חדשות הצילוםביקורותמאמריםפורום צילום d-spot.co.il  

לפרק את המצלמה לביטים – טווח דינמי

מאת:

טווח דינמי.
מין מילת קסם שכל מצלמה מתהדרת באחד כזה ובדך כלל ב"מורחב". מבלי לגלוש למאמר טכני שיגרום לרוב הגולשים להתעטף בשמיכה ולעבור למצב מאוזן אני אנסה קצת לעשות סדר במושג הזה. קצת להסביר את המשמעות הטכנית של המושג וכיצד הוא משרת אותנו בעולם הצילום.

במאמר נתאר עולם מונוכרומטי, כלומר שחור / לבן כשההבדל בין איזור לרעהו הינו רק ברמת הבהירות. הצבע הבהיר ביותר בעולמנו יהיה לבן ואילו הכהה ביותר יהיה שחור ובינהם כל סקאלת הבהירויות שבמקרה דנן, הינה גווני אפור.

נתחיל עם מספר הגדרות. רובן תרגום לא מחייב שלי. אך עדיין ביכולת הגדרות אלו לתאר בקירוב מספיק את העולם האלקטרוני של התמונה.

  • אות – מידע שמופיע בצורה אלקטרונית. לדוגמה האות מחיישן התמונה במצלמה שלכם – מספר הפוטונים (רמת הבהירות) כפונקצייה של מיקום במרחב. כל אחד ואחד מהפיקסלים הופך פגיעת "פוטון" לזוג אלקטרון חור ואוגר אותם כאות חשמלי.
  • רעש – רכיב מידע אנומלי ש"רוכב" על האות ולא ניתן להפרדה מלאה ממנו. זהו הגורם המגביל של איכות התמונה. לרוב במצלמה החלוקה נעשית ל-2 סוגי רעש:
    • רעש קריאה – לרוב, בשיחות הסלון של הפורומים מאגד בתוכו את כלל הרעש שאינו מקורו באופיו של האור. כלומר, רעש רקע, רעש קוואנטיזציה וכו'. למתעניינים בנתון, רעש זה הינו למעשה סטיית התקן של ערכי הבהירות (בניקוי הרעש הפוטוני). מעשית, רעש זה מהווה את רמת אי הוודאות בערך הבהירות שקיים באות.
    • רעש פוטוני – רעש שמקורו באופיו הקוואנטי של האור. תרגיל מחשבתי קצר שיתאר את אופי הרעש של הרעש הפוטוני: נאמר שיש לנו "מונה פוטונים" מושלם. כלומר רכיב שסופר כמה פוטונים פגעו בו בדיוק מושלם (ללא "רעש קריאה"). נצלם בעזרתו קיר לבן מואר באופן אחיד ובאופן מושלם ונבצע ניתוח סטטיסטי כל כמות הפוטונים שפגעה בכל תא. נגלה שלמעשה בניגוד לציפייה מספר הפוטונים שפגעו בכל תא אינו שווה. למעשה הוא מתפזר באופן פואסוני. כלומר רעש הינו תכונה אינרטית בדגימה של אור.
  • קיבולת רוויה – מספר האלקטרונים המירבי שתא (פיקסל) יכול לאגור. כלומר מכמות זו ואילך הוא "אדיש" לפגיעת פוטונים נוספת – רווי.
  • טווח דינמי – תחום הערכים בין האות הקטן ביותר שהחיישן יכול למדוד (רעש הקריאה) לאות הגדול ביותר (קיבולת הרוויה) מתמטית הפעולה הינה חלוקה של קיבולת הרוויה ברעש הקריאה. נניח חיישן בעל רעש קריאה של 10 אלקטרונים וקיבולת של 40,000 אלקטרונים. לחיישן כזה טווח דינמי של 4000. מכאן ישנם 2 סרגלי מדידה נפוצים ועוד סרגל נוסף נפוץ בעולם הצילום. הסרגל הראשון הינו סרגל "דציבלים" והשני סרגל של טווח הביטים הנדרש לתאר טווח דינמי (Bit Depth).
    סרגל נוסף, שבעיקר קיים בעולם הצילום הינו סרגל של סטופים. כאשר כל סטופ מתאר כמות כפולה של אור. למעשה, סרגל זה חופף לגמרי לסרגל טווח הביטים מאופיים המתמטי הזהה.

עכשיו, מצויידים בשפה משותפת אנחנו יכולים להתמודד עם המונח – "טווח דינמי" במובן הצילומי שלו.
בכל סצנה יש נקודה שהיא הבהירה ביותר ונקודה שהיא הכהה ביותר. לטווח הערכים בינהן נקרא סרגל הבהירות של הסצנה.
ברור לנו שבסרגל הבהירות הזה יכולים להופיע גוונים, ערכי ביניים בין הלבן לשחור. בעולם שלנו, אנלוגי ורציף, לכאורה ישנם אינסוף גווני ביניים. בדיוק כמו לשאול כמה מספרים ישנם בין המספר 0 ל- 10 כאשר איננו מוגבלים לגודל ה"פסיעה" בין מספרים.

