왜 우리 눈처럼 카메라가 다이나믹 레인지를 캡처하지 않습니까?

불이 들어오지 않는 방에 앉아 창을 내다 보면 외부의 나무에 초점을 맞추더라도 실내의 내부를 쉽게 볼 수 있습니다.

카메라가 내 눈에 보이는 것과 비슷한 이미지를 캡처 할 수없는 이유는 무엇입니까? 새로운 카메라는이 다이나믹 레인지를 쉽게 캡처 할 수 있어야한다고 생각합니다. 이 다이나믹 레인지가 캡처되면 디스플레이가 문제가 될 것이라고 생각하지 않습니다. 디지털 카메라에서는 외부 장면이나 내부 장면 만 올바르게 캡처하는 노출을 설정해야합니다.

이것은 디지털 카메라에만 문제가됩니까, 아니면 필름 카메라에도 동일합니까?

비슷한 질문이 이미 논의 되어 있습니다. 내 눈으로 볼 수있는 장면을 정확히 캡처하는 방법은 무엇입니까? . 나는 해상도, 초점 또는 세부 사항에 대해 이야기하지 않습니다. 단일 장면에서 눈을 고정 할 때와 비슷한 노출 또는 다이나믹 레인지에 관심이 있습니다.

이렇게 넓은 다이나믹 레인지를 볼 수있는 이유는 광학 장치로서 눈이 실제로 그러한 범위를 포착 할 수있는 것이 아니기 때문입니다. 그 이유는 뇌가 눈의 정보와 많은 "노출"정보를 결합 할 수 있기 때문입니다. 앞에서 장면의 HDR 파노라마를 만듭니다.

눈은 화질 측면에서 상당히 좋지 않지만 "프레임 속도"가 매우 높으며 감도, 방향 및 초점을 매우 빠르게 변경할 수 있습니다.

뇌는 모든 이미지를 눈에서 가져 와서 생각하는 이미지를 만듭니다. 여기에는 다양한 감도로 이미지의 디테일과 예상 한 내용에 따라 완전히 구성된 디테일이 포함됩니다. (이것은 착시가있는 한 가지 이유입니다. 뇌는 실제로 존재하지 않는 것을 "보고"속일 수 있습니다).

따라서 눈과 마찬가지로 카메라로 볼 수 있습니다. 다른 설정에서 많은 노출을 촬영 한 다음 Photoshop에 모든 항목을로드하고 HDR 파노라마를 만들고 "콘텐츠 인식 채우기"를 사용하여 간격을 채 웁니다.

그런데 왜 카메라가 그 범위를 캡처 할 수 있어야하는데 모니터가이를 재현 할 수 없어야합니까? 존재하지 않는 기술이 존재한다면 모니터는 우리가 볼 수있는 모든 것을 재현 할 수 있어야합니다.

카메라보다 센서 다이내믹 레인지에서 약간의 이점이있을 수 있지만, 차이를 만드는 것은 대부분 자동 노출 시스템, saccades , HDR 처리 및 다중 노출에 걸쳐 지속되는 장면 인식 시스템을 갖는 것 입니다. 인간의 뇌는 눈만큼이나 시각 계에 중요하다 .

매우 높은 다이나믹 레인지를 가진 장면이 제공되는 휴먼 비주얼 시스템은 적응하는 데 시간이 걸립니다. 다이내믹 레인지 설정을 조정해야하기 때문이 아니라 장면의 매우 밝고 어두운 부분을 개별적으로 분석 한 다음 이미지의 중요한 부분을 서로 붙입니다. 우리가 "보는 것"의 엄청나게 많은 것은 실제로 거기에 무엇이 있는지 아는 것에 달려 있습니다. 우리는 공백을 채울 때 실제 세부 사항을 거의 표시하지 않을 수 있습니다 (실제 정보가 충분하지 않으면 보간 할 수는 있지만 항상 올바르게 할 수는 없습니다 ).

카메라 (모든 카메라)가 해당 수준에서 작동하게하려면보고있는 것을 "알고있는"시스템을 설계해야합니다. 우리는 이미 다양한 HDR 기술을 사용하여 "덤 (dumb)"버전을 수행 할 수 있습니다 (구체적인 예에서는 출입구가 어두운 노출에서 차단되는 간단한 마스킹과 그 대신 삽입 된 밝은 노출의 버전). 현재 자동화 된 프로세스는 전적으로 명도를 기반으로하며 (의미 또는 중요성을 분석 할 수 없기 때문에) 명백한 인공물을 생성하는 경향이 있습니다.. 그리고 아직 톤 맵핑되지 않은 원시 32 비트 HDR 결합 이미지 (본질적으로 센서의 다이나믹 레인지를 늘림으로써 얻을 수있는 종류)를 본 적이 있다면 아마도 눈치 채 셨을 것입니다 이미지는 매우 "평평하고"로컬 및 글로벌 대비가 부족합니다. 장면이 무엇인지 아는 것은 우리가 매핑을 수행하고 대비가 로컬로 중요한 곳을 결정하도록합니다. 카메라가 같은 종류의 결정을 내릴 때까지는 뇌가 보는 것과 같은 이미지를 만들 수 없습니다.

