ทำไมกล้องไม่จับช่วงไดนามิกเป็นที่ตาของเราทำ

เมื่อนั่งในห้องที่ไม่มีไฟส่องและฉันมองออกไปนอกหน้าต่างฉันสามารถมองเห็นการตกแต่งภายในของห้องได้อย่างง่ายดายแม้ว่าฉันจะโฟกัสที่ต้นไม้ด้านนอก

ทำไมกล้องถึงไม่สามารถจับภาพที่คล้ายกับสิ่งที่ดวงตาของฉันเห็น? ฉันคิดว่ากล้องรุ่นใหม่ควรสามารถบันทึกช่วงไดนามิกได้อย่างง่ายดาย ฉันไม่เชื่อว่าจอแสดงผลเป็นปัญหาหากจับภาพช่วงไดนามิคมากเพราะมันสามารถทำให้เป็นมาตรฐานได้ ในกล้องดิจิตอลฉันต้องตั้งค่าการรับแสงซึ่งจะจับเฉพาะฉากด้านนอกหรือด้านในอย่างถูกต้องเท่านั้น

นี่เป็นปัญหาเฉพาะกับกล้องดิจิตอลหรือมันเหมือนกันสำหรับกล้องฟิล์มหรือไม่?

คำถามที่คล้ายกันถูกกล่าวถึงแล้วที่นี่วิธีจับภาพให้ตรงตามที่ตาเห็นได้อย่างไร . ฉันไม่ได้พูดถึงความละเอียดโฟกัสหรือรายละเอียด ฉันสนใจในการเปิดรับแสงหรือช่วงไดนามิกใกล้เคียงกับเมื่อเราจับตาดูฉากเดียว

เหตุผลที่คุณสามารถมองเห็นช่วงไดนามิกที่กว้างใหญ่นั้นไม่ได้เพราะดวงตาในฐานะที่เป็นอุปกรณ์ออพติคอลสามารถจับภาพช่วงดังกล่าวได้จริง - เพราะสมองของคุณสามารถรวมข้อมูลจาก "ภาพ" จำนวนมากจากดวงตาและ สร้างภาพพาโนรามา HDR ของฉากต่อหน้าคุณ

ดวงตาดูไม่ดีเท่าที่ควรจากมุมมองคุณภาพของภาพ แต่มี "อัตราเฟรม" ที่สูงมากและสามารถเปลี่ยนความไวทิศทางและโฟกัสได้อย่างรวดเร็ว

สมองจะนำภาพเหล่านั้นทั้งหมดจากดวงตาและสร้างภาพที่คุณคิดว่าคุณเห็นซึ่งรวมถึงรายละเอียดจากภาพที่มีความไวที่แตกต่างกันและแม้กระทั่งรายละเอียดที่ประกอบขึ้นมาอย่างสมบูรณ์ตามสิ่งที่คุณคาดหวัง (นี่คือเหตุผลหนึ่งว่าทำไมจึงมีภาพลวงตา - สมองสามารถถูกหลอกให้มองเห็นสิ่งที่ไม่ได้อยู่ที่นั่น)

ดังนั้นคุณสามารถเห็นได้ด้วยกล้องของคุณเหมือนกับใช้สายตารับค่าแสงในการตั้งค่าที่แตกต่างกันมากมายแล้วโหลดทุกอย่างลงใน Photoshop สร้างภาพพาโนรามา HDR และใช้ "การเติมเนื้อหาที่รับรู้" เพื่อเติมเต็มช่องว่าง

อย่างไรก็ตามทำไมกล้อง "ควร" สามารถจับภาพช่วงนั้นได้ แต่จอภาพไม่สามารถทำซ้ำได้ หากเทคโนโลยีที่ไม่มีอยู่ควรมีอยู่แล้วจอภาพควรทำซ้ำสิ่งที่เราเห็น (และฉันควรจะไปพักผ่อนที่โรงแรมที่มีแรงโน้มถ่วงต่ำบนดวงจันทร์)

