Wiaderko do pełna czyli ETTR i elektrony

Aktualizacja (1.12.2017) – wprowadziłem kilka wyjaśnień w tekście, które nasunęły mi się po kilku dyskusjach jakie wywołał on na forach.

Dziś przyszedł czas na kolejny tekst z pogranicza samej fotografii jako takiej a stanowczo bardziej w okolicach narzędzi do jej uprawiania. Tekst będzie mocno techniczny, więc jeżeli nie jesteś choć trochę geekiem technologii pewnie nie do końca warto go czytać – choć zachęcam przynajmniej do przeczytania puenty na końcu.
O technice ETTR pisałem już sporo na poprzednim blogu, od tamtego czasu mniej lub więcej staram się ją stosować, tym nie mniej w tym tekście chciałem pochylić się nad zagadnieniem znacznie bardziej technicznie.
Jako, że tekst będzie głównie o matrycach, to zacznę od kilku spraw technicznych, które zapewne okażą się banalnie oczywiste – tym nie mniej warto temat uporządkować. Po pierwsze trzeba pamiętać, że matryce CMOS są monochromatyczne – a odczyt koloru odbywa się poprzez nałożony na nią filtr bayerowski – tak więc wszystko co dalej opisujemy dotyczy poszczególnego kanału a „kolor” odtwarzany jest dopiero w procesie obróbki przez silnik RAW. Tak więc ułóżmy sprawy związane z konstrukcją i działaniem dzisiejszych matryc w aparatach (mówimy tylko o wszelakich odmianach matryc CMOS):

• Komórka matrycy to nic innego jak kondensator przechowujący ładunek – czyli w naszej nomenklaturze wiaderko na elektrony
• Wiaderko napełniane jest przez elektrony powstałe na skutek konwersji fotonów w diodzie będącej składnikiem komórki (przyjmijmy, że każdy foton padający na komórkę zamienia się na elektron)
• To ile elektronów zebrało się w danym wiaderku możemy odczytać sprawdzając jakie jest napięcie w danym wiaderku

Poza tymi podstawami, bardzo ważne jest, aby mieć świadomość bardzo podstawowego faktu:

• Tą część matrycy, którą powyżej opisaliśmy nie ma związku z czułością (wyrażaną w ISO) – to znaczy, że dla danej jednej sceny niezależnie od ustawionego ISO do każdego wiaderka wpada zawsze tyle samo elektronów – bo na każdą komórkę matrycy w danej scenie pada zawsze tyle samo fotonów (oczywiście z dokładnością do odchyłek statystycznych). Możemy więc mówić tylko o tym jaką każde wiaderko ma pojemność maksymalną – to znaczy ile zmieści elektronów. Zwiększenie ISO w żaden sposób na te elektrony czy fotony nie wpływa – matryca to nie odkurzacz, w magiczny sposób ich nie przyciągnie.
• Pojemność każdego wiaderka możemy określić mianem współczynnika wzmocnienia matrycy (Gain) – wyrażanego najczęściej w jednostce e/V – to znaczy ile zebranych elektronów wywoła napięcie na wiaderku równe 1 woltowi oraz jego pojemność maksymalną wyrażoną w elektronach lub woltach

No to mamy podstawy, brakuje jeszcze dwóch elementów – naszego wspomnianego już ISO, czyli czułości oraz cyferek, które na końcu dostajemy w pliku RAW. Zacznijmy od czułości – za każdym wiaderkiem znajduje się wzmacniacz, który analogowo potrafi pomnożyć przez pewien współczynnik odczytaną wartość napięcia na wiaderku. To właśnie jest ISO. Załóżmy, że nasze wiaderko ma pojemność 1000 elektronów i maksymalne napięcie – odpowiadające wypełnieniu po brzegi równe 1V. Jeżeli nasza matryca pracuje w trybie naturalnym (bez wzmocnienia) i powiedzmy, że producent ustalił, że jest to ISO 100 – to jeżeli wiaderko złapie 250 elektronów, to na wyjściu uzyskamy wynik 0,25 V. Jeżeli zwiększymy ISO do 200 i do wiaderka w dalszym ciągu wpadnie 250 elektronów, to na wyjściu w dalszym ciągu otrzymamy 0,25 V, ale nasz wzmacniacz wzmocni sygnał 2x (200/100 = 2) – czyli uzyskamy 0,5 V. I wszystko się zgadza, bo punkt o takiej samej jasności naświetlony przy ISO 200 powinien być 2 razy jaśniejszy (czyli różnić się o 1 EV) od tego samego punktu naświetlonego przy ISO 100. Tutaj warto dodać, że to działa (niestety) również w drugą stronę. Ze względu na wzmocnienie sygnału oraz jego stałą wartość progową, przy większym ISO (wzmocnieniu) nasze wiaderko nie może być już całkowicie pełne, bo wartość po wzmocnieniu wyszła by poza próg. Tak więc w naszym wspomnianym przypadku – przy wzmocnieniu odpowiadającym ISO 200, czyli 2x – nasze wiaderko (choć fizycznie może pomieścić 1000 elektronów) będzie „pełne” już przy 500 – bo to będzie odpowiadało sygnałowi na wyjściu wzmacniacza równemu 1V.  Proste prawda? Następny krok jest jeszcze prostszy – wzmocniony sygnał analogowy trafia na przetwornik analogowy cyfrowy, który napięcie zamienia na cyferkę w odpowiedniej skali – czyli dokładnie to co ląduje w naszym pliku raw (w wypadku kodowania 14 bitowego, dla naszego przykładowego układu odczyt 0V skonwertowany zostanie na 0 a 1V na 2^14 czyli 16384).

