Expozice - 4. Dynamický rozsah a kontrast scény - Fotografovani.cz - Digitální fotografie v praxi

30. března 2006, 00.00 | Podíváte-li se na jakoukoliv scénu prostým okem, snadno najdete nejjasnější a nejtmavší místo. Při troše cviku dokážete i zhruba odhadnout, jak velký rozdíl jasů mezi těmito místy je - je-li scéna mdlá nebo naopak hodně kontrastní. Tomu se říká dynamický rozsah scény případně kontrast scény či tonální rozsah scény. Proč je u fotografie tak důležitý?

::Expozice - 1. Expoziční základy
::Expozice - 2. Měření expozice
::Expozice - 3. Expoziční režimy
::Expozice - 5. Praktická expozice

Než odpovíme na výše položenou otázku, pokusme se definovat a změřit kontrast scény přesněji. S výhodou k tomu lze použít expozimetr vestavěný v každém fotoaparátu. Scénou se přitom rozumí obdélníkový úsek reálného světa, který hodláte fotografovat.

Absolutní jas bodu
Absolutní jas určitého bodu scény lze snadno zjistit tak, že změříte expozici v tomto bodě a z naměřených hodnot expozičního času, clony a ISO spočítáte jas v EV jednotkách. Praktické provedení je snadné:

1. Vyzoomujte na maximum objektiv - čím delší ohnisko tím lepší
2. Přepněte na bodové či částečné (spot, partial) měření expozice
3. Co nejpřesněji nastavte střed hledáčku na měřený bod - k tomu právě velmi pomáhá dlouhé ohnisko
4. Poznamenejte si hodnoty expozičního času, clony a ISO citlivosti pro tento bod
5. Ze zjištěných hodnot vypočítejte EV měřeného bodu. Pro výpočet můžete použít jednu z metod uvedenou v 1.díle o expozici¨, nebo si můžete stáhnout praktickou EV tabulku ve formátu PDF.

Změření kontrastu scény

1. Najděte ve scéně nejsvětlejší bod (tzv. světla) a změřte jeho EV. Vyjde např. 17 EV.
2. Najděte nejtmavší bod scény (tzv. stíny) a změřte jeho EV. Vyjde např. 6 EV.
3. Rozdíl, čili 17-6=11 EV, je dynamický rozsah scény případně kontrast scény či tonální rozsah scény.

Vzhledem k tomu, že kontrast scény 1 EV znamená kontrast 1:2, tak 11 EV znamená, že podíl jasů nejtmavšího a nejjasnějšího bodu je v poměru 1 : 2¹¹ = 1 : 2048!

Změření kontrastu scény není s moderním digitálním fotoaparátem nic těžkého.

Kontrast scén v přírodě
Příroda poskytuje každý den scény s nejrůznějším dynamickým rozsahem. Za plného slunce bude jasový kontrast (dynamika scény) rozhodně vyšší než v mlžném pošmourném dni. Pokud do scény zapracujete i slunce nebo jiný světelný zdroj, bude logicky kontrast scény obrovský, protože jas nejsvětlejšího bodu (středu slunce) je enormní.

Fyzikálně vzato, příroda poskytuje nekonečný jasový rozsah. Hluboko v chladném vesmíru, daleko od všech zdrojů světla a záření je absolutní jas blízký -∞ EV. V absolutní tmě můžete exponovat ∞ dlouho při ∞ ISO a s ∞ průměrem clony a stále budete dostávat na fotce jen a jen černou. Naopak v pekelném žáru hvězd či galaxií při teplotách milionů °C je intenzita světla tak velká, že může dosahovat několika tisíců EV.

Reálná příroda na zemi je naštěstí mnohem přívětivější, a tak scény málokdy dosahují většího kontrastu než cca 15 EV. Avšak i přesto hluboce přesahují možnosti jak filmových tak digitálních fotoaparátů!

Velkým kontrastem obvykle trpí scény snímané na prudkém poledním slunci. Předměty na slunci bývají velmi jasné, zatímco stíny hluboké a temné. V takovém světle je potřeba velmi přesně exponovat, případně použít nástroje na snížení kontrastu scény.