คุณอาจมีข้อได้เปรียบเล็กน้อยในช่วงไดนามิกเซ็นเซอร์เหนือกล้อง แต่สิ่งที่สร้างความแตกต่างส่วนใหญ่คือมีระบบการจัดรูปแบบอัตโนมัติที่ซับซ้อนsaccadesการประมวลผล HDR และระบบจดจำฉากที่ยังคงมีการรับแสงหลายจุด สมองมนุษย์มีความสำคัญต่อระบบการมองเห็นอย่างน้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้

นำเสนอด้วยฉากที่มีช่วงไดนามิกสูงมากระบบภาพของมนุษย์ใช้เวลาในการปรับตัว นั่นไม่ใช่เพราะเราต้องปรับการตั้งค่าช่วงไดนามิก แต่เนื่องจากเราต้องวิเคราะห์ส่วนที่สว่างและมืดมากของฉากแยกจากกันจากนั้นกาวส่วนสำคัญของภาพเข้าด้วยกัน สิ่งที่เรา "เห็น" น่ากลัวขึ้นอยู่กับการรู้ว่ามีอะไรอยู่บ้าง เราสามารถใช้ตัวบ่งชี้รายละเอียดของจริงน้อยมากเพื่อเติมลงในช่องว่าง (และเมื่อเรามีข้อมูลจริงไม่เพียงพอเราสามารถแก้ไข - แต่ไม่ถูกต้องเสมอไป )

การใช้กล้อง - กล้องทุกตัว - เพื่อใช้งานในระดับนั้นจะหมายถึงการออกแบบระบบที่ "รู้" ว่ามันคืออะไร เราสามารถทำรุ่น "โง่" ของนั้นโดยใช้เทคนิค HDR ต่าง ๆ (ในตัวอย่างเฉพาะของคุณโดยปกติโดยการปิดบังอย่างง่าย ๆ ที่ทางเข้าประตูจะถูกตัดออกจากการเปิดรับความมืดและรุ่นจากการเปิดรับแสงที่ใส กระบวนการอัตโนมัติปัจจุบันขึ้นอยู่กับความสว่างทั้งหมด (เนื่องจากไม่สามารถวิเคราะห์ความหมายหรือความสำคัญ) และมีแนวโน้มที่จะสร้างสิ่งประดิษฐ์ที่ชัดเจน. และถ้าคุณเคยเห็นภาพที่รวม HDR 32- บิตดิบที่ยังไม่ได้ tonemapped (ซึ่งเป็นประเภทของสิ่งที่คุณจะได้รับโดยการเพิ่มช่วงไดนามิกของเซ็นเซอร์) คุณอาจจะสังเกตเห็น ว่าภาพนั้น "แบน" และขาดความคมชัดทั้งในระดับท้องถิ่นและระดับโลก มันรู้ว่าฉากคืออะไรที่ช่วยให้เราสามารถทำแผนที่เพื่อตัดสินใจว่าความแตกต่างสำคัญในพื้นที่ จนกว่ากล้องจะทำการตัดสินใจแบบเดียวกันมันจะไม่สามารถสร้างภาพที่ดูเหมือนอะไรที่สมองคุณเห็น

มันทำอย่างไรกับวิธีที่สมองตีความข้อมูลที่ได้รับจากตา (หรือใช้วิธีอื่นนั่นคือซอฟต์แวร์ไม่ใช่ฮาร์ดแวร์)

เราเห็นสีและรายละเอียดภายในสนามที่แคบมากในใจกลางของวิสัยทัศน์ของเรา เพื่อสร้างภาพสีสันที่มีรายละเอียดที่เรารับรู้ได้สมองจะขยับจุดศูนย์กลางนี้ไปรอบ ๆ โดยที่เราไม่รู้ตัว

ฉันไม่ได้เป็นนักประสาทวิทยา แต่มันก็เป็นเหตุผลว่าเมื่อสมองสร้างภาพที่กว้างขึ้นจากสแน็ปช็อตเล็ก ๆ จำนวนมากมันก็ทำให้ความสว่างปกติที่ทำให้ภาพมีความสว่างเท่ากันทุกที่แม้จะมีบางพื้นที่ สว่างในความเป็นจริง โดยทั่วไปความสามารถในการมองเห็นสิ่งที่มืดและสว่างในเวลาเดียวกันเป็นภาพลวงตา

