Digikameran dynamiikka

Eri filmien ja digikameran dynamiikasta keskustellaan jatkuvasti. Yritän tuoda seuraavassa hiukan taustaa näillä asioille.

Peruskäsitteitä

Puhuttaessa kuvaamisesta dynamiikalla tarkoitetaan sitä tumman ja vaalean eroa, joka voidaan vielä 'mitata' filmillä tai digikennolla, niin että molemmissa päissä on vielä sävyjä ja kohina ei sotke mittausta. Esitettävän kuvan dynamiikassa puhutaan samasta asiasta, mutta on huomattava, että kuvauksen dynamiikka ei ole sama kuin siinä syntyvän kuvan esityksen dynamiikka.

Kuvattaessa puhutaan dynamiikasta usein aukkoina (ev:nä, stoppeina yms). Aukon pudotus valoisuudessa tarkoittaa valon määrän puolittumista. Tavallaan käytetään 2-kantaista logaritmista asteikkoa.

Nykyisille kuvaamisvälineille annetaan useissa lähteissä dynamiikaksi:

Kuvasta heijastuvan valon dynamiikkaa esitetään usein logaritmisella asteikoilla, jossa 0-arvo on periaatteessa puhdas valkoinen. Heijastuva densiteetti ('tiheys') pienenee 10-kantaisena logaritmina, niin että arvo 1 on 10-kertaa pienempi valonmäärä ja esim. arvo 4 jo 10000 kertaa pienempi valonmäärä. Käytännössä neljää pienempiä arvoja ei juuri enää voida mitata. Tämä asteikko voidaan muuttaa aukoiksi suunnilleen kertomalla luku kolmella.

Esittämistavan dynamiikalla tarkoitetaan maksimi- ja minimidensiteetin eroa. Erilaisten kuvanesittämistapojen dynamiikan summittaisiksi arvoiksi löytyy seuraavia:

Yllä olevissa luvuissa ei sitten puhuta värintoistosta tms. vain esitettävissä olevan vaalean ja tumman välisestä suhteesta. On sinänsä mielenkiintoista, että diafilmin tallettaessa vain n. 5 aukon kontrastin, se kuitenkin esittää parhaimmillaan 9 aukkoa kontrastia.

Digikameran kennon käyttäytyminen

Digikennon anturi (valodiodi tai -transistori) mittaa sille tulevan valonmäärän suhteellisen lineaarisesti varauksekseen. Niinpä sitä on helppo käyttää kuvan luomiseen. Varaus voidaan mitata pikseli pikseliltä ja muuttaa numereriseksi arvoksi. Komponenttia, joka muuttaa varaustiedon numeerikseksi, kutsutaan A/D-muuntimeksi. Muunnin muuttaa arvot jollekin numeerisellä välille esim. arvoiksi 0-255. Eri suuruisia arvovälejä esitetään usein puhumalla bittimääristä, joilla arvot voidaan esittää. Esim 8-bittinen muunnin luo arvoja 0-255, 12-bittinen arvoja 0-4095.

Digikameran kennossa on kaksi ongelmaa: valonkeräyksellä on tietty raja ja kenno kohisee.

Anturi nostaa valoa kerätessään lineaarisesti varaustaan, kunnes se saavuttaa saturaatiojännitteeksi kutsutun rajan. Anturi toimii kondensaattorina, joka kykenee keräämään tietyn varauksen. Tämän jälkeen kennolle tuleva valo ei enää lisää varausta. Tilanne näkyy syntyvässä kuvassa ns. palamisena: valon määrän saavuttaessa maksimin kaikki yli menevät sävyt näkyvät samana arvona. Tämä taso on täysin kennosta kiinni eikä riipu käytetystä A/D-muuntimesta. Taso riippuu käytetystä kennotekniikasta ja varsin suoraan yhden anturin koosta.

Kenno muodostuu elektroniikasta, joka kohisee. Kohina on satunnaista vaihtelua kennon komponenttien ja johtimien jännitetasoissa. Kohinataso voi olla varsin pieni, mutta se tulee esille kun mitataan pieniä jännitteitä - erityisesti kun kennon anturit ovat olleet hämärässä ja niiden varaukset ovat pieniä. Yksi kohinan muoto on ns. Dark Current, eräänlainen jännitetaso joka esiintyy kennon antureissa vaikka ne ovat täysin pimeässä. Kohinan määräkin riippuu käytetystä kennotekniikasta ja jälleen kennon anturien koosta; suuremmat komponentit ovat vähemmän herkkiä kohinalle.

