Tại sao máy ảnh không chụp được dải động như mắt chúng ta?

Khi ngồi trong phòng không có đèn và tôi nhìn ra cửa sổ, tôi có thể dễ dàng nhìn thấy nội thất của căn phòng ngay cả khi tôi tập trung vào một cái cây bên ngoài.

Tại sao một máy ảnh không thể chụp một hình ảnh tương tự như những gì mắt tôi có thể nhìn thấy? Tôi nghĩ rằng các máy ảnh mới hơn có thể dễ dàng chụp được dải động này. Tôi không tin rằng màn hình là một vấn đề nếu phạm vi động này được ghi lại, bởi vì nó có thể được chuẩn hóa. Trong một máy ảnh kỹ thuật số, tôi phải đặt phơi sáng, nó sẽ chỉ chụp cảnh bên ngoài hoặc bên trong cảnh chính xác.

Đây chỉ là một vấn đề với máy ảnh kỹ thuật số hay nó là giống nhau cho máy ảnh phim?

Một câu hỏi tương tự đã được thảo luận ở đây Làm thế nào để chụp cảnh chính xác như mắt tôi có thể nhìn thấy? . Tôi không nói về độ phân giải, tập trung hoặc chi tiết. Tôi quan tâm đến phơi sáng hoặc phạm vi động tương tự như khi chúng ta sửa mắt trên một cảnh duy nhất.

Lý do bạn có thể thấy một dải động lớn như vậy không phải là mắt, như một thiết bị quang học, thực sự có thể chụp được một phạm vi như vậy - lý do là não của bạn có thể kết hợp thông tin từ rất nhiều "phơi sáng" từ mắt và tạo một bức tranh toàn cảnh HDR của cảnh trước mặt bạn.

Mắt khá kém từ quan điểm chất lượng hình ảnh nhưng nó có "tốc độ khung hình" rất cao và có thể thay đổi độ nhạy, hướng và lấy nét rất nhanh.

Bộ não lấy tất cả những hình ảnh đó từ mắt và tạo ra hình ảnh bạn nghĩ bạn nhìn thấy - điều này bao gồm các chi tiết từ hình ảnh ở độ nhạy khác nhau và thậm chí các chi tiết hoàn toàn được tạo ra dựa trên những gì bạn mong đợi nhìn thấy. (Đây là một lý do tại sao có ảo ảnh quang học - não có thể bị lừa "nhìn thấy" những thứ không thực sự ở đó).

Vì vậy, bạn có thể nhìn bằng máy ảnh của mình giống như bằng mắt, chỉ cần chụp nhiều phơi sáng ở các cài đặt khác nhau, sau đó tải mọi thứ vào Photoshop, tạo ảnh toàn cảnh HDR và ​​sử dụng "điền nội dung nhận biết" để lấp đầy các khoảng trống.

Nhân tiện, tại sao máy ảnh "nên" có thể chụp phạm vi đó nhưng màn hình không thể tái tạo nó? Nếu công nghệ không tồn tại thì tồn tại, màn hình sẽ có thể tái tạo bất cứ thứ gì chúng ta có thể nhìn thấy (và tôi sẽ có thể đi nghỉ tại một khách sạn có trọng lực thấp trên mặt trăng)

Bạn có thể có một chút lợi thế trong phạm vi động của cảm biến so với máy ảnh, nhưng hầu hết điều làm nên sự khác biệt là có hệ thống tự động tinh vi, saccade , xử lý HDR và hệ thống nhận dạng cảnh vẫn tồn tại qua nhiều mức phơi sáng . Bộ não con người ít nhất cũng quan trọng đối với hệ thống thị giác như mắt .

Được trình bày với một cảnh có dải động rất cao, hệ thống thị giác của con người cần một chút thời gian để thích nghi. Đó không phải là vì chúng ta phải điều chỉnh cài đặt phạm vi động, mà bởi vì chúng ta cần phân tích các phần rất sáng và rất tối của cảnh, sau đó dán các phần quan trọng của hình ảnh lại với nhau. Rất nhiều điều chúng ta "thấy" thực sự phụ thuộc vào việc đã biết những gì ở đó; chúng ta có thể sử dụng một vài chỉ dẫn về chi tiết thực để điền vào chỗ trống (và khi chúng ta không có đủ thông tin thực, chúng ta có thể nội suy - nhưng không phải lúc nào cũng chính xác ).

