Dynamic range
.
   
   
   
.
 
 

Dynamic range, dynamisch contrast bereik of ook contrast diepte van een foto geeft aan hoeveel contrast stappen zichtbaar zijn op een foto.
Het is de som van alle elementen in de ketting tussen keuze van: opname - camera - fotobewerking/fotobestand en het visueel maken van de foto (monitor of print).
Ieder onderdeel heeft zijn eigen beperking op het contrast bereik van de foto.

 

De keuze van de opname - Zone systeem

Het contrast bereik begint met de keuze en kadrering van het onderwerp.
Om hierbij een hulp te zijn heeft fotograaf Ansel Adams het "Zonesysteem" bedacht.
Bedoeling is dat bij de keuze van het onderwerp, in de foto zoveel mogelijk van de verschillende contrast zones voorkomen.

Het "zonesysteem" bedacht door Ansel Adams, verdeelt het bruikbare dynamisch bereik van zwart tot wit in 10 gelijke "licht niveau" zones.
Het zonesysteem is logaritmisch opgebouwd: Iedere opeenvolgende zone heeft een 1 stop (1 eV) hogere of lagere licht intensiteit.
Lineair betekend dit een contrastverhouding van 1024:1 (10 stops)
In de uiterste zones: 0= zwart en 9 (wit) zijn geen structuren meer zichtbaar.
Het is de bedoeling dat bij het nemen van een foto zoveel mogelijk alle zones in de foto aanwezig zijn (alle gradaties tussen zwart en wit)
Door dit zone systeem te hanteren is het mogelijk om bij het maken van de foto reeds een idee te hebben hoe de foto er afgedrukt zal uitzien.
Iedere schakel : Camera- monitor -printer- menselijk oog, heeft zijn eigen dynamisch bereik, het resultaat wat we "zien" zal dus afhangen van het geheel van de verschillende schakels samen

Dynamisch bereik van het menselijk oog

Zonder pupil aanpassing kan het menselijk oog 10-14 stops lichtvariaties onderscheiden.
Het oog-pupil past zich echter heel snel aan, aan de lichtintensiteit van het onderwerp waarop het oog gefocusseerd is, op die manier is het mogelijk om lichtintensiteit verschillen tot 24 stops te onderscheiden.
Merk op dat het oog een logaritmische lichtgevoeligheids curve heeft, iedere stop is een verdubbeling van de hoeveelheid licht.
Ten aanzien van het aantal kleuren kan het oog +/-10M verschillende kleuren/contrasten onderscheiden.

Analoge film

Afhankelijk van het type film, heeft een standaard z/w negatief film 7-10 stops dynamisch bereik.
Hoe ongevoeliger de film hoe groter het dynamisch bereik (minder ruis)
Bij de uiterste randen (zwart en wit) buigt de gevoeligheidscurve af, maar loopt niet vast, waardoor ook in de uiterste zwart en wit niveaus details zichtbaar blijven. Hij is dus weinig gevoelig voor overbelichting.
Een analoge negatief film heeft ook een logaritmische gevoelgheids curve, de gevoeligheidscurve van een negatief film is dus afgestemd op die van het menselijk oog.

Digitale camera.

De Beeldsensor

De sensor van een digitale camera geeft een lineair signaal af: een dubbele hoeveelheid licht (1 lichtstop) geeft een dubbel signaal af.

Het contrast bereik van een camera is de verhouding tussen de max. en min. meetbare lichtintensiteit in een foto.
Het contrast bereik van een digitale camera wordt in hoofdzaak bepaald door de sensor van de camera.
De kwaliteit van de lenzen hebben ook in mindere mate een beperkende invloed
Het contrastbereik kan je dan ook definiëren als de verhouding tussen het hoogste (bij wit) en het kleinste signaal (bij zwart) dat de sensor kan afgeven
Het hoogste signaal bij wit wordt in grote mate bepaald door de grootte van de sensor elementen.
Een sensor bestaat uit verzameling sensor elementen (ook sensels genoemd) die worden opgevuld met fotonen, hoe groter de sensel, hoe meer fotonen een sensel kan bevatten, hoe hoger het dynamisch bereik.
Het sensor signaal bij zwart, wordt beperkt door de ruis die een sensel genereert.(zie ook :Beeldsensor)