Można by w zasadzie skończyć tą nieco nudną historię w tym miejscu, gdyby nie jeden prosty element, o którym jeszcze nie napisałem – szum. W matrycach mamy 3 podstawowe źródła szumu (szum fotonowy – tak, tak, nasz Świat nie jest krystalicznie czysty, też szumi), szum przed wzmacniaczem analogowym i szum po wzmacniaczu analogowym. Na pierwszy zupełnie nic nie poradzimy a w dzisiejszych matrycach szum po wzmacniaczu jest bliski zera ze względu na bliskość samego elementu wzmacniającego przetwornika ADC (matryce nie posiadające w ogóle tego składnika szumu nazywamy dość mylnie „isoless”). Głównym kłopotem widocznym na zdjęciach jest szum, który powstaje w ścieżce przed wzmacniaczem analogowym. Jeżeli zdamy sobie sprawę, że objawem tego szumu są po prostu fluktuacje napięcia odczytywanego przez wzmacniacz  i to fluktuacje te są stałe a nie proporcjonalne do wartości sygnału  to bardzo szybko dojdziemy do wniosku, że im silniejszy jest sygnał tym ten szum na na niego mniejszy wpływ (właśnie dlatego szum dokucza nam w cieniach a nie w najjaśniejszych partiach zdjęcia). Ale, uwaga! idzie za tym kolejna ważna sprawa – żeby zminimalizować szum i wykorzystać potencjał naszej matrycy – wiaderka powinny być jak najbardziej pełne. Bo wtedy minimalizujemy wpływ szumu na nasze odczyty.

Po tym prostym wniosku zaczynają się schody – albowiem nie ma nic bardziej mylnego niż stwierdzenie, że producenci aparatów zadbali o to, aby tak się działo. Niestety – jest wręcz przeciwnie. Automatyka naszych aparatów zapożyczona jeszcze z urządzeń analogowych jest przystosowana do optymalizacji produkcji wyjściowych JPGów (kurczę, zapomniałem napisać na początku, że jeżeli fotografujesz wyłącznie w JPG to zupełnie niepotrzebnie czytasz moje wypociny) co powoduje, że praktycznie nie wykorzystuje możliwości matryc i formatu RAW. Można to sobie samemu sprawdzić albo uwierzyć tym co sprawdzili (ja sprawdziłem dla swojego A6500). Wystarczy zrobić zdjęcie w RAW białego lub szarego obiektu – ustawiając na niego pomiar światła typu „spot”. Automatyka aparatu powinna potraktować ten obiekt jako 18% szarości (czyli zreprodukować go w JPG w przestrzeni sRGB w okolicach wartości R=118,G=118,B=118). Jeżeli teraz weźmiemy to samo zdjęcie zrobione RAW i którymkolwiek narzędziem do analizy plików RAW (ja używam RawDigger’a) sprawdzimy wartości liczbowe pikseli to okaże się, że wartości są grubo niższe niż te 18%. W wypadku mojego A6500 odczytana wartość wynosi 2100, co przy maksymalnej równej 15800 (14 bitów minus margines poziomu czerni) daje tylko 13%. Co w skali logarytmicznej daje (pamiętajmy, że EV to skala logarytmiczna) – log2(15800/2100) = 2,91 EV !!! Oznacza to tyle, że automatyka aparatu niedoświetla scenę o prawie 3 EV (a dokładnie rzecz biorąc odległość od naszej saturacji matyrcy + stopień wzmocnienia od zmierzonej szarości wynosi 3 EV). Oznacza to również fakt, że przy normalnej scenie i normalnym pomiarze światła nasze wiaderka w matrycy będą wypełnione co najwyżej w 1/3 (tutaj ważne aby zrozumieć, że jest to wartość uśredniona – albowiem automatyka aparatu dąży do średniej jasności sceny na poziomie 18%). U innych producentów wartości te wahają się od 2,5 nawet do 4 EV (w zależności od modelu). Pamiętajmy, napełnienie wiaderek, definiujemy jako sygnał wyjściowy wzmacniacza analogowego, a więc wiaderko pełne przy ISO 100, to już tylko wiaderko pół-pełne przy ISO 200.

