Jeśli chcesz wiedzieć, co oznacza, że jakaś kamera „ma 14 EV” to zapraszamy do lektury. W tym poradniku, zajmiemy się zakresem tonalnym.
Kontynuujemy nasz cykl artykułów poświęconych czynnikom wpływającym na jakość obrazu filmowego. W pierwszej części tej serii omówiliśmy zagadnienia związane ze szczegółowością obrazu, sposobami odczytu matrycy oraz aliasingiem i morą. Tematem drugiej był natomiast szum i jego usuwanie. Tym razem zajmiemy się zagadnieniem bezpośrednio powiązanym z szumem, czyli zakresem tonalnym.
Świat, w którym żyjemy i który czasem próbujemy coś nagrywać, ma to do siebie, że nie jest równomiernie oświetlony. Największe różnice występują oczywiście między dniem i nocą, kiedy to natężenie światła spada nawet milionkrotnie. Na szczęście w obrębie pojedynczego kadru różnice między najjaśniejszym a najciemniejszym obszarem nie są zazwyczaj aż tak duże. Nadal jednak poprawne zarejestrowanie detali zarówno w jasnych, jak i ciemnych partiach obrazu może być problematyczne.
By opisać różnicę między najjaśniejszym a najciemniejszym fragmentem danej filmowanej sceny, korzysta się z pojęcia zakresu dynamicznego tejże sceny. Jest to właśnie nic innego jak stosunek jasności najjaśniejszego fragmentu do jasności najciemniejszego fragmentu. Ponieważ uzyskane w ten sposób proporcje mogą, jak już wspomnieliśmy, przyjmować wartości od 1 do ponad miliona, zapisuje się je z wykorzystaniem notacji logarytmicznej i mierzy w umownych jednostkach noszących oznaczenie „EV”. Często zamiennie mówi się też na przykład „stopnie przysłony” lub „działki ekspozycji”.
Jak to działa? Scena o zakresie dynamicznym 1 EV to taka, gdzie najjaśniejszy fragment jest 2-krotnie jaśniejszy od najciemniejszego. 2 EV to czterokrotna różnica, 3 EV, to różnica ośmiokrotna, a 4 EV – szesnastokrotna. I tak dalej, wraz z kolejnymi potęgami dwójki. Czyli w scenie o zakresie dynamicznym 12 EV różnica jasności między najjaśniejszym a najciemniejszym punktem będzie aż 4096-krotna. Takie warunki spotkamy na przykład filmując coś w ciemnym wnętrzu z niewielkim oknem, za którym to oknem świeci ostre, południowe słońce.
Ilość światła w nocy jest wiele tysięcy razy mniejsza niż w dzień. Fot. Krzysztof Basel.
Tych samych jednostek, czyli EV, używa się do pomiaru zakresu tonalnego urządzenia filmującego, czyli ilości poziomów jasności, jakie to jest w stanie poprawnie zarejestrować. Jeśli nasza kamera czy aparat ma zakres tonalny 14 EV, to znaczy, że urządzenie to powinno być w stanie zarejestrować scenę, gdzie różnica między najjaśniejszym a najciemniejszym punktem jest 16384-krotna.
Tak przynajmniej prezentuje się koncepcja zakresu tonalnego kamery czy aparatu w teorii. W praktyce jednak sprawa jest nieco bardziej skomplikowana. Cóż bowiem z tego, że w teorii aparat jest w stanie zarejestrować 16384 poziomy jasności, jeśli wartości od 1 do 100 (czyli głębokie cienie) są tak zaszumione, że żadnych szczegółów tam nie widać? To z kolei oznacza, że zamiast 16 tys. poziomów zostaje nam raptem koło 160, czyli z deklarowanych 14 EV robi się nieco ponad 7.
Ujęcie z kamery filmowej na ISO 12800 w profilu logarytmicznym. Detale w cieniu są rozróżnialne, ale czy przy tej ilości szumu powinniśmy to uznawać, za użyteczny zakres tonalny?
By zatem określić, jaki zakres dynamiczny dane urządzenie jest w stanie faktycznie (a nie tylko teoretycznie) zarejestrować, konieczne są testy. W przeciwieństwie do oceny szumu czy szczegółowości obrazu zakres tonalny kamery, czy aparatu (czyli to, ile realnie jest w stanie zarejestrować) trudno jest zmierzyć w domowych warunkach i lepiej polegać tu na pomiarach wykonywanych przez specjalistów.