두뇌가 눈이 제공하는 정보를 해석하는 방식과 관련이 있습니다 (또는 다른 방식으로 말하자면 하드웨어가 아닌 소프트웨어입니다).

우리는 비전 중심의 매우 좁은 영역 내에서만 색상과 디테일을 볼 수 있습니다. 우리가 인식하는 상세하고 다채로운 이미지를 만들기 위해 뇌는이 중심점을 우리가 모르게 움직입니다.

나는 신경 생물학자가 아니지만 뇌가 많은 작은 스냅 샷 에서이 넓은 그림을 구성 할 때 밝기에 대한 표준화를 수행하여 일부 영역에도 불구하고 거의 모든 밝기가 나타나는 이미지를 생성합니다. 실제로 더 밝습니다. 기본적으로 어둡고 밝은 것을 동시에 볼 수있는 능력은 환상입니다.

이러한 행동이 디지털 카메라에 의해 모방 될 수없는 이유는 없으며, 단일 노출에서 센서가 훨씬 더 넓은 다이나믹 레인지를 구현할 수없는 이유도 없습니다. 실제로 Fuji는 매우 낮은 감도의 포토 사이트를 가진 센서를 제조하여 추가적인 하이라이트 디테일을 포착했습니다.

높은 다이내믹 레인지 이미지를 표시 할 수 없다는 문제가 발생합니다. 이러한 이미지를 표준 저 다이나믹 레인지 모니터에 표시하려면 톤 매핑이라는 특수 처리를 수행해야합니다.이 처리에는 고유 한 단점이 있습니다. 대부분의 소비자에게 다이나믹 레인지 카메라는 더 번거로울 것입니다.

개요:

• 하나님께서는 우리의 눈을 만드셨습니다.

• 우리는 카메라를 만듭니다.

• 우리는 아직 하나님을 따라 가지 않았습니다.

• 그러나 사용 가능한 최고의 카메라는 설명에 따라 다릅니다.

• 원하는 것을 달성하는 방법이 있습니다. 당신은 단순히 당신이 원하지 않는 것으로 정의하기로 결정했습니다. 그것이 당신의 선택입니다.

창문이 외부 장면에 열려있는 어두운 방의 조명 수준은 약 0.1 럭스 (제곱미터 당 0.1 루멘) 정도로 낮을 수 있습니다.

100lux 외부 및 0.1lux 내부에서 비율은 1000 : 1 또는 10 비트의 다이내믹 레인지 미만입니다. 많은 현대 카메라는이 범위의 양쪽 끝에서 색조 차이를 구별 할 수 있습니다. 트리 조명 수준이 센서를 포화 상태로 만든 경우 실내에서 약 4 비트 수준의 조명을 사용할 수 있습니다. 그래서 당신은 가장 밝은 레벨에서 어느 정도의 디테일을 볼 수 있습니다. 그 빛의 레벨이 너무 낮아서 눈에 문제가있을 것입니다.

나무 조명 수준이 1000lux (= 전체 햇빛의 1 %) 인 경우 약 13 비트의 동적 범위가 필요합니다. 사용 가능한 최고의 35mm 풀 프레임 카메라가이를 처리합니다. 카메라 조정은 현장에 있어야하며 실내에 약 0 개의 톤 정보가있을 것입니다. 이 외부 조명 수준은 야간 조명 이외의 상황에서 얻을 수있는 것보다 높습니다.

많은 현대식 중상 단 DSLR에는 HDR 처리 기능이 내장되어있어 여러 이미지를 결합하여 훨씬 더 넓은 다이나믹 레인지를 얻을 수 있습니다. 2 이미지 HDR 사진조차도 장면을 쉽게 수용 할 수 있습니다. My Sony A77은 최대 +/- 6 EV 3 프레임 HDR을 제공합니다. 20 비트 이상의 다이내믹 레인지가 제공되므로 예제에서 상단과 하단에서 매우 적절한 톤 변화가 가능합니다.

디지털 카메라에서만 문제가됩니까, 아니면 필름 카메라에서도 동일합니까?

답은 아직 적어도 직접적으로 이것에 영향을 미치지는 않았습니다. 그렇습니다. 영화에서도 큰 문제입니다. 예를 들어, 유명한 Fuji Velvia 컬러 투명 필름은 실제로 썩은 다이내믹 레인지 (큰 색상!)를 가지고 있습니다. 한편, 네거티브 필름은 최고의 현행 디지털 카메라만큼 좋은 다이내믹 레인지를 가질 수 있습니다. 디지털 방식은 빛에 대한 선형 반응을 나타내지 만 필름에는 "S"명암 곡선이 내장되어 있습니다. 검은 색과 거의 검은 색, 흰색과 거의 흰색은 중간 색조보다 더 많이 묶여 있습니다.