ไม่มีเหตุผลใดที่พฤติกรรมนี้ไม่สามารถเลียนแบบได้ด้วยกล้องดิจิตอลและไม่มีเหตุผลใด ๆ ที่เราไม่สามารถสร้างเซ็นเซอร์ที่มีช่วงไดนามิกที่กว้างกว่าในการเปิดรับเพียงครั้งเดียว ในความเป็นจริงฟูจิผลิตเซ็นเซอร์ที่มีความไวแสงต่ำเป็นพิเศษเพื่อจับรายละเอียดไฮไลท์พิเศษ

ปัญหาเกิดขึ้นกับการไม่สามารถแสดงภาพช่วงไดนามิกสูง ในการแสดงภาพดังกล่าวบนจอภาพช่วงไดนามิกต่ำมาตรฐานคุณต้องทำการประมวลผลพิเศษที่เรียกว่า tonemapping ซึ่งมีข้อเสียของตัวเอง สำหรับผู้บริโภคส่วนใหญ่กล้องไดนามิกเรนจ์ช่วงสูงก็จะยุ่งยากมากขึ้น

สรุป:

• พระเจ้าสร้างดวงตาของเรา

• เราสร้างกล้อง

• เรายังไม่ทันกับพระเจ้า

• แต่กล้องที่ดีที่สุดที่มีอยู่นั้นขึ้นอยู่กับข้อกำหนดที่คุณอธิบาย

• มีวิธีในการบรรลุสิ่งที่คุณต้องการ คุณตัดสินใจที่จะกำหนดว่าไม่ใช่สิ่งที่คุณต้องการ นั่นคือทางเลือกของคุณ

ระดับแสงในห้องมืดที่มีหน้าต่างที่เปิดไปยังฉากด้านนอกอาจอยู่ในระดับต่ำเพียงประมาณ 0.1 ลักซ์ (0.1 ลูเมนต่อตารางเมตร) ระดับแสงฉากด้านนอกอาจเป็นอะไรก็ได้ตั้งแต่ 10 ถึง Lux นับพันในสถานการณ์ที่คุณบรรยาย

ที่ภายนอก 100 lux และ 0.1 ลักซ์ภายในอัตราส่วนคือ 1,000: 1 หรือน้อยกว่าช่วงไดนามิก 10 บิต กล้องที่ทันสมัยหลายตัวสามารถแยกความแตกต่างของวรรณยุกต์ที่ปลายทั้งสองของช่วงนี้ได้อย่างถูกต้อง หากระดับแสงต้นไม้เพียงแค่อิ่มตัวเซ็นเซอร์แล้วคุณจะมีระดับประมาณ 4 บิตภายในห้อง = 16 ระดับของแสง เพื่อให้คุณสามารถดูรายละเอียดในระดับที่สว่างที่สุดได้ยกเว้นระดับแสงที่ต่ำมากจนดวงตามีปัญหา

หากระดับแสงของต้นไม้อยู่ที่ 1,000 lux (= 1% ของแสงอาทิตย์เต็ม) คุณต้องมีช่วงไดนามิก 13 บิต กล้องฟูลเฟรม 35 มม. ที่ดีที่สุดที่มีอยู่จะสามารถใช้งานได้ การปรับกล้องจะต้องเป็นจุดและคุณจะมีข้อมูลเกี่ยวกับเสียงวรรณยุกต์เป็นศูนย์ภายในห้อง ระดับของแสงภายนอกนี้สูงกว่าที่คุณจะได้รับในสถานการณ์อื่นที่ไม่ใช่สถานการณ์ยามค่ำคืนที่มีแสงสว่างจ้า

กล้อง DSLR ระดับกลางถึงบนที่ทันสมัยหลายรุ่นมีการประมวลผล HDR แบบ inbuilt ที่ช่วยให้สามารถรับช่วงไดนามิกที่กว้างขึ้นด้วยการรวมภาพหลาย ๆ ภาพเข้าด้วยกัน แม้แต่ภาพ HDR 2 รูปก็สามารถรองรับฉากของคุณได้อย่างง่ายดาย Sony A77 ของฉันมี HDR +/- 6 EV 3 เฟรมมากขึ้น นั่นจะให้ช่วงไดนามิกมากกว่า 20 บิต - อนุญาตให้มีการแปรผันของเสียงที่เพียงพอที่ด้านบนและล่างในตัวอย่างของคุณ

มันเป็นปัญหาของกล้องดิจิตอลเท่านั้นหรือมันเหมือนกันสำหรับกล้องฟิล์ม?