Digitale camera's hebben in korte tijd een heel snelle evolutie ondergaan.
Waar in de begin periode digitale camera's een contrast verhouding hadden van 6-7 stops ,
hebben moderne camera's een contrast bereik van 8-12 stops, wat hoger is dan een analoge negatief film
v.b. Nikon D800 heeft een contrastverhouding van 14,4EV (stops)

De dynamic range van een camera wordt bij " zwart" beperkt door de aanwezigheid van ruis.
Hoe hoger de ISO gevoeligheid hoe meer ruis.
De Dynamic range van de camera zal het grootst zijn bij de laagste (standaard ) ISO waarde.
Gebruik zo weinig mogelijk de "uitgebreide" ISO waarden (-0.5, -1eV), bij deze ISO waarden wordt de dynamich range ook beperkt.

 

De Analoog/Digitaal converter

De sensor van de digitale camera geeft een (analoog) signaal af, afhankelijk van de hoeveelheid licht dat op het sensor element valt.
Om hiermee een digitale foto te maken zal dat signaal moeten omgezet worden in een digitaal signaal (nullen en enen)
Dit wordt gedaan door een Analoog/Digitaal (A/D convertor) in de camera.

De sensor spanning bij zwart is =0 (als we de ruis verwaarlozen), en is max. bij max. wit
In bovenstaand voorbeeld is een dynamisch bereik van 6 stops uitgewerkt.(blauwe curve)
De spanning van de sensor wordt in het v.b. door een 4bit A/D convertor opgedeeld in 16 gelijke stappen
(rode curve)

Bemerk:

  • De sensor geeft een lineair signaal af, bij halve lichtintensiteit (-1 stop) is het sensor signaal gehalveerd.
  • Als voorbeeld wordt het volledige bereik van de sensor spanning door de A/D convertor in 16 stappen verdeeld,
    een variatie van het analoog signaal binnen een stap (x) geeft geen verschil op het digitale resultaat.
  • lichtstop (0) wordt in ons vb in 8 digitale stappen verdeeld, de helft van het aantal beschikbare digitale stappen..
    stop -1 : neemt de helft van de rest : 4 in ons v.b.
    Stop- 2 :wordt nog in 2 digitale stappen onderverdeeld.
    Stop -3 : heeft nog 1 digitale stap
    Stop -4 en -5 worden samengevoegd tot 1 digitaal resultaat.

 

Met logaritmische schaal:

Zelfde grafiek als hierboven:
Sensorspanning in functie van de belichting, maar de horizontale as is in analogie met de analoge film en ooggevoeligheids curve omgezet naar een logaritmische schaalverdeling.
Ook hier is een 4 bit A/D conversie voorgesteld, de helderste stop wordt met de A/D convertor omgezet in 8 digitale stappen, de stop -2 , in 4 digitale stappen,...enz

 

Gamma correctie

Gamma correctie : voordat het sensor signaal wordt gedigitaliseerd wordt een gamma correctie toegepast, hierdoor wordt de contrast curve logaritmisch gemaakt, waardoor ze meer aansluit bij wat het menselijk oog ziet en waardoor de donkere gedeeltes meer contraststappen hebben bij het digitaliseren
Er bestaan verschillende gradaties voor de Gamma correctie, een 2.2 gamma correctie (standaard sRGB) wordt het meest toegepast

Als we het lineair signaal van de sensor zouden digitaliseren, dan worden de donkere gebieden zeer sterk benadeeld in de analoog /digitaal omzetting. Het helderste gebied (0-1stop) zou worden opgedeeld met de helft van de beschikbare A/D stappen, de volgende stop, de helft van de helft,..enz. In de donkere gedeelten blijven amper nog digitale stappen over.
Daarom voert men vóór het digitaliseren van het signaal een "Gamma" correctie in.
Door de gamma correctie worden de signalen afkomstig van donkere gebieden supplementair versterkt, terwijl signalen afkomstig van heldere gebieden enigszins verzwakt worden, dit sluit ook meer aan bij de contrasten zoals we die met het menselijk oog kunnen "zien"
Op die manier verkrijgt men ook voor de digitale camera, net zoals een analoge film, een logaritmische gevoeligheids curve.
De sensor signalen van zowel de donkere als de heldere gebieden worden nu gelijkmatig door de A/D convertor gedigitaliseerd.
De gamma correctie gebeurt voor de 3 hoofdkleuren (R-G-B) afzonderlijk.
Door de Gamma correctie hebben we dus geen exacte weergave meer (donkere gebieden worden helderder gemaakt) van wat de beeldsensor ziet, deze gamma correctie zal later in de monitor gedeeltelijk moeten gecompenseerd worden voor een correcte weergave van contrasten en kleuren.