Jednym z narzędzi wykorzystywanych w takich pomiarach jest wzornik Stouffer T4110. W uproszczeniu jest to zestaw pół o różnej jasności. Przy czym jasność sąsiednich pól różni się o 1/3 EV, a zatem co 3 pola jasność podwaja się. Najprostszy, niewymagający dalszej obróbki nagrań test polega po prostu na policzeniu, ile pól jesteśmy w stanie rozróżnić na ujęciu z nagranym wzornikiem. Przykładowo, jeśli jesteśmy w stanie rozróżnić 27 pól, to mamy do czynienia z urządzeniem o zakresie tonalnym 9 EV, bo 27 dzielone przez 3 daje właśnie 9.
Wzornik Stouffer T4110 nagrany filmującym aparatem. Warto zwrócić uwagę na szum w ciemniejszych partiach wzornika. „Na oko” możemy tu rozróżnić około 33 pola, co daje nam 11 EV zakresu tonalnego.
Tego rodzaju metoda liczenia „na oko” ma jednak sporo ograniczeń. Przykładowo, jeśli filmujemy na niskiej czułości, gdzie szum jest bardzo niewielki, to może się okazać, że po rozjaśnieniu cieni w postprodukcji, liczba pól, jakie jesteśmy w stanie rozróżnić, wzrośnie. Stąd też lepiej użyć do oceny zakresu tonalnego profesjonalnego oprogramowania, które taką stopklatkę jak powyżej (tylko oczywiście zapisaną w bezstratnym formacie) jest w stanie zamienić na wartości liczbowe zakresu tonalnego.
Maszyna nie rozumie jednak, co to znaczy, że dwa pola są, jak to ujęliśmy wcześniej, „rozróżnialne na oko”. Potrzebuje ona zrozumiałego, liczbowego kryterium. Tym kryterium jest stosunek sygnału do szumu, czyli proporcji – ile użytecznego obrazu, a ile szumu jest na danym polu wzornika. W uproszczeniu działa to następująco: jeśli szumu w stosunku do użytecznego obrazu jest mniej, niż założony próg, to dane pole jest liczone jako „rozróżnialne”. A jeśli jest go więcej, to nie jest.
Kryteria mogą być różne, typowo używa się jednak takich jak: 10:1, 4:1, 2:1 i 1:1. Czyli dane pole wzornika liczy się do zakresu tonalnego kamery czy aparatu, jeśli szumu jest na nim, odpowiednio, 10-krotnie, 4-krotnie i 2-krotnie mniej niż użytecznego sygnału oraz tyle samo co użytecznego sygnału dla kryterium 1:1.
Przykład obliczeń z programu Imatest dokonanych w oparciu o wzornik Stouffer T4110. Zależnie od przyjętego kryterium stosunku sygnału do szumu, wyniki wahają się od 8 do ponad 12 EV.
Sony FX3
Kamera, która dzięki dużym pikselom i nowoczesnej matrycy oferuje imponujący zakres tonalny.
Co ważne – aby móc jakkolwiek porównywać filmujące urządzenia pod względem zakresu tonalnego, musimy wiedzieć, dla jakiego kryterium stosunku sygnału do szumu wartości tegoż zakresu były obliczane. Niestety producenci praktycznie nigdy takich niezbędnych technicznych „szczegółów” nie podają i zadowalają się marketingowymi deklaracjami typu „14 EV” czy „16 EV”.
W praktycznych testach aparaty i kamery osiągają wartości zbliżające się do 14 EV dla najniższego z wymienionych powyżej kryteriów, czyli dla stosunku sygnału do szumu wynoszącego 1:1. Oznacza to, że uznajemy za użyteczny obraz, w którym, w najgłębszych cieniach, szumu jest tyle samo co użytecznej informacji. W praktyce oznacza to naprawdę spore zaszumienie.
Gdy kryterium zmienimy na 10:1 (czyli szum musi być 10-krotnie mniej intensywny od użytecznego obrazu), okazuje się, że najlepsze urządzenia na rynku ocierają się o lub przekraczają granicę 10 EV. Tego typu wartości nie wyglądają już tak imponująco w prospektach marketingowych.