Kuvaamisvälineen dynamiikka-alue voidaan katsoa alkavaksi vasta siitä valoisuudesta, jossa kohina ei enää sotke varsinaista kuvainformaatiota. Se, että missä tämä kohta on, voidaan määritellä useammallakin tavalla: usein määritellään, joku signaali/kohina -suhde josta dynamiikka-alueen katsotaan alkavan. Digikameran dynamiikan valoisa pää sensijaan on helppo määritellä anturin saturaatiopisteeseen.

Esimerkki kennon dynamiikasta

Sony tuottaa varsin suuren osan digikameroista käytetyistä kennoista. Useat valmistajat käyttävät Sonyn CCD-kennoja. Sonyn kennospeksejä löytyy osoitteesta http://www.sony.net/Products/SC-HP/Product_List_E/CCD_image_E/frame_readout_E.html

Katsotaan vaikka Sony 1/1.8" 5MPix kennoa. Kennon läpimitta on 9 mm, yksittäisen anturin sivu 2.8 mikrometriä. Yksittäisen anturin ns. saturaatiojännite on n. 500 mV ja Dark Currentin keskimääräinen suuruus 16 mV. Ensimmäinen luku siis kertoo miten paljon yksi anturi voi vastaanottaa valoa, ennen kuin se täyttyy eikä, enää muutu valonmäärän lisääntyessä. Toinen luku taas kertoo kennossa esiintyvän peruskohinan. Voidaan vaikka määritellä, että tuota peruskohinaa alittavaa signaalia ei enää voida luotettavasti mitata (signaali/kohina -suhde laskee alle yhden).

CCD on suhteellisen lineaarinen muuttaessaan valonmäärää signaaliksi. Tällöin voidaan suoraan jakaa nuo luvut keskenään ja saadaan, että kenno voi ottaa vastaan 32-kertaisia valoisuuseroja. Aukot saadaan tuosta ottamalla 2-kantainen logaritmi eli 5 aukkoa. Mikä vastaa hämmästyttävän hyvin juuri niitä lukuja, mitä pokkareiden kennoista on esitetty.

Järkkärissä yksittäisen pikselin koko on suurempi. Tällöin saatavan signaalin suhde kohinaan kasvaa ja dynamiikkaakin saadaan suuremmaksi. Sonylla on 6 MPix:n kenno joka on lävistäjältään 28 mm. Pikselin sivu on n. kaksinkertainen tuohon edellisen esimerkin kennoon. Saturaatiojänniteeksi on annettu 900 mV ja Dark Currentiksi 4 mV. Dynamiikaksi tulee 7.8 aukkoa.

Dynamiikkaa voidaan parantaa erityisesti kohinanpoistolla. Niinsanotussa Dark Frame -tekniikassa kussakin pikselissä pyritään mittaamaan kennon omaa kohinaa ja vähennetään tämä kuvasignaalista. Tälläisellä tekniikalla voidaan tumman pään dynamiikkaa parantaa huomattavasti.

Toinen dynamiikkaa parantava vaikutus voi olla digikameroissa käytetyllä Bayer-interpolaatiolla. Yhden väripikselin tuottamiseen käytetään useita erivärisiä vierekkäisiä antureita. Hyvällä interpolointialgoritmilla dynamiikka voi kasvaa.

Kennon dynamiikka taas huononee, kun kennon ISO-herkkyyttä kasvatetaan. Tämä tehdään kasvattamalla kennon vahvistusta, jolloin myös kohina vahvistuu.

Bittimäärän vaikutus

Kuten edellä todettiin dynamiikalla on kennossa fyysiset rajat. Se, että miten monella bitillä tätä väliä mitataan, ei suoraan lisää dynamiikkaa.

Bittimäärä vaikuttaa kuitenkin ns. tonaalisuuteen. Lähdetään käsittelemään tätä esimerkin avulla. Kuvitellaan että olemme ottamassa alla olevan tapaista kuvaa. Kuvattavan alueen toisessa laidassa on hyvin valoisaa ja toisessa laidassa hyvin pimeää.

Kuva on hyvin valotettu ja kirkkaassa päässä ollaan lähellä pikselin saturoitumista. Toinen pää voidaan olettaa päässeen kameran dynamiikan ääreen, oletetaan vaikka 6 aukon verran valoisuuseroa. Listataan hiukan teoreettisia 8- ja 12-bittisiä pikseliarvoja eri valoisuuserojen kohdalta

DensiteettiAukkoero8-bit arvo12-bit arvo
0.002554095
0.3311272047
0.672631023
1.0331511
1.33415255
1.6757127
2.06363

Ihmissilmää on myös tutkittu tuollaisen kuvan osalta. Kun kenno mittaa valoisuutta lineaarisesti (tavallaan laskee ihan suoraan valokvantteja), niin silmä toimii logaritmisesti ja tulkitsee ikäänkuin valonmäärän kaksinkertaistumisen yhtenä askeleena. Tämän takia densiteetti ja aukkoasteikot ovat yleensä myös logaritmisia. Parhaimmillaan silmä voi erottaa n. 70 sävyeroa per yksi aukko kirkkaissa kohdissa ja 30 sävyeroa pimeissä kohdissa. Tietysti edellyttäen, että kuva voi ne näyttää.

