محدوده ديناميكي درعكاسي ديجيتال
محدوده ديناميكي در عكاسي به ميزان اختلاف روشنايي (نسبت)بين روشن ترين نقطه يك منظره و تاريك ترين نقطه آن ( بترتيب رنگ هاي سفيد و سياه ) اطلاق مي گردد .در واقع شخص با رنگ سفيد و سياه واقعي مواجه نمي شود بلكه دو عامل ميزان شدت نور منبع نوري و ميزان بازتاب پذيري (انعكاس) موضوع در آنچه كه ملاحظه مي شود تاثيرگذار مي باشد . بنابراين مفهوم محدوده ديناميكي داراي پيچيدگي هاي بيشتري مي شود و به استفاده از دستگاه ثبت تصوير ( نظير دوربين يا اسكنر )،يك دستگاه نمايش تصوير ( نظير مانيتور يا چاپگر) يا خود موضوع بستگي خواهد داشت .
همانند مقوله مديريت رنگ هريك ازدستگاه هاي زنجيره تصوير فوق داراي محدوده ديناميكي مختص خودشان مي باشند . در چاپگرها و مانيتورها امكان نمايش موضوعي با ميزان روشنايي بيشتر ازبترتيب سفيدي كاغذ وحداكثر ميزان روشنايي پيكسل ها امكان پذير نمي باشد . در حقيقت دستگاهي كه در چرخه فوق به آن اشاره نشده است چشم ما ميباشد ،كه خود داراي محدوده ديناميكي منحصر بفردي ميباشد .برگردان اطلاعات تصوير ازيك دستگاه به دستگاه ديگر منوط به چگونگي بازيابي تصوير ،آنرا تحت تاثير قرار خواهد داد . از اينرو تسلط بر مفاهيم محدوده ديناميكي براي درك تفاوت ميان منظره اصلي ، تصوير حاصل از دوربين ، تصويرنمايش داده شده در مانيتور و در نهايت تصوير چاپ شده با پرينتر بسيار مفيد خواهد بود .
تاثيرنور : درخشندگي و بازتاب پذيري
به كمك محدوده ديناميكي يك منظره ميزان شدت نور برحسب تابش و انعكاس نور تفسير مي گردد .
 |
 |
| انعکاس قابل توجه نور |
نور تابشی نامناسب |
مناظري با تنوع بازتاب بسيار - بالا نظير مناظري با بازتابش شديد كه موضوعي تيره نيز در آن قرار گرفته باشد - شايد در حقيقت نسبت به مناظري كه داراي تنوع نور تابشي بيشتري هستند ؛ داراي محدوده ديناميكي وسيع تري باشند . عكاسي در هر يك از شرايط فوق مخصوصا اگر از روش نوردهي (نورسنجي) نقطه اي استفاده نمائيد ، حتما فراتر از محدوده ديناميكي دوربين شما خواهد بود .
دقت دراندازه گیری میزان شدت نور تابشی یا درخشندگی نور(luminance) برای سنجش محدوده دینامیکی بسیار حائز اهمیت می باشد . در اینجا ما میزان شئت روشنائی(illuminance) را برای نور تابشی در نظر می گیریم . معیار اندازه گیری هر دو عامل luminance و illuminance ، cd/m2 (واحد شمع بر متر مربع) می باشد . مقدار تقریبی منابع نوری متعارف در شکل ذیل نشان داده شده است .
در دياگرام فوق دامنه تغييرات نور تابشي بر اساس مقياسي از توان هاي متوالي عدد 10 نمايش داده شده اند . اگر قسمت هايي از منظره اي بعلت جلوگيري ازتابش مستقيم نور خورشيد در سايه قرار گرفته و ساير نقاط نيز در معرض تابش آن قرار داشته باشد اين منظره داراي نوري ناهمگن خواهد بود ؛ اين مساله خود ميتواند تا حد زيادي در بالا بردن محدوده ديناميكي منظره تاثيرگذار باشد .