Dynamický rozsah fotoaparátů
Fotoaparát by měl být schopen věrně zaznamenat scénu. Měl by tedy být schopen zachytit jasná světla i tmavé stíny a tak kontrast (rozsah jasů) scény by měl být menší než rozsah jasů, které je senzor fotoaparátu schopen zpracovat. Neboli dynamický rozsah scény by se měl vejít do dynamického rozsahu fotoaparátu.

V praxi tomu tak ale často není. Dynamický rozsah digitálních fotoaparátů není špatný, zdaleka však nedosahuje dynamických rozsahů reálné přírody. Jak vypadají současné digitální fotoaparáty v konkurenci ostatních zařízení, lidského oka a přírody shrnuje tabulka:

^[1] V praxi se často dynamický rozsah zařízení špatně zjišťuje. V technických parametrech obvykle uváděn není (přesto že se jedná o veledůležitou veličinu) a obecně dostupné informace se často rozcházejí. Tabulka shrnuje dostupná data, na kterých se řada zdrojů shoduje.

^[2] Lidské oko je opravdu div co se optických vlastností a adaptace týče. Rozlišení oka a jeho dynamický rozsah leží daleko za možnostmi jakéhokoliv filmu nebo digitálního čipu. Za průměrných podmínek může lidské oko přesně zaznamenat detaily i ve světelných intenzitách o poměru 11 až 15 EV v jedné scéně a absolutní dynamický rozsah - od adaptace na úplně tmavou po adaptaci na úplně světlou - dosahuje až 30 EV!

Dynamický rozsah scény versus expozice a histogram
Senzor digitálního fotoaparátu ani film není schopen najednou zpracovat celou škálu jasů, kterou poskytuje příroda. Je tak třeba vybrat určitý rozsah jasů, který nás teď právě zajímá a na ten nastavit senzor. Prakticky se tomu říká určování expozice a expozimetr se tak nesnaží o nic jiného, než o odhadnutí středního jasu právě fotografované scény. Nastavením expozice tak vlastně vybíráte určité "okno jasů", které právě teď zaznamenáte.

Nastavením expozice vybíráte rozsah jasů, které zaznamená fotoaparát. Tmavé části scény (vše vlevo od A) se mapují na senzoru na černou {0,0,0} a světlé (vpravo od B) se mapují na bílou {255,255,255}. Kresba je věrně zaznamenána jen uvnitř okna. Nastavením různých hodnot expozice "jezdíte" oknem po jasech scény.

Přidáním expozice popojedete oknem vlevo. Tmavší body scény se dostanou do okna ale světlejší naopak vypadnou - budou přepálené. Ubráním expozice popojedete oknem vpravo, lépe zabráníte přepalům, ale zase tmavší body scény "vypadnou z okna" a vzniknou černá místa bez kresby - podpaly.

Standardní automatické měření fotoaparátů (viz 2.díl - Měření expozice) pak v principu funguje tak, že se snaží najít průměrný jas scény a na ten symetricky umístí okno expozice. Neboli střední jas scény mapuje na střední šedou senzoru. Jednotlivé režimy se přitom liší plochou scény, jakou berou při měření v úvahu.

V každodenní praxi mohou v zásadě nastat 2 situace:

1. Kontrast scény je menší než dynamický rozsah fotoaparátu
Typické pro podobné scény je, že nemají černou ani bílou. Jsou celkově nevýrazné, nekontrastní, mdlé. To je pro digitální senzor skvělá situace, která nevyžaduje žádná zvláštní opatření. Jediným problémem je nastavit expozici tak, aby se scéna dynamicky vešla do rozsahu senzoru. Má-li scéna rozsah např. 4 EV a fotoaparát 7 EV, tak toho chybou expozice o 2 EV moc nezkazíte. To je prostě povolená tolerance. Určíte tím akorát, jestli snímek vyzní spíše ponuře (tmavší) nebo optimisticky (světlejší), což snadno při následném zpracování v PC doladíte.

