Приведены основные определения динамического диапазона видеокамеры. Показано, что существует возможность улучшения динамического диапазона системы с помощью учета информации из нескольких кадров.
Ключевые слова: динамический диапазон, видеокамера, видеопоток.
Динамический диапазон видеокамеры обычно определяется как отношение самого яркого фрагмента изображения к самому темному фрагменту того же самого изображения, то есть в пределах одного кадра. Это отношение по-другому называется максимальным контрастом изображения.
Реальный динамический диапазон видеокамер строго ограничен. Он существенно уже динамического диапазона большинства реальных объектов, ландшафтов и даже сцен кино и фотографии. Кроме того, условия применения видеокамер наблюдения в части освещения зачастую далеки от оптимальных. Так, интересующие нас объекты могут быть расположены на фоне ярко освещенных стен и предметов или встречного света. В этом случае объекты или их детали на изображении будут слишком темными, так как видеокамера автоматически адаптируется к высокой средней яркости кадра. В некоторых ситуациях на наблюдаемой «картинке» могут иметь место яркие пятна со слишком большими градациями яркости, которые трудно передаются стандартными камерами.
Совокупность методов по выделению или подчеркиванию слабых изменений яркости, контраста и цветности видео называется улучшением динамического диапазона.
Известно, что видеопоток цифровой камеры представляет собой трехмерный сигнал. Однако продолжающееся развитие цифровых электронных технологий приводит к появлению новых возможностей сбора информации об объекте. Сейчас можно вести речь уже не только об обработке двумерных изображений, но и об обработке многомерных сигналов.
Простейшее определение динамического диапазона может быть конкретизировано следующим образом.
Определение 1. Динамический диапазон — это отношение максимальной яркости объекта Е макс , при которой еще нет ограничения сверху к минимальной яркости Е мин , при которой еще нет ограничения снизу.
Для вычисления или измерения динамического диапазона необходимо вычислять или измерять яркости. Во многих случаях значительно легче измерить или вычислить уровень или код выходного сигнала. Если известна функциональная зависимость между яркостью и выходным сигналом, то динамический диапазон можно рассчитывать, по найденным максимальным и минимальным уровням или кодам сигнала [1].
Например, предположим, что камера использует однобайтовое кодирование, а зависимость между яркостью и кодом прямо пропорциональная (линейная). Тогда динамический диапазон составит 255 или 24 дБ.
Определение динамического диапазона через диапазон ограничений обладает существенными недостатками. Наверно, самый серьезный из них — то, что не учитывается влияние помех, в первую очередь, создаваемых внутренними шумами камеры, а также погрешностей квантования при преобразовании в цифровой код.
С этой точки зрения более правильное определение динамического диапазона должно содержать указание на некоторое минимально допустимое отношение сигнал/шум. При малых отношениях сигнал/шум, то есть при малой яркости значительная часть информации о яркости также теряется [2].
Определение 2. Динамический диапазон — это отношение максимальной яркости объекта Е макс , при которой еще нет ограничения сверху к минимальной яркости Е мин , при которой отношение сигнал/шум еще не меньше минимально допустимого.
Несмотря на то, что определение 2 теоретически более корректно, в очень многих практических случаях под динамическим диапазоном упрощенно понимают величину, найденную по определению 1, то есть без учета помех.
Понятие динамического диапазона может быть применено как ко всей видеосистеме, так и к ее элементам. Цифровые коды, полученные камерой, могут быть сохранены в файл или переданы по каналам связи в других форматах, с другим количеством битов, с преобразованием цветового пространства или со сжатием [3].
При этом если рассматривать одиночный кадр, то вся последующая система в целом не улучшает его динамический диапазон по сравнению с динамическим диапазоном камеры. Однако, конечно, правильно спроектированная система не должна заметно ухудшать динамический диапазон снимка, полученного камерой.
Например, динамический диапазон файла формата JPEG определяется стандартом sRGB и равен примерно 12 EV (по определению 1). Из них лишь 8…9 EV реально полезны из-за погрешностей квантования и сжатия (динамический диапазон по определению 2).
Динамический диапазон файлов и датчиков камер часто путают с количеством бит, используемых для записи информации, однако прямой связи между этими величинами нет. Поэтому, например, динамический диапазон Radiance HDR (32 бита на пиксель) больше, чем 16-битного RGB TIFF (48 битов на пиксель). Динамический диапазон файлов формата Radiance HDR — 256 EV (по определению 1). Яркости пикселей в Radiance HDR хранятся не в целочисленном виде, а в формате с плавающей запятой [4, 5].
Существует возможность улучшения динамического диапазона системы с помощью учета информации из нескольких кадров. В этом случае динамический диапазон результата обработки — выходного снимка может быть заметно лучше динамического диапазона отдельного кадра. Такие методы в настоящее время используются и в значительной мере исследованы, однако их актуальность остается высокой. Следует отметить, что улучшение динамического диапазона в рассматриваемых методах достигается в обмен на длительность выдержки выходного кадра, в связи, с чем они не пригодны для съемки быстро движущихся объектов.
Теоретически могут быть предложены также методы улучшения динамического диапазона отдельного кадра, например, в обмен на разрешающую способность. Однако снижение разрешающей способности очень часто недопустимо и по этим причинам такие методы здесь не рассматриваются.
Камеры с широким динамическим диапазоном предназначены для обеспечения качественного изображения при встречной засветке и наличии в кадре как очень ярких, так и очень темных областей и деталей. При этом яркие области не насыщаются, а темные не отображаются слишком темными.
Литература:
1. Расшифровка терминов объективов [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://lens-club.ru/glossary/c_228.html (дата обращения: 22.04.2021)
2. Динамический диапазон в цифровой фотографии [Электронный ресурс] / Cambridge in Colour. — Режим доступа: https://www.cambridgeincolour.com/ru/tutorials-ru/dynamic-range.htm (дата обращения: 21.04.2021).
3. Сенсоры цифровых камер [Электронный ресурс] / Cambridge in Colour. — Режим доступа: https://www.cambridgeincolour.com/ru/tutorials-ru/camera-sensors.htm (дата обращения: 23.04.2021).
4. Методика тестирования по программе Imatest [Электронный ресурс] / Imatest. — Режим доступа: https://www.imatest.com/docs/imatest_instructions/ (дата обращения: 23.04.2021).
5. Динамический диапазон и его практическое значение [Электронный ресурс] / Xela.ru. — Режим доступа: http://www.xela.ru/dinamicheskij-diapazon-i-ego-prakticheskoe-znachenie/ (дата обращения: 27.04.2021).