دوربينهاي ديجيتال
اگرچه مفهوم محدوده ديناميكي براي يك منظره واقعي ساده - نسبت بين تاريك ترين و روشن ترين نقطه منظره(نسبت كنتراست) - بنظر مي رسد ، اما روند اندازه گيري در دستگاه هايي نظير اسكنرها ودوربين هاي ديجيتال داراي مفاهيم پيچيده تري مي باشد . همانطوركه درباره حسگرهاي دوربين هاي ديجيتال مي دانيد نور اندازه گيري شده در هر پيكسل درحفره اي (photosite) قرار مي گيرد . اندازه هريك از اين حفره ها بعلاوه چگونگي قرارگيري در آنها اندازه گيري مي شود كه تعيين كننده محدوده ديناميكي دوربين هاي ديجيتال مي باشد .
 |
 |
 |
سطح تاریک
(دارای نویز قابل توجه) |
سطح سفید
(ذ رات نوری مناسب) |
سطح سفید تاریک تر
(ذرات نوری اندک) |
اگر اين فتون ها را مثال آب فرض نمائيم اين حفره ها همانند يك سطل مي باشند كه آنها را در بر مي گيرند . بنابراين اگر اين سطل ها بيش از حد پر شوند سرريز خواهند شد .اگر يك حفره نوري (photosite) سرريز كند اصطلاحا به آن مي گويند اشباع شده (saturated) است ، بناباين با با فتون هاي اظافي وارد شده قابل تمايز نمي باشند ، كه در نتيجه در دوربين تراز سفيدي تعيين مي گردد .در يك دوربين ايده آل به تعداد فوتون هاي موجود در هر حفره كه بوسيله كمترين ميزان نور قابل اندازه گيري شده از حفره هاي ديگر متمايز شده اند ، ميزان(نسبت) كنتراست اطلاق مي گردد . اگر هر حفره در خود 1000 فوتون را در بر گرفته باشد ، در نتيجه نسبت كنتراست 1000:1 خواهد بود . از آنجائيكه حفره هاي بزرگتر امكان دربرگيري تعداد بيشتري از فوتون ها را دارا مي باشند ، عموما دوربين هاي انعكاسي در مقايسه با دوربين هاي جيبي - بعلت دارا بودن پيكسل هايي با اندازه بزرگتر - داراي محدوده ديناميكي وسيع تري مي باشند .
نكات فني : در بعضي ازدوربين هاي ديجيتال تنظيمات ISO بسيار پاييني وجود دارد كه نه تنها نويزكمتري ايجاد مي كنند ، بلكه محدوده ديناميكي را نيز كاهش مي دهند . اين مساله بخاطر تنظيمات در اثر نوردهي بيش از اندازه در گشوده ترين حالت ديافراگم مي باشد ، اما - بعلت افزايش سيگنال نوري - بعدا از ميزان روشنايي روشن ترين نقطه تصوير كاسته مي شود (اصلاح نوري مي شود) . بعنوان مثال در دوربين هاي كانن سرعت ISO 50 ماقبل سرعت معمول ISO 100 گنجانده شده است.
در واقع دوربين هاي موجود در بازار امكان شمارش فوتون ها را بطور جداگانه دارا نمي باشند . بنابراين محدوده ديناميكي بوسيله تاريك ترين درجه اي كه ديگر بافت قابل تشخيص نباشد ، محدود مي گردد ؛ كه ما به آن اصطلاحا تراز تاريكي (black level) مي گوئيم . تراز تاريكي با چگونگي صحت اندازه گيري حفره ها تعيين مي گردد ، از اينرو در تاريكي بصورت نويز تصويري ظاهر مي گردد . بنابراين بطور كلي محدوده ديناميكي براي سرعت هاي ISO پايين تر و در دوربين هاي فاقد سنجش نويز افزايش مي يابد .
نكات فني : حتي اگر بتوان تعداد فوتون هاي يك حفره را اندازه گيري نمود ، هنوز هم با نويز فوتون پديدار خواهدشد . نويز فوتون با تغييرات آماري درتعداد فوتون هاي وارده مشخص مي گردد ، بنابراين با حداقل نويز نمايانه مي شود . نويز نهايي حاصل جمع نويرز فوتون و نويز بازخواني شده مي باشد .
درنتيجه محدوده ديناميكي در دوربين هاي ديجيتال به نسبت حداكثر ميزان روشنايي قابل اندازه گيري (در يك پيكسل اشباع )، و حداقل ميزان روشنايي قابل اندازه گيري (فراتر از نويز بازخواني شده ) مي باشد . رايج ترين واحد اندازه گيري محدوده ديناميكي در دوربين هاي ديجيتال ميزان گشودگي ديافراگم (f-stop)كه بيانگر دامنه نوري كه براساس توانهاي متوالي از عدد 2 ارائه مي شود ، مي باشد . نسبت كنتراست 1024:1 بدين معني است كه داراي محدوده ديناميكي از 10 f-stop (چونكه 1024 برابر است با 2 بتوان عدد 10 ) مي باشد . بسته به نوع برنامه كاربردي هر واحد همچنين ممكن است بيانگر يك "zone" يا "eV" باشد .