Để máy ảnh - bất kỳ máy ảnh nào - hoạt động ở cấp độ đó sẽ có nghĩa là thiết kế một hệ thống "biết" những gì nó đang nhìn. Chúng ta đã có thể thực hiện phiên bản "ngu ngốc" bằng cách sử dụng các kỹ thuật HDR khác nhau (trong ví dụ cụ thể của bạn, thông thường bằng cách che giấu đơn giản nơi ô cửa sẽ được cắt ra khỏi phơi sáng bóng tối và một phiên bản từ phơi sáng sáng được đặt vào vị trí của nó). Quá trình tự động hiện tại hoàn toàn dựa trên độ sáng (vì chúng không thể phân tích ý nghĩa hoặc tầm quan trọng) và có xu hướng tạo ra các tạo tác rõ ràng. Và nếu bạn đã từng nhìn thấy một hình ảnh kết hợp HDR 32 bit thô chưa được xử lý (về cơ bản là thứ bạn chỉ nhận được bằng cách tăng phạm vi động của cảm biến), có lẽ bạn sẽ nhận thấy rằng hình ảnh rất "phẳng" và thiếu cả độ tương phản cục bộ và toàn cầu. Nó biết cảnh đó là gì cho phép chúng ta thực hiện ánh xạ, để quyết định nơi tương phản là quan trọng cục bộ. Cho đến khi máy ảnh có thể đưa ra quyết định tương tự, nó sẽ không thể tạo ra một hình ảnh trông giống như những gì não bạn nhìn thấy.

Nó liên quan đến cách não diễn giải thông tin do mắt cung cấp (hoặc nói theo cách khác, đó là phần mềm không phải là phần cứng).

Chúng tôi chỉ nhìn thấy màu sắc và chi tiết trong một lĩnh vực rất hẹp ở trung tâm của tầm nhìn của chúng tôi. Để xây dựng hình ảnh đầy màu sắc chi tiết mà chúng ta cảm nhận được, bộ não di chuyển điểm trung tâm này xung quanh mà chúng ta không biết.

Tôi không phải là một nhà nghiên cứu về thần kinh học, nhưng lý do là vì bộ não đang tạo nên bức tranh rộng hơn này từ rất nhiều ảnh chụp nhỏ, nó cũng thực hiện một số chuẩn hóa về độ sáng mang lại một hình ảnh có độ sáng gần giống nhau ở mọi nơi, mặc dù một số khu vực có nhiều sáng hơn trong thực tế. Về cơ bản khả năng nhìn thấy những thứ tối và sáng cùng một lúc là một ảo ảnh.

Không có lý do gì hành vi này không thể được bắt chước bằng máy ảnh kỹ thuật số, cũng không có lý do gì chúng ta không thể tạo ra các cảm biến có khả năng phạm vi động lớn hơn nhiều trong một lần phơi sáng. Trên thực tế, Fuji đã sản xuất một cảm biến có thêm các ảnh nhạy có độ nhạy thấp để ghi thêm chi tiết nổi bật.

Vấn đề là do không thể hiển thị hình ảnh dải động cao. Để hiển thị những hình ảnh như vậy trên màn hình dải động thấp tiêu chuẩn, bạn cần thực hiện một số xử lý đặc biệt gọi là tonemaps, trong đó có nhược điểm riêng. Đối với hầu hết người tiêu dùng máy ảnh dải động cao đơn giản sẽ rắc rối hơn.

Tóm lược:

• Chúa làm cho đôi mắt của chúng tôi.

• Chúng tôi làm máy ảnh.

• Chúng tôi chưa bắt kịp với Chúa.

• NHƯNG máy ảnh tốt nhất hiện có là theo yêu cầu mà bạn mô tả.