ยังไม่มีคำตอบใด ๆ ที่สัมผัสสิ่งนี้อย่างน้อยก็โดยตรง ... ใช่มันเป็นปัญหาของภาพยนตร์เช่นกัน ยกตัวอย่างเช่นฟิล์มโปร่งใสสี Fuji Velvia ที่มีชื่อเสียงนั้นมีช่วงไดนามิกที่เน่าเสียอย่างแท้จริง (แม้ว่าจะเป็นสีที่ยอดเยี่ยม!) ฟิล์มโปร่งใสโดยทั่วไปจะทนทุกข์ทรมานจากสิ่งนี้ ในทางกลับกันภาพยนตร์เชิงลบสามารถมีช่วงไดนามิกที่ดีมากประมาณเท่า ๆ กับกล้องดิจิทัลที่ดีที่สุดในปัจจุบัน มันถูกจัดการแตกต่างกันเล็กน้อยแม้ว่าในขณะที่ดิจิตอลมีการตอบสนองเชิงเส้นต่อแสง แต่ฟิล์มก็มีแนวโน้มที่จะมีเส้นโค้งคอนทราสต์ "S" ในตัว คนผิวดำและคนผิวดำและคนผิวขาวและคนผิวขาวเกือบทั้งหมดจะถูกมัดมากกว่าเสียงกลาง

โปรดทราบว่าเมื่อภาพถ่ายฟิล์มมักจะจบลงด้วยการพิมพ์ด้วยหมึกบนพื้นหลังกระดาษสีขาวมีข้อ จำกัด ไม่มากเกินไปว่าช่วงไดนามิกจะต้องการถ่ายภาพตั้งแต่แรก! การจับภาพพูดช่วงไดนามิกสามสิบจุดแล้วส่งออกไปที่ ... ballpark DR ของการพิมพ์ภาพถ่ายคืออะไร หยุดห้าจุด หก? ... สื่อกลางการส่งออกจะดู ... แปลกที่จะพูดน้อย ฉันสงสัยว่ามันเป็นปัจจัยนี้มากกว่าอุปสรรค์ที่ไม่มีใครเทียบได้กับเคมีที่มีช่วงไดนามิกของฟิล์มถ่ายภาพที่ จำกัด มันไม่มากที่เราไม่สามารถทำได้มันเป็นมากกว่าที่เราไม่ต้องการทำ

สิ่งที่เพียงพอในการเติมหนังสือ - แต่ส่วนสำคัญของมันคือดวงตาของมนุษย์เห็นความสว่างลอการิทึมขณะที่กล้อง "เห็น" ความสว่างเป็นเส้นตรง

ดังนั้นหากคุณสมมติว่าสภาวะที่ความสว่างเปลี่ยนจาก 1 ถึง 10,000 (ตัวเลขที่เลือกแบบสุ่ม) ในล็อกฐาน 10 ดวงตามนุษย์จะเห็นความสว่างเป็น 0 ถึง 5 ในขณะที่กล้องเชิงเส้นมองว่าเป็น 1 ถึง 10,000 เซ็นเซอร์ที่สามารถครอบคลุมช่วงขนาดใหญ่นั้นเป็นเรื่องยากเนื่องจากคุณมีสัญญาณรบกวนรบกวนด้วยการวัดค่าต่ำและการโอเวอร์โหลดการรบกวนด้วยการวัดความสว่างที่สูงขึ้น ต้องบอกว่าฉันเชื่อว่ามีกล้อง RED ที่สามารถบันทึกช่วงไดนามิก 18 จุด - ไม่แน่ใจว่ามันเป็นเพียงต้นแบบหรือรูปแบบการผลิตแม้ว่า

โดยวิธีลอการิทึมกับความแตกต่างเชิงเส้นก็เป็นสาเหตุที่ความสว่างเพิ่มขึ้นหรือลดลงครึ่งหนึ่งต่อความแตกต่างหนึ่งหยุด