اسكنرها
در اسكنرها نيز معيار "نويز : اشباع شدگي " به اندازه تعيين محدوده ديناميكي در دوربين هاي ديجيتال مطرح است ، با اين تفاوت كه در اسكنر ها بر اساس چگالي ( D ) مطرح مي شود . اين مساله بخاطر اينكه از لحاظ مفهومي شبيه به رنگ دانه هاي توليد شده در ابزارهاي چاپ - همانطوري كه در تصاوير پايين مشاهده مي شود - مي باشد .
 |
 |
 |
قابليت انعكاس پايين
(چگالي بالا) |
قابليت انعكاس بالا
(چگالي پايين) |
چگالي رنگدانه بالا
(طيف تاريك تر) |
چگالي رنگدانه پايين
(طيف روشن تر) |
بنابراين هنگام برآورد محدوده ديناميكي سنجش صحيح شدت نور يا روشنايي (نورسنجي) بسيار قابل تامل خواهد بود . در اينجا از عبارت illuminance (شدت روشنائي) بطورخاص براي تعيين نور تابشي استفاده مي كنيم .هم شدت روشنايي (illuminance) و هم روشنايي (luminance) با واحد شمع بر متر مربع (cd/m2) سنجيده مي شوند . با تقريب مقادير متعارف براي منابع نوري مختلف در شكل ذيل نشان داده شده است .
محدوده دینامیکی
تصویر اصلی |
|
| |
محدوده دینامیکی
اسکنر |
عموما سازنده هاي اسكنر بجاي ارائه ليست چگالي نهايي (D) ليست Dmax را ارائه مي كنند چون مقدار Dmax - Dmin تقريبا برار با Dmax مي باشد . به اين دليل كه برخلاف دوربين هاي ديجيتال در اسكنر كنترل كامل بر منبع نوري وجود دارد (منبع نوري در اسكنر تعبيه شده است) ، و هميشه وجود اشباع نوري به اندازه حداقل تضمين شده است .
براي رنگدانه هاي با چگالي بالا همانند دوربين هاي ديجيتال (چون هر دو از آرايه اي از حفره ها براي اندازه گيري استفاده مي كنند) همان نويز هاي اجباري پديدار خواهند شد . بنابراين Dmax قابل اندازه گيري بوسيله نويز ايجاد شده در هنگام باز خواني توسط سيگنال نوري تعيين مي شود .
مقايسه
محدوده ديناميكي داراي طيف بسيار متفاوتي مي باشدكه مطابق عرف با مقياس لگاريتمي سنجيده مي شود ، نظيرشدت سختي زلزله هايمختلف كه با مقياس ريشتراندازه گيري مي شود . در اينجا ما حداكثر محدوده ديناميكي قابل اندازه گيري در چند دستگاه مختلف براساس مقياس هاي پيشنهادي (f-stops ، چگالي و نسبت كنتراست) را نشان داده ايم .
| معیار سنجش محدوده دینامیکی را انتخاب نمائید : |
| گشودگی دیافراگم |
شدت روشنائی |
نسبت کنتراست |
| نوع نمایش در شکل بالا را انتخاب نمائید : |
| ابزار چاپ |
اسکنر |
دوربین دیجیتال |
ابزار نمایش : |
Printed Media
Scanners
Digital Cameras
Display Devices
همانطور كه ملاحظه مي كنيد عمده ناهمخواني ها مربوط به محدوده ديناميكي قابل تكثير در پرينت ها ميباشد ، درصورتيكه در اسكنر ها و دوربين هاي ديجيتال اين مقادير بين مقادير ه مي باشند .دوربين هاي ديجيتال قابل محاسبه مي باشند . بعنوان مقايسه محدوده ديناميكي يك منظره در عالم واقع را در نظر بگيريد؛ اين مقدار بطور تقريبي از 3 f-stops براي يك روز ابري با بازتابش همگن تا 12+ f-stops براي يك روز آفتابي با بازتابش بسيار ناهمگن ، متغير مي باشد .