• Có nhiều cách để đạt được những gì bạn muốn. Bạn chỉ đơn giản là quyết định định nghĩa chúng không phải là những gì bạn muốn. Đó là sự lựa chọn của bạn.

Mức ánh sáng trong phòng tối có cửa sổ mở ra khung cảnh bên ngoài có thể thấp tới khoảng 0,1 lux (0,1 lum trên mét vuông.) Mức ánh sáng của cảnh bên ngoài có thể là bất cứ thứ gì từ 10 đến hàng nghìn lux trong tình huống bạn mô tả.

Ở mức 100 lux bên ngoài và 0,1 lux bên trong, tỷ lệ này là 1000: 1 hoặc chỉ dưới 10 bit của dải động. Nhiều máy ảnh hiện đại có thể phân biệt sự khác biệt tông màu ở cả hai đầu của phạm vi này được đặt chính xác. Nếu mức ánh sáng của cây chỉ bão hòa cảm biến thì bạn sẽ có khoảng 4 bit mức có sẵn trong phòng = 16 cấp độ ánh sáng. do đó bạn có thể thấy một số mức độ chi tiết với mức độ sáng nhất NGOẠI TRỪ mức độ ánh sáng thấp đến mức mắt sẽ gặp rắc rối với nó.

Nếu mức ánh sáng của cây là 1000 lux (= 1% ánh sáng mặt trời đầy đủ), bạn cần khoảng 13 bit dải động. Các máy ảnh full frame 35mm tốt nhất hiện có sẽ xử lý việc này. Điều chỉnh máy ảnh sẽ cần được đặt tại chỗ và bạn sẽ có thông tin về âm lượng trong phòng. Mức độ chiếu sáng bên ngoài này cao hơn mức bạn có thể gặp phải ngoài tình huống ban đêm ngập nước.

Nhiều máy ảnh DSLR từ trung bình đến cao cấp hiện đại có xử lý HDR sẵn có cho phép thu được các dải động lớn hơn nhiều bằng cách kết hợp nhiều hình ảnh. Ngay cả ảnh HDR 2 ảnh cũng dễ dàng phù hợp với cảnh của bạn. Sony A77 của tôi cung cấp tối đa +/- 6 EV 3 khung hình HDR. Điều đó sẽ cung cấp hơn 20 bit phạm vi động - cho phép các biến thể âm rất đầy đủ ở đầu và cuối của ví dụ trong ví dụ của bạn.

Đây có phải là vấn đề của máy ảnh kỹ thuật số hay nó giống với máy ảnh phim?

Chưa có câu trả lời nào chạm vào điều này, ít nhất là trực tiếp ... vâng, nó cũng là một vấn đề với phim. Chẳng hạn, bộ phim trong suốt màu Fuji Velvia nổi tiếng, có một dải động thực sự thối rữa (mặc dù màu sắc tuyệt vời!) Nói chung, bộ phim minh bạch phải chịu đựng điều này. Mặt khác, phim âm bản có thể có dải động rất tốt, tương đương với máy ảnh kỹ thuật số tốt nhất hiện nay. Mặc dù vậy, nó được xử lý hơi khác một chút - trong khi kỹ thuật số có phản ứng tuyến tính với ánh sáng, phim có xu hướng có đường cong tương phản "S" được tích hợp sẵn. Những người da đen và gần như đen, và người da trắng và gần như người da trắng, được tập hợp nhiều hơn so với tông màu trung.

Hãy nhớ rằng vì các bức ảnh trong phim thường sẽ được in bằng mực trên nền giấy trắng, có một giới hạn không quá hào phóng đối với mức độ động mà người ta muốn nó chụp ở vị trí đầu tiên! Nắm bắt, giả sử, một phạm vi động ba mươi điểm dừng và sau đó đưa nó ra một ... sân bóng DR của một bản in ảnh là gì? Năm điểm dừng? Sáu? ... phương tiện đầu ra sẽ trông ... kỳ quặc, để nói rằng ít nhất. Tôi nghi ngờ rằng đó là yếu tố này nhiều hơn bất kỳ trở ngại không thể vượt qua với hóa học có phạm vi năng động phim ảnh hạn chế. Nó không quá nhiều đến nỗi chúng tôi không thể làm điều đó, nhiều hơn là chúng tôi không muốn làm điều đó.