Powyższe stopklatki pochodzą z tego samego ujęcia nagranego w formacie RAW. Zmieniły się jedynie ustawienia „wywoływania” surowego pliku. Właśnie dlatego liczenie pól nie jest najlepszym sposobem pomiaru zakresu tonalnego kamery czy aparatu.
Canon C70
Kolejna kamera o świetnym zakresie tonalnym. W tym przypadku jest to zasługa zastosowanej w niej technologii DGO (Dual Gain Output), która zapewnia imponującą ilość szczegółów zarówno w światłach, jak i w cieniach.
O ile tylko nie nagrywamy w formacie RAW, ogromny wpływ na zapisywany przez nasze urządzenie zakres tonalny ma profil obrazu użyty przy filmowaniu. Te ostatnie możemy z grubsza podzielić na dwa rodzaje – normalne i logarytmiczne.
Te pierwsze mają w założeniu dawać w miarę ładny obraz o żywych kolorach, który nie będzie wymagał późniejszej obróbki i zaawansowanej korekcji barwnej. Ceną za to jednak jest dość wysoki kontrast i, co za tym idzie, kiepski rejestrowany przez nasze urządzenie zakres tonalny. Jeśli zależy nam na maksymalizacji tego ostatniego, powinniśmy z kolei sięgnąć po tak zwany profil logarytmiczny, o ile tylko nasz aparat czy kamera takowy oferuje.
Standardowy profil obrazu (nieobrobiona stopklatka). Kolory i kontrast są przyjemne dla oka, ale niebo jest całkowicie prześwietlone.
Profile logarytmiczne są z założenia tworzone tak, by zachować maksymalnie dużo szczegółów w jasnych i ciemnych partiach obrazu, czyli, jak już wiemy, by zarejestrować możliwie duży zakres tonalny. Obraz zarejestrowany w tego rodzaju profilu obrazu jest jednak mało atrakcyjny dla oka i wymaga obróbki, by nadawał się do pokazywania rodzinie czy klientom. Nie zawsze jest to obróbka łatwa, warto zatem zrobić testy i obejrzeć kilka tutoriali (lub pójść na kurs) z zakresu korekcji barwnej, zanim zdecydujemy się nagrać w ten sposób jakieś ważne wydarzenie czy zlecenie.
Logarytmiczny profil obrazu (nieobrobiona stopklatka). Udało się zarejestrować zarówno detale w jasnych, jak i w ciemnych partiach obrazu, ale kolorystyka wymaga obróbki.
Oprócz tego istnieją rozwiązania hybrydowe. Aparaty i kamery różnych producentów oferują funkcje, które można połączyć z „ładnie wyglądającymi” normalnymi profilami obrazu, a które nieco poprawiają rejestrowany w nich zakres tonalny. W przypadku każdego z producentów funkcje te noszą nieco inne nazwy i działają z różną skutecznością. Ich przegląd zawarliśmy już w cyklu artykułów o zalecanych ustawieniach do filmowania dla aparatów danego producenta, do których linki zamieszczamy poniżej:
Zakres tonalny jest jednym z tych parametrów, których nie da się porównywać jedynie w oparciu o podawane przez producentów specyfikacje, tak jak ma to miejsce na przykład przy rozdzielczościach i klatkażach. Jest on przy tym jednym z elementów odróżniających sprzęt amatorski od profesjonalnego. Warto zatem, przed zdecydowaniem się na zakup danego urządzenia, zapoznać się z jego testami przeprowadzonymi przez kompetentne osoby wyposażone w odpowiedni wzornik oraz oprogramowanie do analizy nagranych z jego użyciem ujęć. Poświęcony na to czas może nam zaoszczędzić późniejszego rozczarowania i zastanawiania się „dlaczego moje ujęcia nie wyglądają jak z tej droższej kamery”.
Amadeusz Andrzejewski
Na co dzień redaktor w portalu Optyczne.pl, gdzie regularnie testuje najnowszy sprzęt filmowy. Oprócz tego zawodowo filmuje i prowadzi szkolenia z filmowania, a po godzinach zajmuje się fotografią i kinem niezależnym. Absolwent Montażu Filmowego na PWSFTviT oraz Inżynierii Dźwięku i Obrazu na Politechnice Gdańskiej.