Podobné podzimní scény se vyznačují malým dynamickým rozsahem. Celá scéna se potom jasově "zhuhlá" v úzké části uvnitř okna, což je krásně vidět na histogramu.

Dynamicky chudé nekontrastní scény se dobře exponují, protože se v pohodě vejdou do dynamického rozsahu fotoaparátu.

Exponujte doprava - Expose (to the) Right - pro mistry
Pokud plánujete úpravu fotografie v PC, tak nekontrastní fotografie je vždy lepší exponovat na histogramu doprava (fotografie tak bude světlejší) a potom ji v počítači zpět ztmavit. Velmi účinně tím potlačuje šum, resp. zlepšujete poměr signál/šum (SNR) a dále ve světlých částech obrazu senzor mnohem lépe kreslí. Díky linearitě senzoru ve srovnání s logaritmickým okem je totiž jasová rozlišovací schopnost senzoru v tmavých odstínech jen 128 úrovní, kdežto ve světlých 2048 při 12 bitovém snímání. Skvělý článek na toto téma (anglicky) je zde.

2. Kontrast scény je větší než dynamický rozsah fotoaparátu
Bohužel, tato situace nastává poměrně často. Znamená to, že váš fotoaparát není schopen zaznamenat celý rozsah jasů scény. Podle toho kam nastavíte okno expozice, tak část bodů bude vždy přepálená nebo podpálená nebo oboje.

Takovéto scény mají obrovský kontrast - z jedné strany hluboké stíny, z druhé strany přímé slunce v obraze. Jsou tedy nezaznamenatelné. Pečlivou expozicí však bylo zde docíleno toho, že originál nemá žádné podpaly (stíny jsou prokresleny) a přepálené je pouze slunce (přepálené body označeny červeně).

Když je dynamický rozsah scény větší než rozsah senzoru, scénu nelze nikdy zaznamenat celou. Můžete buď exponovat na stíny (nahoře), zachovat v nich kresbu, ale budete obětovat světla. Vše ve scéně jasnější než bod B bude totiž přepálené. Nebo můžete exponovat na světla (dole) a vše tmavší než bod A bude podpálené. Nebo najdete nějaký kompromis.

Samozřejmě vysoký kontrast nemusíte řešit - fotografie i s přepálenými či podpálenými místy bude mít svojí hodnotu. Nicméně pokud je cílem skutečně kvalitní fotografie, nejsou podpálená ale zejména přepálená místa až na výjimky nic pěkného. Nezbude, než kontrast scény snížit:

Jak snížit dynamický rozsah scény
Pokud v terénu nastane situace, že dynamický rozsah scény přesáhne dynamický rozsah fotoaparátu, máte několik možností řešení:

1. Jít domu
Vůbec fotografii nepořizovat a počkat na lepší světelné podmínky.

2. Filtry
Šedý přechodový filtr snižuje jas světlých míst scény. Přechodový filtr je nutné ručně nastavit tak, aby šedá část stínila např. oblohu, zatímco čirá část nechala beze změny tmavé popředí. Je možné s ním otáčet a někdy i posouvat nahoru i dolu. Tím je možné ho přizpůsobit konkrétní scéně. Přechodové filtry se liší silou svého účinku v šedé části a na trhu jsou filtry s prostupností v šedé části 50% (ND2 - redukují světlo na polovinu čili uberou 1 EV), 25% (ND4 - redukují světlo na čtvrtinu čili uberou 2 EV) či 12,5% (ND8 - redukují světlo na osminu čili uberou 3 EV). Polarizační filtr pracuje na jiném principu a sice, že ztmavuje např. oblohu filtrací jejího nepolarizovaného světla. Šedý přechodový filtr je tak v kombinaci s polarizačním filtrem často nezbytný pro krajinářské fotografie, architekturu atp.