Evolutie : Analoog / Digitale omzetting in de camera.

De camera's van de 1ste generatie hadden als output bestand enkel "jpeg" codering, het signaal van de sensor werd gedigitaliseerd met een 8 bit A/D convertor (256 stappen /kleur)
Een dynamisch bereik van de sensor van meer dan 8 stops had dus weinig zin bij deze camera's.

Ondertussen is zowel het dynamisch bereik van de sensor , als de A/D converter heel snel geëvolueerd:
Huidige camera's hebben een dynamisch bereik tot 14 eV (stops) en een A/D converter van 14bit,
wat betekend dat het analoog signaal van de sensor in 16.384 (2 exp.14) contrast stappen wordt verdeeld door de A/D converter.

Een dergelijke camera is dus in staat om de 10 zones correct weer te geven en heeft nog 4 lichtstops reserve. Hierdoor is het mogelijk om zelfs bij overbelichte scenes contrasten terug te halen.
Merk wel dat dit enkel geldt voor RAW beelden, door de compressie bij andere foto formaten (vb .jpg) wordt het dynamisch bereik drastisch gereduceerd

Vroeger werd aangeraden om bij digitale fotografie altijd 1 stop onderbelichting toe te passen, omdat wanneer clipping optreed alle kleur en contrastinformatie verloren gaat.

Met de huidige hoog dynamisch bereik camera's, is dit minder nodig indien gewerkt wordt met RAW bestanden, bij lichte clipping is er nog nog voldoende reserve om de meeste details terug te halen.
Enkel bij zeer contrastrijke beelden /of tegenlicht kan -1 stop onderbelichting aan te raden zijn om uitgebrande gebieden op de foto te vermijden.

Het fotobestand

De codering waarin een fotobestand wordt afgeleverd is erg belangrijk voor het dynamisch contrast van de foto.
Met de bedoeling om de bestands-grootte te verkleinen, wordt compressie toegepast, die de contrast diepte beperkt tot: v.b. voor jpg tot 8 bit/kleur.
Binnen de beperking van een gekozen codering kan men dan nog kiezen voor meer of minder compressie.

RAW

Raw is een foto formaat met 12-14 bit of meer contrast diepte ,afhankelijk van de camera.
De informatie van alle beeldpunten en bijhorende contrast gegevens worden ongecodeerd digitaal opgeslagen.
Er is geen compressie om het fotobestand kleiner te maken.
Voordeel is dat er geen kwaliteitsverlies optreed als je de foto later nog wil bewerken met bv Photoshop.
Nadeel is dat de fotobestanden zeer groot zijn, waardoor veel minder beelden op een geheugenkaartje kunnen en het downloaden van het kaartje naar de PC veel trager gaat.
Raw foto's kunnen enkel met specifieke toestel afhankelijke software bekeken worden.
Sommige merken geven een andere naam. (bv Nikon: .NEF) .
Het verdient aanbeveling om altijd voor RAW als kiezen als fotobestand voor uw camera.
Sommige toestellen kunnen beide bestanden: RAW en Jpeg simultaan opslaan.

JPEG

Jpeg (Joint Photographic Experts Group) is een gestandaardiseerd  foto compressie mechanisme .
Bij het opslaan kan je de kwaliteit van de foto (compressie) zelf kiezen, maar is max. 8bit per kleur (256 contraststappen per kleur)
Door de compressie kan je afhankelijk van de gekozen kwaliteit, het fotobestand 2-100 kleiner maken.
Door deze compressie gaan wel kleine details verloren.(Vooral te zien als je bv tekst of scherpe overgangen fotografeert.
Dit formaat is niet echt geschikt als je nadien de foto nog wilt bewerken.
Herhaaldelijk bewerken en opslaan van een jpeg bestand zal de kwaliteit van de foto drastisch verminderen

Tiff

Tiff  (Tagged Image File Format) is een bestands formaat bedoeld om foto's in bitmaps over te brengen van het ene programma naar een ander of van de ene computer naar de ander.
Het was oorspronkelijk opgezet om informatie (bv beeldpunten) in een raster tussen computers onderling uit te wisselen. Er bestaan verschillende soorten Tiff formaten.
Een Tiff bestand wordt ook gebruikt bij de uitwisseling van foto's tussen Lightroom en Photoshop.
Het Tiff bestand heeft een contrastdiepte tot 16 bit, hierdoor zijn de fotobestanden wel heel groot.

