Слон или кит? Или второй "блин" от Fujifilm. Часть 4

Сенситометрия

Основы сенситометрии

Величина чувствительности ISO=1 означает, что для получения необходимой плотности в среднесерой точке (поле серой шкалы, имеющее коэффициент отражения 18-20%) требуется экспозиция 1лк *1с, соответственно, чувствительность ISO 100 означает, что для получения требуемой плотности в среднесерой точке потребуется экспозиция 0.01 лк*с.
В пленочной сенситометрии чувствительность фотоматериала определяется критериальной точкой, имеющей требуемую плотность D0+Dкр на характеристической кривой, получаемой при экспозиции Hкр. Для разных типов фотоматериала эта точка будет находиться на разном удалении Dкр от оптической плотности вуали D0.
При этом ХК негативной фотопленки считается стандартной, если разнице в оптической плотности между точками плотности негатива 0.1D и 0.9D соответствует изменение экспозиции на lgH=1.3 (методика проявления пленки должна осуществляться таким образом, чтобы приводить к стандартному виду ХК). Другими словами, стандартная ХК негативной пленки должна иметь показатель контрастности (0.9-0.1)/1.3=0.62, то есть, сжимать диапазон яркостей объекта в более узкий диапазон плотностей. Кроме того, если пленка была проявлена в нестандартных условиях (температура, время проявки, состав проявителя), то к ней уже неприменима чувствительность, измеренная для стандартных условий, и при экспозиции такой пленки требуется использовать индекс чувствительности, устанавливающий соответствие между правильной экспозицией и такой обработкой для получения правильных значений плотностей.
Чувствительность фотопленки определяют как

S = K / Hкр,

где Hкр - экспозиция в точке, соответствующей оптической плотности D0+Dкр (лк*с).
Полученное по формуле значение чувствительности определяет значение минимальной экспозиции, требуемой для получения необходимого диапазона плотностей, поскольку наиболее важные объекты (например, лицо человека), имеющие близкий к среднесерому уровень, помещаются в точку, отстоящую на Dкр от максимальной прозрачности пленки D0, то есть, от области глубоких теней. При этом в расчете чувствительности широта фотоматериала участвует косвенно, за счет коэффициента K, тем не менее, привязка среднесерой точки производится только к уровню минимальной плотности почернения (уровню черного для негатива или уровню белого для слайда). Следовательно, изначально в расчет чувствительности закладываются проблемы при недостаточности экспозиции (недодержке) и легко прощаемые передержки при условии достаточно большой фотошироты.
Для цветных негативных фотопленок чувствительностью называют среднее арифметическое чувствительности ее цветных слоев, а для обращаемой пленки (слайда) чувствительностью называют максимальную из чувствительностей цветных слоев.
Для негативных черно-белых фотопленок значение K = 0.85, формула принимает вид S = 0.85/H(D0+0.1) - то есть, среднесерый объект привязывается к уровню, имеющему плотность 0.1D выше плотности вуали. И все градации яркости для предметов, имеющих коэффициент отражения от 0.18 до 0.000, должны быть уложены на участок оптических плотностей D0...D0+0.1.
Для негативных цветных фотопленок отечественный стандарт дает значение K = 1.4, формула принимает вид S = 1.4/H(D0+0.15). Это означает, что для более полного использования широты используется в 1.6 раза больший, чем для негативной пленки коэффициент K (это говорит о том, что широта негативной цветной пленки принимается в 1.6 раза, или на 0.2D меньше, чем у негативной черно-белой пленки), а критериальной (среднесерой) является точка, расположенная на 0.15D выше плотности вуали, то есть, коэффициент контрастности цветной пленки принимается более высоким. Вероятно, для хороших цветных негативных пленок (Fuji, Kodak и т.п.) используется такой же критерий, как и в случае черно-белых негативов, так как их фотоширота не уступает широте отечественных черно-белых пленок.