แต่นี่ก็เพียงพอสำหรับหัวข้อการวิจัย - ดังนั้นนี่เป็นเพียงตัวชี้สั้น ๆ

ดวงตาไม่ได้จับช่วงไดนามิก มันบีบอัดช่วงไดนามิกและจากนั้น "การประมวลผลหลัง" ในสมองสร้างภาพลวงตาของช่วงไดนามิก ช่วงไดนามิกที่ถูกบีบอัดคือสาเหตุที่ทำให้คุณสามารถเห็นเงาและพื้นที่สว่างในเวลาเดียวกัน "การได้รับ" ดังนั้นการพูดจะถูกเหวี่ยงขึ้นโดยอัตโนมัติในส่วนของเรตินาที่ตรวจจับเงาทำให้สว่างขึ้นและลดลงเมื่อเรตินามองเห็นบริเวณที่มีแสงสว่าง สมองยังคงรู้ว่ามันมองเข้าไปในเงามืดเพื่อสร้างความรู้สึกที่มืด การขยายตัวของข้อมูลที่ถูกบีบอัดกำลังดำเนินอยู่ดังนั้นคุณจึงไม่ทราบว่าช่วงไดนามิกนั้นได้รับการบีบอัด

เซ็นเซอร์ในกล้องดิจิตอลนั้นสามารถทำได้ดีกว่าเรตินาในช่วงไดนามิกดิบ ปัญหาคือคุณไม่ได้ควบคุมการเปิดรับแสงในแต่ละพื้นที่ กล้องมีการตั้งค่าที่เพิ่มขึ้น (มักจะนำเสนอในคำศัพท์ภาพยนตร์เป็นการตั้งค่า ISO) ซึ่งเป็นระดับโลก

สิ่งที่ตาทำเพื่อพูดก็เหมือนกับการใช้ "ISO 100" สำหรับพื้นที่สว่างและ "ISO 800" สำหรับพื้นที่มืดในเวลาเดียวกัน

หากกล้องสามารถปรับอัตราขยายสำหรับพื้นที่พิกเซลที่เฉพาะเจาะจงโดยพิจารณาจากความสว่างมันจะมีประโยชน์อย่างแน่นอน แต่เรารู้จากการใช้เอฟเฟ็กต์ปรับระดับกำไรในการประมวลผลหลังซึ่งสมองไม่ได้หลอกพวกเขา มันดูไม่เป็นธรรมชาติ มันดูเป็นธรรมชาติเฉพาะเมื่อดวงตาของคุณทำมันประสานกับสมองของคุณเอง

นี่เป็นคำถามที่น่าสนใจหากคุณให้โอกาสแทนที่จะแสดงเหตุผลที่ชัดเจนว่าทำไมกล้องถึงทำแบบที่ทำ

ลองพิจารณาตัวเลือกที่ใกล้เคียงที่สุด การทำแผนที่โทนเป็นวิธีการที่ใช้ฟิลเตอร์กรองความถี่ต่ำผ่านค่าเลขชี้กำลังของภาพ RGBe นั่นมีบทบาทสำคัญในการมองเห็นบางสิ่งบางอย่าง แต่ลองพิจารณาว่าดวงตาของเรากำลังจับภาพไอน้ำที่มีความยาว พวกเขาทำงานเหมือนกับกล้องวิดีโอมากกว่ากล้องถ่ายรูป

การทำแผนที่แบบเสียงสามารถพัฒนาขึ้นได้อย่างมากถ้ามันถูกสร้างขึ้นอย่างเช่น GLSL shader ที่ทำงานแบบเรียลไทม์ด้วยกล้องวิดีโอพิเศษที่สามารถบันทึกกระแส HDR อย่างต่อเนื่อง

ในตัวอย่างที่ง่ายกว่านี้มากรูปถ่าย "HDR" ของ iPhone เป็นภาพที่ประกอบไปด้วยภาพที่มีระดับแสงต่ำและสูงที่ผลักผ่านกระบวนการทำแผนที่โทนเสียงซึ่งทำงานได้ค่อนข้างดีหากคุณยังไม่ได้ลอง กล้องระดับผู้บริโภคอื่น ๆ อีกมากมายทำสิ่งที่คล้ายกัน