כעת נעבור לחיישן. חיישן תמונה מודרני בבסיסו הוא "מונה פוטונים". כלומר סופר כמה פוטונים פגעו בכל פיקסל בו ומתרגם זאת למתח חשמלי. התהליך הפיסיקלי הוא שפגיעת פוטון יוצרת זוג "אלקטרון חור" במצע הסיליקון וזוג כזה יוצר מתח.
לשם הפשטות, נעשה הקבלה של 1 ל-1 בין פוטונים לאלקטרונים ומבחינתנו החיישן "מונה אלקטרונים".
חדי העין הבחינו כבר שבניגוד לעולם האנלוגי, זה עולם דיסקרטי – המספרים שלמים ויש גבול לכמות ערכי הביניים. כלומר מספר הגוונים שהחיישן יכול להבחין בו הינו מוגבל. אם נחזור לדוגמה של ספירת מספרים בין 1 ל-10, הרי שיש לנו גודל פסיעה מינימלי שמגביל את כמות ערכי (מספרי) הביניים.
כעת ע"מ לתאר את יכולות הפיקסל אנו זקוקים למידע על שתי יכולות עיקריות של הפיקסל:

  1. כמה אלקטרונים יכול כל פיקסל להכיל – סף קיבולת הרוויה שלו.
  2. מהו כושר ההבחנה (המנייה) של החיישן – מספר האלקטרונים המינימלי המייצג הפרש בין גוונים. כלומר מהו ההפרש בין שני גוונים הקרובים (מבחינת רמת הבהירות) ביותר אחד לשני. באנלוגיית המנייה, זהו גודל הפסיעה – מעשית זהו "רעש הקריאה" כפי שהגדרנו אותו.

הטווח הדינמי למעשה הינו חלוקה של פרמטר מס' 1 בפרמטר מס' 2.
תחשבו על סרגל בהירות, קיבענו את הנקודה הלבנה, ובצד השני שחור. בין לבין יש לנו "פרוסות" (עולם דיסקרטי) שכל אחת מהן בעלת בהירות שונה. רעש הקריאה קובע את עובי הפרוסות ומכאן את כמותן. כלומר כמות גווני הביניים שממשית החיישן יכול להבדיל בינהן. ובכך בנינו את טווח הגוונים של המצלמה שלנו.
ובצורה מעט יותר מוחשית, נחזור לחיישן שלנו. הרוויה שלו נתונה ב- 40,000 אלק' ורעש הקריאה שלו הינו 10 אלק'. הטווח הדינמי שלנו הוא 4000. וניתן לתאר אותו במלואו (את כל טווח הבהירויות של החיישן) ע"י אורך מילה של 12 ביט (4096 "קפיצות מדרגה" או "פסיעות").
זוהי הנקודה הבעייתית לרוב האנשים, בעוד שקל להבין מהו הטווח הדינמי מבחינת יחס בין ערך גבוה לערך מינימלי, הקושי מצוי ביכולת להבין מדוע נתון זה גם קובע את טווח הגוונים האפשרי.

אם כך, מדוע?

כפי שאמרתי, רעש קריאה הינו סטיית התקן של ערכי הבהירות בחיישן (עבור פריים שחור). משמעות הדבר היא שכל ערך הקטן מערך זה "נבלע" בתוך הרעש ולכן אין טעם בלדרג את ערכי הבהירות של החיישן במדרגות "עדינות" יותר. שכן אין וודאות אמיתית במידע זה, האם מקורו ברעש וסטייה של החיישן או שמא בבהירות שונה ממשית. רעש הקריאה מעשית מגדיר את סף "הרגישות" של החיישן. הוא רמת אי הוודאות במדידה.
הדבר שקול למישהו יודע להעריך במבט עיניים כמות של גרגרי חול בערימת חול. ונאמר שטווח הטעות שלו 20 גרגירי חול (מה שנקרא "פלוס מינוס 20 גרגירים"). הרי שאין טעם לתת לו להבדיל בין ערימות שהפרש כמות הגרגרים בינהן קטן מ-20.
ולכן לחיישן בעל טווח דינמי של 12 סטופים (12 ביטים, או 72 דציבלים), אין טעם באורך מילה של מעל ל- 12 ביט, שהרי המילה יותר "רגישה" לגוונים מיכולות החיישן.