هنگام تفسير اعداد نمودار هاي فوق بايد مراقب باشيد ؛ در عالم واقع محدوده ديناميكي يك عملكرد قوي از نور محيطي در پرينت ها و ابزارهاي نمايش ميباشد . پرينت هايي كه نورشان كمتر از حداقل نور مورد نيازشان باشد ، ديده نمي شوند ؛ چون احتمالا از محدوده ديناميكي كامل برخوردار نمي باشند ؛ درصورتيكه در نمايشگرهاي تصوير- بخصوص در نمايشگرهاي پلاسما - بمنظور استفاده از تمام پتانسيل شان از تاريكي تقريبا كامل استفاده مي كنند . در نهايت اين مقادير صرفا خام مي باشند كه بصورت تقريبي مطرح مي شوند ؛ حال آنكه مقدار واقعي را عواملي چون قدمت ابزار ، مدل توليد شده و حدود قيمت آن و... تعيين مي نمايند .
آگاه باشيد كه نسبت كنتراست در نمايشگرها بطرز اغراق آميزي زياد مي باشد ، چون توليد استانداردي جهت فهرست كردن آنها در دست نمي باشد . براي نسبت كنتراست بيش از 500:1 بجاي نمايش نقاط روشن تر ازنقاط تيره تر استفاده مي كند. به همين منظور علاوه بر نسبت كنتراست بايد درخشندگي را نيز در نظرگرفت .نسبت كنتراست بالا (بدون در نظر گرفتن سهم بالاي درخشندگي) را مي توان حتي با نور شمع موجود در محيط خنثي نمود .
چشم انسان
چشم انسان در عمل داراي درك وسيع تري از محدوده ديناميكي نسبت به دوربين موجود در بازار مي باشد . اگر موقعيتي را درنظر بگيريم كه در آن مردمك چشم ما گشوده شده باشد و براي ميزان نورهاي متغير بتواند تنگ شود ، چشم ما مي تواند محدوده ديناميكي اي در حدود 24 f-stops را ببيند .
ازطرف ديگر در مقايسه دقيق با يك تك عكس (با فرض ثابت بودن گشودگي ديافراگم و سرعت شاتر و سرعت ISO ) چشم ما (در شرايطي كه ميزان گشودگي مردمك چشم ما تغيي نكند)فقط محدوده ديناميكي آني را لحاظ مي كند . اين امر شبيه به اين است كه به يك ناحيه از يك منظره نگاه كنيم و اجازه دهيم چشممان بدون اينكه به ساير نقاط بنگرد ، خود را تطبيق دهد . درباره اين سناريو مخالفت هاي زيادي وجود داردچون حساست و محدوده ديناميكي چشم ما در عمل براساس ميزان روشنايي و كنتراست تغيير مي كند . بيشترين تخمين در هر جاي ممكن از 10 تا 14 f-stops مي باشد .
در مورد معماي اين اعداد به اين نكته مي توان اشاره كرد كه چشمان ما داراي درجه سازگاري ( انعطاف پذيري ) بسيار بالا مي باشند . براي ديدن منظره اي از ستارگان در حالتي كه نور بسيار اندك است ( جايي كه چشم ما خود را جهت استفاده از امكان ديد در شب تطبيقمي دهد ) ، چشم ما تا حد بالاتر از محدوده ديناميكي آني نيز نزديك مي شود .
عمق بيتي و سنجش محدوده ديناميكي
حتي اگر يك دوربين ديجيتال داراي محدوده ديناميكي وسيعي باشد ، دقت مورد نياز جهت تبديل نور اندازه گيري شده به مقادير ديجيتال سبب ايجاد محدوديت درمحدوده ديناميكي مي شود .ابزاري كه وظيفه تبديل مقادير پيوسته اندازه گيري شده به مقادير عددي گسسته را دارا مي باشد را مبدل آنالوگ به ديجيتال (A/D) مي نامند . صحت كار مبدل A/D همانند عمق بيتي در تصاوير ديجيتال بر اساس بيت هاي بسيار دقيق مي باشد ، اگرچه بايد حواسمان راجمع كنيم تا بين اين مفاهيم اطلاعات قابل مبادله اي وجودندارد . مبدل A/D همان ابزاري است كه مقادير را براي فايل هاي با فرمت RAW در دوربين هاي ديجيتال بوجود مي آورد .