Đủ thứ để lấp đầy một cuốn sách - nhưng ý chính đơn giản của nó là mắt người nhìn thấy độ sáng theo logarit trong khi máy ảnh "nhìn" độ sáng một cách tuyến tính.

Vì vậy, nếu bạn giả sử điều kiện độ sáng tăng từ 1 đến 10000 (số được chọn ngẫu nhiên), trong cơ sở nhật ký 10, mắt người sẽ thấy độ sáng là 0 đến 5 trong khi máy ảnh, theo tuyến tính, sẽ thấy nó là 1 đến 10000. Tòa nhà một cảm biến có thể bao phủ phạm vi lớn như vậy rất khó vì bạn có nhiễu gây nhiễu với các phép đo thấp và nhiễu quá mức gây nhiễu cho các phép đo độ sáng cao hơn. Phải nói rằng, tôi tin rằng có một camera RED có thể ghi lại 18 điểm dừng của phạm vi động - không chắc đó chỉ là một nguyên mẫu hay mô hình sản xuất.

Bằng cách này, sự khác biệt logarit và tuyến tính cũng là lý do tại sao độ sáng tăng gấp đôi hoặc một nửa cho mỗi điểm dừng khác biệt.

Nhưng điều này là đủ cho một chủ đề nghiên cứu - vì vậy đây chỉ là một con trỏ ngắn gọn.

Mắt không chụp được dải động. Nó nén phạm vi động, và sau đó "xử lý bài" trong não tạo ra ảo ảnh về phạm vi động. Phạm vi động nén là lý do tại sao bạn có thể nhìn vào vùng tối và vùng sáng cùng một lúc. "Độ lợi", có thể nói, sẽ tự động được đặt ở các phần của võng mạc đang cảm nhận bóng, làm cho chúng sáng hơn và giảm đi khi võng mạc nhìn thấy các vùng sáng. Bộ não vẫn biết rằng nó đang nhìn vào một cái bóng nên nó tạo ra cảm giác rằng nó ở đó tối. Một kiểu mở rộng đối với dữ liệu nén đang diễn ra, có thể nói, để bạn không biết rằng phạm vi động đã bị nén.

Các cảm biến trong máy ảnh kỹ thuật số có thể dễ dàng vượt trội hơn võng mạc trong dải động thô. Vấn đề là bạn không kiểm soát phơi sáng trên cơ sở từng khu vực. Máy ảnh có cài đặt khuếch đại (thường được trình bày theo thuật ngữ phim dưới dạng cài đặt ISO) mang tính toàn cầu.

Những gì mắt làm, có thể nói, đôi khi giống như sử dụng "ISO 100" cho vùng sáng và "ISO 800" cho vùng tối cùng một lúc.

Nếu máy ảnh có thể điều chỉnh mức tăng cho các vùng pixel cụ thể dựa trên độ sáng, điều đó chắc chắn sẽ hữu ích, nhưng chúng tôi biết từ việc áp dụng các hiệu ứng tăng mức như vậy trong xử lý hậu kỳ mà não không thực sự bị chúng đánh lừa. Nó không tự nhiên. Nó trông tự nhiên chỉ khi mắt của bạn đang làm điều đó phối hợp với bộ não của chính bạn.

Đây là một câu hỏi thú vị nếu bạn cho nó cơ hội thay vì đưa ra những lý do rõ ràng tại sao máy ảnh đã được thực hiện theo cách chúng được tạo ra.

Hãy xem xét lựa chọn gần nhất. Ánh xạ giai điệu là phương pháp trong đó bộ lọc thông thấp được áp dụng cho các giá trị số mũ của hình ảnh RGBe. Điều đó đóng một phần lớn trong cách mắt nhìn thấy một cái gì đó. Nhưng hãy xem xét rằng đôi mắt của chúng ta đang có những hình ảnh hơi dài. Chúng hoạt động rất giống máy quay video hơn máy ảnh.