Gif

Gif  (Grafic Interchange Format) is een grafisch beeld formaat, wat beperkt is tot 8 bit of 256 kleuren.
Vooral bedoeld voor digitale tekeningen, weinig of niet voor foto's
Informatie wordt niet via een bitmap opgeslagen (zoals Jpeg) maar vectorieël, waardoor het vergroten van een beeld geen kwaliteitsverlies geeft.

HDR:

Bij HDR foto's gaat men het contrast in vooral de schaduwen vergroten, door meerdere foto's genomen bij verschillende belichtingsinstellingen te combineren. Hiermee maakt men een 32bit foto, die dan omgezet wordt naar een 16 bit Tiff of 8bit Jpeg formaat . Bij de omzetting gaat men de contrasten in de schaduwen accentureren. Wordt vooral gebruikt voor landschaps en interieur fotografie (meer info: zie rubriek HDR)

 

Het histogram

Het histogram van een foto toont het verloop van de belichtingswaarden in een foto, links het zwart, rechts wit met daartussen de oplopende helderheidswaarden tussen zwart en wit.
De horizontale as is logaritmisch (5 zones), 18% grijs bevind zich in het midden van de horiziontale as.
Een goed histogram toont de 3 hoofdkleuren, een zwart/wit histogram is een combinatie van alle kleuren en is eigenlijk waardeloos.
Aan de hand van het histogram kan je dus zien als de belichting van de foto correct is.
Het is de bedoeling dat zoveel mogelijk het ganse bereik tussen zwart tot wit wordt gebruikt

Opgelet:
Het histogram dat zichtbaar is op uw camera is gebaseerd op een jpeg formaat dat door de camera wordt gegenereerd en bevat slechts 5 zones.
Hiermede dient rekening gehouden te worden wanneer een histogram wordt geïnterpreteerd.
Indien men in RAW fotografeert is de contrast ratio veel groter dan wat men op een histogram kan zien.

Onderbelichting:


Dit is een histogram van een onderbelichte foto, zou ook een Low-Key opname kunnen zijn (zie model fotografie), in dit geval is het een gewilde onderbelichting.
Het is mogelijk met bv Photoshop om de lichtwaarden op te trekken tot aan het wit niveau ( Afbeeldingen-Aanpassingen -Niveau's )
Te grote aanpassingen zijn echter af te raden:
* Met het verhogen van de helderheid vergroot ook het ruisniveau mee in de foto.
* Door te weinig te belichten gebruiken we maar een deel van de beschikbare A/D contrast stappen .
Vooral bij jpeg is het aantal contrast stappen beperkt (256/kleur) .Wanneer we hiervan maar een gedeelte gebruiken en die oprekken tot aan het wit niveau kan "Banding"optreden

Lowkey foto

Bij een Lowkey foto is de onderbelichting gewild, meer dan 50% van de contrast inhoud bevind zich in het "schaduw " gebied



Overbelichting


Dit is een histogram van een overbelichte foto. Er komen geen of weinig donkere gebieden in voor.
De hooglichten lopen vast tegen de rechter rand van het histogram. Dit noemt men Clipping

Clipping
Bij clipping is de foto overbelicht, in de hooglichten komen teveel fotonen in de sensor cellen terecht, die de sensor cel niet kan verwerken.
Het signaal dat de sensel afgeeft is max. wit en bevat geen enkele contrast of kleur informatie meer.
Wanneer dit niet bedoeld is, is dit is zowat de "nachtmerrie" van iedere fotograaf, dergelijke foto's noemt men "uitgebrand" en zijn meestal niet meer te redden.
Om die reden word soms aangeraden om bij de opname, een foto 1stop onder te belichten.
Met moderne camera's (zie hierboven) is er een contrast reserve beschikbaar zodat in kleine overbelichte delen van de foto, de contrast en kleurinformatie nog terug te halen is, op voorwaarde dat de foto in RAW werd genomen.