За основу взят график характеристической кривой из официальной документации на пленку Fujifilm Superia Reala.
Определение чувствительности, фотошироты (линейный участок) и полезной фотошироты на примере характеристической кривой пленки Superia Reala. Чувствительность зеленого канала получилась выше номинала (при использовании методики для черно-белых негативных пленок), полезная фотоширота составила 3.3D, фотоширота (линейный участок ХК) равна 2.3D.
Для обращаемых цветных пленок (слайда), имеющих "перевернутую" ХК, так как большему значению экспозиции соответствует большее значение плотности, в отличие от ХК негативных материалов, используется значение K = 10 (то есть, можно сказать, что широта слайда принимается почти в 12 раз (10/0.85 или на 1.0D) меньше, чем у негативной черно-белой пленки и в 7 раз (на 0.85D) меньше, чем у негативной цветной пленки, формула имеет вид S = 10/H(D0+0.9). Судя по плотности среднесерой критериальной точки, которая расположена на 0.9D выше плотности вуали, можно сказать, что слайд имеет намного более высокий коэффициент контрастности, чем негативные фотопленки.


За основу взят график характеристической кривой из официальной документации на пленку Fujifilm Provia 100F.
Определение чувствительности, фотошироты и полезной фотошироты на примере характеристической кривой позитивной пленки Provia 100F. Чувствительность зеленого канала получилась равной номиналу (ISO 100), полезная фотоширота составила 2.5D, фотоширота (линейный участок ХК) равна 2.15D.
В случае цифровых камер согласно ISO 12232 определяется только индекс чувствительности, причем он может быть определен двумя различными способами:

по уровню насыщения ячеек матрицы;
по минимально допустимому отношению сигнал/шум.

Первый способ базируется на физических свойствах ПЗС матрицы, емкость ячейки которой пропорциональна площади и ограничена несколькими тысячами (в случае компактных камер) или десятками тысяч электронов. При накоплении большего количества электронов, они не могут быть удержаны в потенциальной яме ячейки, и происходит растекание заряда на соседние ячейки (так называемый блюминг), либо на шину питания, если приняты меры по борьбе с этим нежелательным эффектом.

Ssat = 78 / Hsat,

где Ssat - индекс чувствительности ISO, определенный по уровню насыщения, Hsat - минимальная экспозиция, приводящая к насыщению ячейки.
Следовательно, привязка экспозиции для цифровых камер производится не к уровню черного (D0), но к уровню белого (как слайда). Поэтому следовало бы ожидать болезненной реакции цифровых камер на переэкспозицию и легко прощаемые недодержки при условии достаточной фотошироты (определяемой в свою очередь емкостью ячейки, следовательно, ее площадью).
Определение чувствительности по отношению сигнал/шум, как правило, требуется при наличии у камеры нескольких значений чувствительности. Дело в том, что чувствительность матрицы с большой площадью ячейки примерно такая же, как у матрицы, имеющей площадь ячейки во много раз меньше (большее количество падающего света компенсируется большей площадью, а стало быть, емкостью ячейки). И с помощью первой матрицы легко можно получить снимки с качеством, не уступающим снимкам со второй матрицы, даже если усилить сигнал в несколько раз, при этом во столько же раз уменьшив экспозицию. Это означает, что матрицу экспонировали как имеющую во столько же раз большее значение индекса чувствительности.
Стандарт ISO 12232 вводит понятия "первый отличный снимок", для которого отношение сигнал/шум равно 40 (32дБ), и "первый приемлемый снимок", для которого отношение сигнал/шум равно 10 (20дБ). Соответственно, вводятся значения чувствительности S40 и S10, соответствующие высокому и удовлетворительному качеству снимков. Формулы выглядят так:

S40 = 10 / H40, S10 = 10 / H10,

где Sxx - чувствительность при критерии S/N = 10 или 40, Hxx - экспозиция, при которой достигаются требования к отношению сигнал/шум (10 или 40).
Насколько я могу судить, именно определение чувствительностей через отношение сигнал/шум (и множественность возможных значений), заодно с требованием стандарта публиковать эти данные производителями камер, а также то, что для определения чувствительности не годятся обработанные камерой снимки в формате Jpeg, так и не привело к его окончательному утверждению (стандарт разработан в 1997 году).
Если еще раз обратиться к характеристической кривой камеры S2 Pro, пересчитав значения широт в десятичные логарифмы экспозиции, мы получим такой график:


Можно определить местоположение точки среднесерого на кривой при экспозиции, равной замеру экспонометра камеры (0Ev). Для зеленого канала (по которому обычно производится замер) уровень в точке среднесерого расположен в точке -22дБ при уровне насыщения -4дБ, то есть, ее положение относительно уровня насыщения -18дБ или 10^(-18/20) = 0.126 = 12.6% от уровня насыщения. Следовательно, экспонометр камеры рассчитан на то, чтобы использовать меньшую экспозицию, чем покажет внешний экспонометр при замере для среднесерой поверхности в 12.6/18 = 0.7 раза или на -0.5 ступени во избежание передержки и перенасыщения ячеек.
Другими словами, экспонометр камеры при съемке использует не ту чувствительность, которая определяется уровнем насыщения ячейки согласно ISO 12232, а на 0.5 ступени большую. Что зачастую помогает спасти снимок и расширяет широту в светах на 0.5 ступени или 0.15D.


Полученные результаты сильно отличаются от привычных представлений. Во-первых, ПЗС матрица камеры S2 Pro продемонстрировала фотошироту (линейную) и полезную фотошироту (полную) даже немного большую, чем негативная пленка, сильно обогнав позитивную пленку. Возможно, причины кроются в том, что на графике характеристической кривой негативной фотопленки отсутствует нелинейный участок максимальных плотностей почернения. Интересно и то, что слайд лишь незначительно уступает по фотошироте (линейному участку ХК) негативной пленке, что и позволяет его использовать в ответственных работах (полиграфисты предпочитают работать со слайдом). При этом полезная фотоширота негатива (включающая нелинейные участки) более чем в 6 раз (2.5 ступени) превосходит полезную фотошироту слайда.

Сравнение пленочной и цифровой технологий - слайд Kodak IT-8

Тестовый слайд Kodak IT-8 при съемке на позитивную пленку Fujifilm Provia 100F с экспокоррекцией от -2 до +2 ступеней.
Удовлетворительно переданный диапазон: 0...+1 ступень
При экспокоррекции +2 ступени (передержка в 4 раза) начинают теряться детали в светах (неразличимы поля 0 и 1 серой шкалы), цветопередача при этом искажается, что хорошо видно по телесным тонам. Ошибку в сторону передержки в +1 ступень слайд выдерживает достаточно хорошо. Вероятно, ему лишь немного не хватило широты в светах для достижения запаса в 2 ступени (можно оценить его в 1.5 ступени). При недодержке в одну ступень (-1Ev) качество резко падает и уже не может быть восстановлено коррекцией отсканированного изображения. Ошибка в -2 ступени (недодержка в 4 раза) при съемке на слайд приводит к получению испорченного кадра.


Тестовый слайд Kodak IT-8 при съемке на негативную пленку Fujifilm Superia Reala с экспокоррекцией от -2 до +2 ступеней.
Удовлетворительно переданный диапазон: -1...+2 ступени
Негативная пленка практически без последствий выдерживает передержку на две ступени (в 4 раза). Лишь немного увеличивается контраст и насыщенность цветов изображения. Снимок, снятый с передержкой на одну ступень, практически неотличим от правильно экспонированного. С недодержкой негативная пленка также справляется хуже, чем с передержкой, однако не настолько плохо, как слайд. При недодержке на 1 ступень цвета становятся бледнее, ухудшается передача деталей в тенях, растут шумы (зернистость). При четырехкратной недодержке (-2 ступени) "вялость" снимка становится еще более заметной, зернистость также возрастает. Что, впрочем, не помешает отпечатать при такой недодержке фотографию среднего качества форматом 10х15.
Видимо, не зря, говоря о сенситометрии, были высказаны претензии к привязке чувствительности, а, следовательно, и экспозиции, к уровню черного, что не позволяет (независимо от фотошироты пленки) совершать значительные ошибки в сторону недодержки.