| دقت بیتی مبدل دیجیتال / آنالوگ |
نسبت کنتراست |
محدوده دینامیکی |
| گشودگی دیافراگم |
شدت روشنائی |
| 8 |
256:1 |
8 |
2.4 |
| 10 |
1024:1 |
10 |
3.0 |
| 12 |
4096:1 |
12 |
3.6 |
| 14 |
16384:1 |
14 |
4.2 |
| 16 |
65536:1 |
16 |
4.8 |
نكته : مقادير فوق صرفا مربوط به مبدل A/D مي باشد و نبايد براي توصيف فايل هاي تصويري 8 و 16 بيتي استفاده شود . علاوه بر اين مقادير ارائه شده از لحاظ تئوري بميزان حداكثر و با فرض عدم وجود نويز مي باشد . درضمن اين فقط براي مبدل هاي A/D خطيمي باشد ، محدودؤ ديناميكي لزوما بامبدل هاي A/D غيرخطي مرتبط نمي باشند .
بعنوان مثال يك گستره رنگي با دقت بيتي 10 امكان تبديل به روشنايي در محدوده 0 - 1023 (تا 2 بتوان 10 معادل 1024) را دارا مي باشد . با فرض اينكه هر عدد حاصل از مبدل A/D متناسب با روشنايي تصوير واقعي باشد ، يك ترجمه با دقت بيتي 10 فقط مي تواند نسبت كنتراستي معادل 1:1024 را كد گذاري نمايد .
بيشتر دوربين هاي ديجيتال از دقت بيتي معادل 10 تا 14 استفاده مي كنند، ازاينرو از لحاظ تئوري حداكثر محدوده ديناميكي به 10- 14 محدود مي شود . اما اين عمق بيتي بالا فقط جهت به حداقل رساندن پوستري شدن تصوير مي باشد،چون محدوده ديناميكي كلي معمولا بوسيله ميزان نويز محدود مي شود . همانگونه كه عمق بيتي بالا در يك تصوير لزوما به معني دارا بودن رنگ هاي بيشتري نيست ، بالا بودن عمق بيتي يك مبدل A/D نيز لزوما به معني ثبت محدوده ديناميكي وسيع تر نمي باشد . در عمل محدوده ديناميكي در يك دوربين ديجيتال بر اساس حداكثر مقدار بيتي مبدل A/D نمي باشد و حداكثر دقت بيتي كه افراد از يك دوربين انتظار دارند بين 5 تا 9 مي باشد .
تاثير نوع تصوير و منحني گستره رنگي (تونال)
آيا تصاوير ديجيتال در دوربين هاي پيشرفته قادر به ثبت محدوده ديناميكي كامل مي باشند؟ با يك بررسي در اينترنت درمي يابيم كه نظرات بسيار متفاوتي درباره رابطه عمق بيتي تصوير و محدوده ديناميكي قابل ثبت وجود دارد .
ما بايد در اولين قدم مشخص نمائيم كه ميخواهيم در مورد محدوده ديناميكي قابل ثبت صحبت كنيم يا محدوده ديناميكي قابل نمايش .با فرض اينكه دوربين داراي مبدل A/D با دقت بيتي مورد نياز باشد و تبديل از فرمت RAW بدرستي انجام شده باشد و همچنين داراي منحني گستره رنگي تصحيح شده باشد ؛ يك فايل تصويري با فرمت JPEG با دقت بيتي 8 نيز امكان ثبت محدوده ديناميكي بي نهايت را دارا خواهد بود . اما مشكلي كه در استفاده از اين محدوده ديناميكي وجود دارد اين است كه اگر از تعداد بيت كمي جهت گستره رنگي وسيعي استفاده شود ، منجر به پوستري شدن تصوير خواهد شد .
از طرف ديگر محدوده ديناميكي قابل نمايش به تصحيح گاما يا نمودار گستره رنگي ضمني فايل تصوير ،يا به كارت گرافيكي و نمايشگر بستگي دارد . از لحاظ تئوري مقدار گاماي 2.2 (استاندارد كامپيوترهاي شخصي) امكان كدگزاري تقريبا 18 f-stops را دارا مي باشد .هرچند اين خود منجر به پوستري شدن به مقدار زياد مي شود . تنها راه حل استاندارد براي كدگزاري تقريبا بي نهايت محدوده ديناميكي ( بدون پوستري شدن مشهود ) استفاده از تكنيك تصاوير high dynamic range يا (HDR) در برنامه فتوشاپ مي باشد .
منابع : http://www.cambridgeincolour.com/tutorials/dynamic-range.htm
ترجمه : جابر يزدانخواه كناري
