрения возможным представляется использование дополнительных методов, применение которых будет оказывать положительное влияние на улучшение динамического диапазона, если взять за основу отдельно взятое изображение или фрагмент видео. При этом результат будет достигаться за счет снижения разрешающей способности. При этом сокращение пикселей не может осуществляться на постоянной основе, из-за этого изучению таких методов не было уделено внимания. Посредством применения камер с широким динамическим диапазоном можно получить на выходе качественное изображение даже при наличии встречной засветки или ярких, темных областей и деталей. При этом яркость стабилизируется, то есть яркие или темные объекты не выделяются и не создают выраженный контраст.