นอกจากนี้ยังมีเรื่องที่น่าสนใจว่าการหยั่งรู้ / ความตั้งใจ / การเล่นฟรีจะทำให้ดวงตาของคุณได้รับการปรับเทียบตลอดเวลาได้อย่างไร หากคุณกำลังมองกำแพงมืดและคิดว่าหันหัวของคุณไปที่หน้าต่างที่สมองของคุณส่องแสงสดใสสามารถบอกสายตาให้ไปข้างหน้าและเริ่มปิดรูม่านตาของคุณ กล้องที่มีการเปิดรับแสงอัตโนมัติสามารถทำสิ่งเดียวกันได้ แต่หลังจากที่มีแสงเข้ามามากเกินไปคนที่ทำงานในโรงภาพยนตร์ใช้เวลาส่วนใหญ่ในการกำหนดเวลาของการตั้งค่าของกล้องภาพยนตร์ให้ไหลอย่างราบรื่นเพื่อให้พวกเขารู้สึกเป็นธรรมชาติ (หรือให้แสงฉากในลักษณะที่การตั้งค่ากล้องไม่จำเป็นต้องปรับเปลี่ยนจริง) แต่อีกครั้งเหตุผลเดียวที่สิ่งต่าง ๆ เหล่านี้ทำงานเพราะผู้กำกับรู้ว่าจะเกิดอะไรขึ้นกับกล้องก่อนที่มันจะเกิดขึ้น

ปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือการสร้างภาพที่ถ่ายซ้ำ

มันไม่ได้อยู่นอกขอบเขตของเทคโนโลยีในการสร้างเซ็นเซอร์ภาพและการกำหนดค่าที่จะจับภาพระดับความสว่างที่หลากหลายในภาพเดียว ในท้ายที่สุดมันเป็นเพียงเรื่องของการนับโฟตอนซึ่งเป็นเทคโนโลยีที่สามารถปรับขนาดตามระดับที่จำเป็น กล้องปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้การตั้งค่าการเปิดรับแสงเพื่อปรับปริมาณของความสว่างที่เซ็นเซอร์เห็น แต่เพิ่มเติมของงานนี้สามารถทำได้ในเซ็นเซอร์อาจจะส่งผลให้ในเสียงข้อผิดพลาดมากขึ้น แต่แน่นอนคุณอาจจะได้รับช่วงกว้างออกจากเซ็นเซอร์ภาพกว่า สิ่งที่มีอยู่ในตลาดในปัจจุบัน

แต่ปัญหาคือเมื่อคุณมีภาพนั้นแล้วคุณทำอะไรกับมัน? แม้แต่จอแสดงผลระดับสูงยังคงใช้สี 24 บิตซึ่งมีความหมายเพียง 256 เฉดสีต่อช่องสี เครื่องพิมพ์ปัจจุบันมีข้อ จำกัด ในทำนองเดียวกันหากไม่มาก ดังนั้นจึงไม่มีอะไรสามารถทำได้กับภาพดังกล่าวโดยไม่ต้องดำเนินการบางอย่างก่อนเพื่อลดช่วงลงไปที่กล้องที่มีอยู่

คุณอาจเคยเห็นปัญหานี้มาก่อน: รูปแบบ RAW ปัจจุบันส่วนใหญ่จัดเก็บช่วงกว้างกว่าที่สามารถทำซ้ำได้และช่วงสีจะต้องมีการบีบอัดหรือตัดแล้วจึงจะสามารถดูภาพได้ การเพิ่มช่วงเพิ่มเติมให้กับเอาต์พุต RAW จะเพิ่มมากขึ้น กล้องอาจมีราคาแพงกว่าอย่างมาก แต่ภาพจะไม่ดีขึ้นอย่างมีนัยสำคัญเพราะคุณยังต้องลดช่วงสีลงเหลือ 24- บิตก่อนจึงจะสามารถมองได้

ถึงกระนั้นด้วยซอฟต์แวร์ที่เหมาะสมและผู้ใช้ที่เหมาะสมคุณอาจสามารถทำสิ่งที่ยอดเยี่ยมออกมาได้ มันอาจจะไม่เหมือนกับการถ่ายภาพ HDR ในปัจจุบัน แต่คุณไม่จำเป็นต้องถ่ายรูปหลายภาพ