Jak żyć? Normalnie – stosować technikę ETTR, czyli tak naświetlać sceny aby wiaderka w najjaśniejszych jej punktach były wypełnione do pełna (prawie do pełna). Oczywiście brzmi to prosto w teorii, nieco ciężej w praktyce. Jeżeli zastosujemy pomiar światła „spot” na najjaśniejszą część sceny to możemy po prostu zrobić korekcję na plus o obliczoną powyżej (dla każdego aparatu będzie ona inna) wartość EV. Oczywiście w obróbce (trzeba będzie na dzień dobry zrobić korektę na minus o tyle samo EV, bo obrabiarki nauczone zostały traktować dane w RAW tak samo jak silnik tworzenia JPG w aparatach). Ale już tylko tym zabiegiem obniżyliśmy szum o 2 działki i zupełnie bezkarnie możemy wyciągnąć z powrotem cienie. Oczywiście jeżeli stosujemy pomiar matrycowy światła (a zapewne tak robimy) to jest ciężej, bo wtedy automatyka aparatu decyduje, który punkt na scenie ma być tym wzorcowym 18% bieli. Trzeba znaleźć swój sposób – w Sony i innych bezlusterkowcach jest łatwiej, bo mamy podgląd na żywo. W moim A6500 wystarczy wyłączyć Picture Profile i ustawić wyświetlanie zebry na 109%+ i dla każdej sceny tak dobrać korektę aby zebra tylko delikatnie pojawiła się na najjaśniejszych partiach sceny – to gwarantuje wypełnienie wiaderek w matrycy w jakiś 95%. Trzeba tylko pamiętać, że tak naświetlone zdjęcie będzie nieużywalne w JPG a miniatura będzie wyglądać jak jedna biała plama – nie pochwalimy się zdjęciem na wyświetlaczu aparatu (żaden z producentów nie wpadł na pomysł aby podgląd generować z RAW’a).

Pamiętajmy na koniec, że to nie jest zabawa dla zabawy. Im bardziej wypełnione są wiaderka tym większą dynamikę sceny jesteśmy w stanie zarejestrować oraz bardziej bezkarnie wyciągnąć cienie w obróbce (a co to znaczy wyciągnąć bezkarnie cienie o 3 EV to chyba nie trzeba tłumaczyć – jeżeli dotrwałeś to tego miejsca to na pewno wiesz o co biega). Pamiętajmy także, że z punktu widzenia szumu najbardziej optymalną wartość szumu (a w zasadzie jego stosunek do sygnału) uzyskamy kiedy prawdziwe wiaderka są na prawdę pełne, a więc wzmacniacze analogowe pracują ze współczynnikiem 1:1 (co tłumaczy się na natywne ISO matrycy).

I na koniec podstawowe pytanie – czy to spowoduje, że będę robił lepsze zdjęcia? Oczywiście, że nie. W końcu to nie aparat robi zdjęcie (a przynajmniej tak mnie uczyli). Ale… pomyśl też, że skoro kiedyś zrobisz już to swoje zdjęcie życia, albo po prostu dobre zdjęcie, to czy nie warto przy okazji zrobić je tak aby miało również maksymalną wartość techniczną?

Oczywiście, jeżeli kogoś zainteresowało to co napisałem, to zachęcam do dyskusji. Chętnie też pomogę w analizie pliku RAW jeżeli nie posiadasz odpowiedniego narzędzia.

Część druga wpisu: Wiaderka nie do końca do pełna

Post scriptum

Gwoli bycia ścisłym, warto napisać jeszcze drobny komentarz techniczny, który w głównym tekście zamglił by i tak już skomplikowany temat. Po pierwsze wiele nowoczesnych matryc (tak, oczywiście Sony) są matrycami o podwójnym współczynniku wzmocnienia (dual gain) co oznacza tylko tyle, że posiadają zmienną pojemność wiaderka a co za tym idzie zmienny współczynnik e/V – do czego to służy, zachęcam do własnej analizy (oczywiście chodzi o szum). Druga sprawa jest gorsza – wielu producentów stosuje „sztuczne” ISO, to znaczy symulowane przy pomocy przetwornika  analogowo cyfrowego. W wypadku Canona są to wszystkie ISO „nie pełne” – a więc 125, 160 itp oraz te powyżej 3200 a także poniżej 100. W wypadku Nikona wszystkie poniżej 60 i powyżej 3200. W wypadku Sony wszystkie poniżej 100 i powyżej 6400. Jeżeli pracujesz w RAW – nigdy nie stosuj tych symulowanych wartości. Znacznie lepsze efekty (a posiadając matrycę typu „isoless” conajmniej takie same) uzyskasz stosując wartość naturalną i późniejszą korekcję w obrabiarce RAW.