3. Fill-in blesk
Jsou-li hluboké stíny v blízkosti fotoaparátu (do cca 5 metrů) je možné je přisvítit bleskem, a tak stíny "zesvětlit". Tomuto druhu použití blesku se říká  fill-in (vyplňovací) blesk. Fill-in blesk má ale i své nevýhody:

1. Barva světla blesku se často liší od barvy okolního světla. Kombinací 2 různě barevných zdrojů vznikají často nepěkné barevné posuny (zvláště na odstínech pleti), které navíc lze jen velmi těžko v PC kompenzovat.
2. Čelní silné světlo blesku často zploští přisvícené objekty, nebo na nich zanechá hluboké černé nepěkné stíny.
3. Vyvážení expozice mezi přirozeným okolím a bleskem přisvícenými stíny je dost náročné a obvykle vyžaduje porozumění metodám měření expozice bleskem a expoziční kompenzaci blesku.

Aby byla tato scéna zachytitelná digitálním fotoaparátem, musely být kameny v popředí přisvíceny bleskem, jehož intenzita byla snížena o 1 ⅔ EV.

4. Odrazné desky
Jedna nebo více odrazných desek rozmístěných po scéně může efektivně projasnit stíny. Navíc barva světla se nemění a scéna se snadno inscenuje a měří (vše je vidět). Na trhu je řada odrazných desek různých velikostí a zabarvení a většina z nich se dá i celkem slušně složit.

5. Expozice na dva snímky
Jde o to, že ze stativu naexponujete stejnou scénu dvakrát - jednou na světla a podruhé na stíny, a tak vlastně "zdvojnásobíte" dynamický rozsah fotoaparátu. Potom tyto snímky v počítači spojíte a z každého vyberete tu jeho "lépe exponovanou" část. Snadno se to řekne, ale hůř udělá. Fotografie musí totiž perfektně na sebe sedět a z principu věci to vylučuje jakékoliv fotografie pohybujících se objektů, lidí atd.

Dynamický rozsah scény versus histogram
I bez přesného proměření můžete odhadnout vztah dynamického rozsahu scény a dynamického rozsahu fotoaparátu podle histogramu exponovaného snímku:

Histogram naznačuje, že scéna má malý kontrast, výrazně menší, než je dynamický rozsah fotoaparátu. Takové scény je výhodné exponovat tak, aby se histogram s mírnou reservou dotýkal pravého okraje grafu.	Vzácný případ, kdy kontrast scény je přesně roven dynamickému rozsahu fotoaparátu. Při zcela přesné expozici lze scénu zaznamenat celou. Jakákoliv chyba expozice ale povede buď k přepalům nebo k podpalům.
Kontrast scény je výrazně větší, než dynamický rozsah fotoaparátu. Červené zóny sice na reálném histogramu neuvidíte, ale jejich existence se prozradí "uříznutým" histogramem vpravo i vlevo. Takto exponovaná scéna ukazuje, že fotograf se rozhodl pro záznam jasového středu scény a obětoval podpaly i přepaly.
Kontrast scény je větší, než dynamický rozsah fotoaparátu a fotograf se rozhodl exponovat na světla. Zachoval v nich kresbu, ale obětoval stíny a vytvořil podpaly.	Kontrast scény je větší, než dynamický rozsah fotoaparátu a fotograf se rozhodl exponovat na stíny. Zachoval v nich kresbu, ale obětoval světla a vytvořil přepaly.

Závěr
Správnou expozici a dynamický rozsah není třeba démonizovat. Dnešní automatické měření expozice funguje poměrně spolehlivě a za normálních světlených podmínek dokáže s dynamických rozsahem slušně hospodařit. Pokud vám však záleží na kvalitě fotografie či zamýšlíte z ní zhotovit zvětšeninu alespoň formátu 15 x 21 cm, tak je škoda chybnou expozicí o část vzácného dynamického rozsahu přijít a připravit se tak například o kresbu mraků na obloze. Zvlášť když je chyba poměrně zřetelně vidět hned po expozici na histogramu a oprava expozice nic nestojí. A to je také odpověď na v úvodu položenou otázku.