Тестовый слайд Kodak IT-8 при съемке камерой Fujifilm S2 Pro с экспокоррекцией от -4 до +2 ступеней.
Удовлетворительно переданный диапазон: -3...+1 ступень
В диапазоне -3...+1 (5 ступеней) за счет линейной природы ПЗС, цифровые снимки передали оттенки без заметных тональных и цветовых искажений. Запас фотошироты в сторону теней оказался больше, чем слайда и даже лучше, чем у негатива. В области светов S2 Pro показал запас в 1 ступень - чуть меньше, чем имеет позитивная пленка и намного меньше, чем у негативной пленки.
Цифровые камеры традиционно имеют небольшой запас в сторону передержки по сравнению с галогеносеребряной технологией как из-за линейности ПЗС-матрицы, так и из-за особенностей сенситометрии и задачи минимизации шумов (привязка индекса чувствительности и, следовательно, экспозиции, к точке насыщения ячейки). При настолько малом запасе на передержку, камера позволяет делать вполне хорошие снимки с недодержкой на 3 ступени (в 8 раз)! Что позволяет рекомендовать в случае "широкого" сюжета при наличии светящихся источников (небо в кадре) или бликов использовать экспокоррекцию -0.5...-1 ступень. При отсутствии источников света в кадре и съемке небликующих предметов отрицательную экспокоррекцию можно не вводить (чтобы считать объект небликующим, даже снимая портрет, желательно не забывать о минимальном гриме и воспользоваться хотя бы пудрой).


Фрагменты серой шкалы при разной экспозиции при съемке на слайд (Provia 100F). Очевидно, недодержка неизбежно приводит к искажению цветопередачи слайда. При передержке на 2 ступени с трудом, но еще можно разобрать отдельные поля в светах (они находятся в нелинейной зоне ХК, близкой к насыщению). При недодержке в 2 ступени, даже несмотря на 5-кратное уменьшение шкал, становится заметным зерно - вероятно, слайд с такой недодержкой лучше не увеличивать и рассматривать в натуральную величину, при которой зерна еще не видно. Удивительно, но сканер Nikon SuperCoolScan 4000ED не смог передать плотности полей выше 20-го.


Фрагменты серой шкалы при разной экспозиции при съемке на негативную пленку (Superia Reala). Недодержка в 2 ступени привела к сильному увеличению шумов (зернистости) изображения и сократила число отличающихся по яркости полей до 17. При недодержке в -1 ступень передано 19 полей с едва заметным увеличением зернистости. При правильной экспозиции, а также при передержке на 1 и 2 ступени передано 20 полей - столько же, сколько удалось передать при съемке на слайд.


Гистограмма переснятого негатива: сканер не потерял значений ни в тенях изображения, ни в светах. Либо на проявленной пленке не было значений яркости ниже 20-го поля, и более темные поля были переданы такой же плотностью негатива и слайда (что возможно вследствие неправильной проявки в минилаборатории), либо мы видим эффект светорассеяния в действии. Странно только, как с ним справилась S2 Pro при одном и том же объективе, использовавшемся при пересъемке и одинаковых световых условиях (правда, при другом корпусе, ведь Nikon F80 имеет серебристый корпус, что могло привести к отражению света от корпуса камеры обратно на переснимаемый слайд).