Het is dus zaak om de foto correct te belichten, onderbelicht verlies je sterk aan contrast, probeer je dit nadien te corrigeren dan heb je kans op: "Banding" en toename van "ruis", overbelicht is er risico op "uitbranden" van de hooglichten.

High key foto

Bij een highkey foto bevind zich minstens 50% van de contrast inhoud in het hooglichten gebied

 

Monitor

Wanneer we een foto hebben genomen willen we hem ook kunnen "zien"
We hebben de keuze tussen een foto op een monitor bekijken of hem laten afdrukken op een drager (papier,...)
Onze foto bekeken op een monitor zal een aantal drastische kwaliteits-reducties ondergaan vooralleer hij op het scherm zichtbaar wordt.
Eerst en vooral zal het aantal pixels drastisch beperkt worden.

Pixel aantallen
De meeste gangbare pixel aantallen voor een monitor zijn 1920x1080 pixels voor een HD scherm = 2,07M pixels
De foto van een 24M pixel camera zal dus gereduceerd worden van 24 naar 2 Mpixels of per 12 pixels van de foto wordt een nieuwe pixel gemaakt op het monitor scherm. De scherpte van een foto zal dus enkel beoordeeld kunnen worden door de foto uit te vergroten en te bekijken op "ware grootte" dan komt 1 pixel van de foto overeen met 1 pixel van de monitor.

Dynamic range.
De dynamic range van de meeste monitoren komen overeen met die van het Jpeg bestand nl.: 8bit /kleur (256 contrast stappen per kleur)
De 14 bit dynamic range (16384 contrast stappen) van onze camera wordt dus door de computer herleid tot 8bit : 256 contraststappen /kleur.

Gamma correctie
De Gamma correctie van de monitor bestaat eigenlijk uit 2 correcties:
- Het compenseren van de 2.2 gammacorectie die in de camera heeft plaatsgevonden om de donkere gebieden correct te kunnen weergeven.
- Compensatie voor de niet lineaire weergave van de 3 hoofdkleuren door de monitor.
De Gamma correctie gebeurt in de videokaart en kan bij de meeste computer / monitor opstellingen met een testbeeld correct ingesteld worden.

Aantal kleuren:
Aangezien ieder pixel uit 3 kleuren bestaat spreekt men van 24bit/pixel (3x 8bit)
Dit vertegenwoordigd een aantal mogelijke kleuren van 256x256x256= 16M kleur & contrast combinaties.
Onze ogen kunnen ongeveer 10M kleurcombinaties onderscheiden.

Omgevingslicht
Bij de beoordeling van een foto op een monitor is het omgevingslicht heel belangrijk.
Voor het grootste dynamisch bereik moet het zwart op het monitorscherm, diep zwart zijn, dat kan enkel in een donkere omgeving.


Printer

Printers hebben de laatste jaren een grote evolutie ondergaan.

De meeste "Commerciële afdruk centrales" printen met 300dpi en accepteren meestal enkel Jpeg bestanden, is de resolutie van de foto te groot (teveel pixels) dan worden ze door de centrale gereduceerd.
Het Jpeg bestand beperkt het contrast tot 8bit/kleur

Vooral de kwaliteit van de Inktjet printers is sterk verbetert.
De diameter van de inktdots zijn veel kleiner geworden, waardoor per pixel meer inktdots kunnen geprint worden, wat meteen toelaat om een grotere contrast diepte te bereiken. (meer info vind je in de rubriek: scherpe foto's)

 

Conclusie

Het zal duidelijk zijn dat de dynamic range van een foto die we zien op een beeldscherm of afgedrukt op een print, de som is van alle schakels in de ketting tussen opname -fotocamera-foto bewerking-gekozen fotobestand en beeldscherm of print.
Iedere stap heeft zijn beperkende invloed.
Daarom dient iedere stap oordeelkundig gekozen te worden met oog op het eindresultaat.
Verwacht geen beter resultaat van een dure 12bit inktjet printer wanneer je een (8bit) jpeg foto afdrukt, daar gebruik je beter een Tiff bestand voor.

© Beertje , 3-11-2014