Nyt, jos katsotaan yllä olevaa taulukkoa, todetaan ettei pimeimmässä aukkovälissä ole käytettävissä enää kuin 4 sävyeroa, jos käytössä on 8-bittiset sävyt. Tälläisessä pinnassa ihminen näkisi sävyt portaittaisina eikä liukuna. Lisäksi kohinan aiheuttama arvon heilahtaminen näkyisi heti.

Sen sijaan jos käytettävissä on 12-bittisen värit, niin sävyeroja löytyy riittävästi vielä pimeämmässäkin kohdassa, eikä edes pieni kohinakaan vielä haittaisi.

Useat kamerat mittaavat pikseleitä 10-14 bitillä, mutta lopulta tulostavat JPEG-kuvan, jossa käytetään 8 bittiä värisävyihin. Ylimääräisillä biteillä on merkitystä koska kamera käsittelee kennolta saatua kuvaa huomattavasti. Valkotasapaino, Bayer-interpolointi, kuvan valoisuuden, kontrastin ja terävyyden säätö ovat osa kaikkien digikameroiden toiminnallisuutta. Suuremmalla bittimäärällä saadaan kuvasta paremmin käsittelyä kestävä ja tämä varsinkin tummemmilla alueilla, jossa pienet muutokset lukuarvoissa toisivat muuten suuria vaihteluita.

Jos kuvat saadaan kamerasta ulos suuremmalla bittimäärällä (esim. RAW tai TIFF-muodossa), niin tälläkin on merkitystä kuvankäsittelyssä. Esimerkiksi jos meillä on alivaloittunut kuva, joka siis ei käytä koko kennon dynamiikkaa. Jos kuva halutaan kuitenkin korjata vaaleammaksi, niin pienemmällä bittimäärällä ei saada dynamiikan alapäähän sävyjä, kohinaa voi tulla esille ja sitä kautta dynamiikka määritelmänsä mukaisesti pienenee. Suuremmalla bittimäärällä vaalennus voi onnistua, väriliukumat pysyisivät tasaisina ja kohinakin ainakin rauhallisemmin käyttäytyvänä. Jos kuvaa halutaan käsitellä suuremmalla bittimäärällä, tarvitaan siihen kykenevä kuvankäsittelyohjelma, esimerkiksi PhotoShop, Picture Window Pro tai joku RAW-kuvien käsittelyyn tarkoitettu ohjelma, vaikkapa Capture One.

Ylivaloittuneeseen, palaneeseen kuvaan ei kuitenkaan bittimäärän lisäyksellä saada sävyjä - yksityiskohdat ovat hävinneet. Tämä on syynä siihen, että usein kehotetaan digikuva mielummin hiukan alivaloittamaan.

Yllä oleva väriliuku on muuten mielenkiintoinen esimerkki tuosta pikseliarvojen mappauksesta tummuuksiksi. Tuossa kuvassa harmaasävyt menevät arvosta 255 arvoon 0. Ne eivät liu'u lineaarisesti vaan niin itse asiassa juuri tuon taulukon 8-bit lukujen mukaisesti. Viimeisessä aukkovälissä on enää 4 eri sävyä. Luultavasti et erota niitä toisistaan, koska näyttösi dynamiikka loppuu.

Kehittyykö digikameran dynamiikka

Dynamiikan kehitys on jo tapahtumassa useitakin eri reittejä. Markkinoille on tullut Fujin uusi kenno, jossa kukin pikseli mitataan tavallisen anturin lisäksi toisella vähemmän herkällä anturilla. Näistä saadu informaatio yhdistetään ja saadaan teoriassa suurempi dynamiikka. Käytännön tulokset ovat toistaiseksi olleet vaihtelevia.

Toinen kehityssuunta on kohinan pienentäminen. Tätä on ratkottua ainakin CMOS-kennojen kehittyneillä kohinanpoistotavoilla ja A/D-muunnoksen siirtämisellä pikselikohtaiseksi. Kennokoon kasvaminen on myös luontainen tapa pienentää signaali/kohina -suhdetta.

Tieteellisissä käytöissä on kennon dynamiikkaa saatu kasvatettua huomattavasti negafilmiä paremmaksi. Tällöin edellisten keinojen lisäksi on käytetty mm. jäähdytettyjä kennoja ja erilaisia kuvanparannusmenetelmiä. Mielenkiintoista on nähdä miten jatkossa perusvalokuvaajan kennot paranevat.

28.11.2003