Ánh xạ giai điệu có thể được cải thiện đáng kể nếu nó được xây dựng như một trình tạo bóng GLSL chạy trong thời gian thực với một máy quay video chuyên dụng có thể chụp được một luồng hình ảnh HDR liên tục.

Trong một ví dụ đơn giản hơn nhiều, ảnh "HDR" của iPhone là các hình ảnh tổng hợp của hình ảnh có độ phơi sáng thấp và cao được đẩy qua quá trình ánh xạ tông màu hoạt động khá tốt nếu bạn chưa thử. Nhiều máy ảnh cấp tiêu dùng khác làm những điều tương tự.

Ngoài ra còn có chủ đề hấp dẫn về cách trực giác / ý định / tự do sẽ đóng vai trò như thế nào đôi mắt của bạn đang được hiệu chỉnh theo dòng thời gian. Nếu bạn đang nhìn vào một bức tường tối và nghĩ về việc quay đầu về phía một cửa sổ được chiếu sáng rực rỡ, bộ não của bạn có thể bảo đôi mắt của bạn đi về phía trước và bắt đầu đóng con ngươi lại. Một máy ảnh có phơi sáng tự động có thể làm điều tương tự nhưng chỉ sau khi có quá nhiều ánh sáng chiếu vào. Những người làm việc trong rạp chiếu phim dành nhiều thời gian để cài đặt thời gian của các máy quay phim trôi chảy để họ cảm thấy tự nhiên trong một cảnh quay phức tạp (hoặc chiếu sáng một cảnh theo cách mà các cài đặt của máy ảnh thực sự không phải điều chỉnh) Nhưng một lần nữa, lý do duy nhất khiến những thứ đó hoạt động là vì đạo diễn biết điều gì sẽ xảy ra với máy ảnh trước khi nó xảy ra.

Vấn đề lớn nhất sẽ là tái tạo hình ảnh được chụp.

Không nằm ngoài lĩnh vực công nghệ để tạo ra một cảm biến và cấu hình hình ảnh sẽ thu được một phạm vi độ sáng cực rộng trong một hình ảnh. Cuối cùng, đó chỉ là vấn đề đếm photon, đây là một công nghệ có quy mô đến mức cần thiết. Các máy ảnh hiện tại chủ yếu sử dụng cài đặt phơi sáng để điều chỉnh mức độ sáng mà cảm biến nhìn thấy, mặc dù nhiều công việc này có thể được thực hiện trong cảm biến, có thể gây ra nhiễu lớn hơn, nhưng bạn chắc chắn có thể thu được phạm vi rộng hơn từ cảm biến ảnh những gì hiện đang có sẵn trên thị trường.

Nhưng vấn đề là thế này: một khi bạn có bức tranh đó, bạn sẽ làm gì với nó? Ngay cả màn hình cao cấp vẫn sử dụng màu 24 bit, nghĩa là chỉ cho phép 256 sắc thái cho mỗi kênh màu. Máy in hiện tại cũng bị hạn chế tương tự, nếu không muốn nói là như vậy. Vì vậy, không có gì thực sự có thể được thực hiện với một hình ảnh như vậy mà không cần xử lý trước để giảm phạm vi xuống so với những gì máy ảnh hiện có tạo ra.

Bạn có thể đã thấy vấn đề này trước đây: hầu hết các định dạng RAW hiện tại đã lưu trữ phạm vi rộng hơn mức có thể được sao chép và phạm vi màu đã phải được nén hoặc cắt bớt trước khi bạn có thể nhìn vào hình ảnh. Thêm phạm vi thậm chí nhiều hơn vào đầu ra RAW sẽ giống như vậy. Máy ảnh có thể sẽ đắt hơn đáng kể nhưng hình ảnh sẽ không tốt hơn đáng kể vì bạn vẫn phải cắt dải màu xuống còn 24 bit trước khi bạn có thể nhìn vào nó.

Tuy nhiên, có lẽ với phần mềm phù hợp và đúng loại người dùng, bạn có thể có được thứ gì đó tuyệt vời từ nó. Có thể nó không giống với chụp ảnh HDR hiện tại, nhưng bạn sẽ không phải chụp nhiều ảnh.