Фрагменты серой шкалы при разной экспозиции при съемке камерой S2 Pro в RAW, установлен индекс чувствительности ISO 100.
При передержке на 2 ступени поля 0..3 оказались переэкспонированы, при недодержке в 4 ступени можно распознать поля с 0 по 18 (со значительным уровнем цветного шума), при недодержке в 3 ступени - 21 поле с 0 по 20, при недодержке 1 и 2 ступени, правильной экспозиции и передержке на 1 ступень отличаются по уровню яркости и могут быть распознаны все 24 поля шкалы: с 0 по 23.


Поля L13...L19 тестового слайда, CMYKRGB максимальной насыщенности (слайд Provia 100F).
Наиболее правильная цветопередача, минимально заметная гранулярность и максимальная насыщенность достигнута при передержке на 1 ступень, при передержке в 2 ступени начинается выбеливание цветов (связанное с недостаточно тонким слоем оставшегося после первого - черно-белого проявления и отбеливания, слоя галогенида серебра).
При недодержке в 1 ступень и более цветопередача резко ухудшается, и очень сильно возрастает зернистость.
Приемлемый диапазон коррекции экспозиции 0..+1 ступень.


Поля L13...L19 тестового слайда, CMYKRGB максимальной насыщенности (негатив Superia Reala).
При передержке на 1-2 ступени уменьшается гранулярный шум, и немного возрастает насыщенность изображения. Как и в случае слайда, недодержка приводит к росту шумов, связанных с гранулярностью, и потере насыщенности.
Приемлемый диапазон экспозиций: -1..+2 ступени.


Поля L13...L19 тестового слайда, CMYKRGB максимальной насыщенности.
Благодаря линейности ХК ПЗС-матрицы, искажения цветопередачи не проявляются в очень широком диапазоне экспозиций: от -4 (!) до +2 ступеней. При экспозиции +2 ступени цвета лишь немного осветлились из-за близости к насыщению ячеек матрицы, но искаженными цвета назвать трудно. Шумы становятся заметны при экспозиции -3 ступени.
Приемлемый диапазон коррекции экспозиции: -2...+2 ступени.


Передача телесных цветов, слайд Provia 100F.
При переэкспозиции на две ступени, цвет лица девушки становится неприемлемым. При передержке на одну ступень результат можно назвать приемлемым, при точной экспозиции тон кожи передан правильно. При недодержке на 1 ступень цвет немного искажается, и сильно увеличивается зернистость изображения. При недодержке на 2 ступени уровень шумов становится совершенно неприемлемым.
Допустимый диапазон экспозиций: 0...+1,5 ступени.


Передача телесных цветов, негатив Superia Reala.
При экспозициях -1...+1 ступень цвет кожи передается негативом близко к оригиналу, при передержке на 2 ступени увеличивается насыщенность, и возникают искажения цвета, которые можно считать приемлемыми. При недодержке на 2 ступени резко возрастает уровень шумов гранулярности.
Допустимый диапазон экспозиций: -1...+2 ступени (+2 можно использовать для получения насыщенных и контрастных изображений).


Передача телесных цветов, негатив Fujifilm S2 Pro. Экспозиция -4...-1 ступени


Передача телесных цветов, негатив Fujifilm S2 Pro. Экспозиция 0...+2 ступени
Шумы на снимках камеры S2 Pro становятся заметными при недодержке -3 ступени, однако вполне допустимы и не превышают пленочных шумов, вызванных гранулярностью. При недодержке -4 ступени (в 16 раз) уровень шумов становится неприемлемым. При переэкспозиции на 2 ступени фрагмент находится на грани фотошироты матрицы.
Диапазон приемлемых экспозиций: -3...+1,5 ступени.
Итак, при пересъемке портрета, допустимый интервал экспозиций составил для позитивной пленки 1,5 ступени (0...+1,5), для негативной пленки - 3 ступени (-1..+2) и для камеры S2 Pro - 4,5 ступени (-3...+1,5). Фотоширота в тенях максимальна у S2 Pro, в светах - у негативной фотопленки.