אם כך, מדוע היצרנים משתמשים באורך מילה גדול מהטווח הדינמי?
מלבד האפקט השיווקי של העניין אורך מילה גדול יותר נותן ליצרן יכולות עיבוד טובות יותר. זהו מגרש משחקים גדול יותר.
לדוגמה תהליכי הסרת רעש, שבבסיסם הם תהליכי מיצוע של ערכים, יוצאים נשכרים למדי מתוספת זו. שכן נוספו ערכי מיצוע המאפשרים הדרגתיות נוספת ובכך מראה "חלק" יותר (פחות טעויות "עיגול" – קוואנטיזציה). למעשה דגימה של האות מהחיישן בעומק סיביות גבוה יותר, גם אם אין בו מידע ממשי (כלומר וודאות בהבדלים של רמת הבהירות בין האיזורים), מאפשר מעבר גוונים חלק יותר במימוש נכון ע"י ניחוש מושכל של היצרן. אין בניחוש זה מידע "אמיתי", כלומר מידע וודאי על הבדלים ברמת הבהירות בין האיזורים, אבל "פרשנות" אינה חייבת להיות נאמנה למציאות. זה כבר תחום שנוגע לעיבוד תמונה ולאופי שהיצרן רוצה להעניק לתוצר שלו. ולזה האחרון קשר לא בהכרח ישיר ליכולות החיישן (כפי שתוארו).

נחזור לסצנה שלנו,
כפי שאמרנו, בכל סצנה יש נקודה שהיא בעלת הבהירות הגבוהה ביותר ונקודה בעלת הבהירות הנמוכה ביותר.
אם היחס בין ה- 2 קטן מהיכולות של החיישן נוכל בעזרת פרמטרי החשיפה לקבוע את הגוון היחסי ולמקם אותם בסקאלת הגוונים של החיישן.
אם היחס בין ה-2 גדול מיכולות החיישן, הרי שניאלץ לקבע אותן כנקודות קצה (שחור ולבן) וללא יכולת לקבל פרטים ממשיים (לפחות לגבי אחת מהנקודות).

מעשית, מה נותן לנו טווח דינמי?

בתוך סצנה שטווח הבהירות שלה קטן מהטווח הדינמי של המצלמה, הטווח הדינמי מהווה "מזרון רך" ליפול עליו. כלומר הוא יכול לתת לנו מרחב טעות בחשיפה שלנו מבלי לאבד מידע ממשי על הסצנה. לדוגמה, חשפנו עם פיצוי שלילי ולכן החלקים הכהים בסצנה לא נחשפו בצורה אופטימלית. במצלמה עם טווח דינמי קטן, מהר מאוד איזורים אלה נהפכים לאטומים מאידך מצלמה עם טווח דינמי גדול יחסית תוכל לחפות על הטעות ונוכל להבהיר איזורים אלו במחיר נמוך יחסית של רעש.
בכלליות, טווח דינמי מאפשר לנו לדלות יותר פרטים מטווח גדול יותר של בהירויות.
מצלמה עם טווח דינמי גדול לעומת רעותה גם לרוב מספרת על חיישן "נקי" יותר.

כיצד זה מתבטא בתמונה?

זה כבר עניין עמוק של עיבוד תמונה. צריך לזכור, לרוב התוצר שלנו הינו קובץ JPEG עם טווח בהירות קטן מכל מצלמה מודרנית. יש פה תהליך של דחיסת מידע הבהירות ולכאן נכנסות עקומות ייחודיות של כל יצרן. הפשרות והפרשנויות שלו לתמונה. זה כמו שמיכה שמכסה שחקן כדורסל, בלילה, לחלק כלשהו בגוף יהיה קר.
כלומר, לא תמיד מצלמה עם טווח דינמי עדיף בהכרח בעלת איכות תמונה גבוהה ויש פה הרבה עניין של טעם. למעשה, התיקון הראשוני שרובנו עושים לתמונה – Auto Levels מקטין את הטווח הדינמי ע"י "סגירת קצוות" וקביעת נקודה לבנה ושחורה. טווח דינמי של מערכת החיישן מבטאת פוטנציאל, וכל יצרן ממצה אותו באופן שונה, חלקם טוב יותר וחלקם פחות.

לסיכום, טווח דינמי הוא מונח המאגד בתוכו למעשה את היכולת העיקרית של החיישן. כמה פוטונים הוא מסוגל לספור וכמה מדוייק הוא מסוגל לספור אותם. מבחינתי, זה הנתון הטכני הכי חשוב כאשר אני בוחן מערכת מצלמה מבחינת איכות התמונה הגולמית שלה.

אני מקווה שבמסגרת הטווח הדינמי של המילים הצלחתי לעשות את הנושא יותר "בהיר".
אם לא, בתחתית העמוד יש קישור לדיון בנושא בפורום, אשמח לחדד ולהבהיר כל שאלה שתעלה בנושא (במידה ואהיה מסוגל לענות עליה).

תגים: ,

  • מאת כוחה של תמונה - הסקירות של קנון 50D» d-spot.co.il:

    […] החיישן מה- Canon 40D. ניגשתי למבחן ה- Imatest ובעיקר חיפשתי אחר הטווח הדינמי של ה- Canon 50D ושל ה- Canon 40D באתר Imaging Resource. חיפשתי את הגרף […]

  • מאת השוואת תוכנות הסרת רעש - דצמבר 2008» d-spot.co.il:

    […] נגענו בנושא הרעש בהקשר של טווח דינמי. כעת הרעש מקבל אופי מעט שונה (נראה לעין ולא מתחבא […]