필름 사진은 일반적으로 백지 배경에 잉크로 인쇄되기 때문에 처음부터 캡처하려는 동적 범위의 양에는 제한이 없습니다. 예를 들어 서른 스탑 다이나믹 레인지를 캡처 한 다음에 출력합니다. 다섯 정거장? 육? 출력 매체는 이상하게 보일 것입니다. 나는 사진 필름의 다이나믹 레인지가 제한적인 화학 물질이 극복 할 수없는 장애물보다 더 중요한 요소라고 생각합니다. 그것은 너무 많은 우리가하지 수 없습니다 그것은 우리가 더 적극적으로하지 않는다는 것입니다, 그것을 원하는 그것을 할 수 있습니다.

책을 채울만한 충분한 것들이 있지만, 그 간단한 요점은 카메라가 밝기를 선형 적으로 "인식"하는 동안 인간의 눈은 대수적으로 밝기를 볼 수 있다는 것입니다.

따라서 로그베이스 10에서 밝기가 1에서 10000 (임의로 선택한 숫자)으로 바뀌는 조건을 가정하면 육안으로는 밝기가 0에서 5로, 카메라는 선형으로 1에서 10000으로 봅니다. 낮은 측정으로 잡음을 방해하고 더 높은 밝기 측정을 방해하는 오버 필로 인해 이러한 넓은 범위를 포괄 할 수있는 센서는 어렵습니다. 그러나 다이내믹 레인지의 18 스탑을 기록 할 수있는 RED 카메라가 있다고 생각합니다. 그러나 그것이 프로토 타입인지 프로덕션 모델인지는 확실하지 않습니다.

그런데 로그 대 선형 차이도 밝기가 1 스톱 차이 당 두 배 또는 절반이되는 이유입니다.

그러나 이것은 연구 주제에 충분하므로 간단한 포인터입니다.

눈은 다이나믹 레인지를 포착하지 않습니다. 다이나믹 레인지를 압축 한 다음 뇌의 "포스트 프로세싱"은 다이나믹 레인지의 환상을 만듭니다. 압축 된 다이나믹 레인지는 그림자와 밝은 영역을 동시에 볼 수있는 이유입니다. 말하자면, "게인"은 그림자를 감지하는 망막 부분에서 자동으로 크랭크되어 그림자가 밝아지고 망막이 밝은 영역을 보는 곳에서 줄어 듭니다. 뇌는 여전히 그림자를보고 있다는 것을 알고 있으므로 어두운 곳에서 감각을 만듭니다. 압축 된 데이터에 대한 일종의 확장이 진행 중이므로 동적 범위가 압축되었음을 알 수 없습니다.

디지털 카메라의 센서는 원시 동적 범위에서 망막을 쉽게 능가 할 수 있습니다. 문제는 영역별로 노출을 제어하지 않는다는 것입니다. 카메라에는 전체적인 게인 설정 (일반적으로 필름 용어로 ISO 설정으로 표시)이 있습니다.

말하자면, 눈이하는 것은 밝은 영역에 "ISO 100"을 사용하고 동시에 어두운 영역에 "ISO 800"을 사용하는 것과 같습니다.

카메라가 밝기를 기준으로 픽셀의 특정 영역에 대한 게인을 조정할 수 있다면 의심 할 여지없이 유용 할 수 있지만 후 처리에서 이러한 게인 레벨링 효과를 적용하여 뇌가 실제로 속지 않는 것은 아닙니다. 자연스럽게 보이지 않습니다. 그것은 당신의 눈이 당신의 두뇌와 협력하여 그것을 할 때만 자연스럽게 보입니다.

카메라가 이미 제작 된 방식에 대한 명백한 이유를 제시하는 대신 기회를 제공한다면 이것은 흥미로운 질문입니다.

가장 가까운 옵션을 고려해 봅시다. 톤 매핑 은 RGBe 이미지의 지수 값에 저역 통과 필터를 적용하는 방법입니다. 그것은 눈이 무언가를 보는 방식에 큰 역할을합니다. 그러나 우리의 눈이 긴 이미지 증기를 겪고 있다고 생각합시다. 사진 카메라보다 비디오 카메라와 훨씬 유사하게 작동합니다.

톤 매핑은 지속적인 HDR 이미지 스트림을 캡처 할 수있는 특수 비디오 카메라를 사용하여 실시간으로 실행 된 GLSL 쉐이더처럼 구축 된 경우 크게 향상 될 수 있습니다 .

훨씬 더 간단한 예에서, iPhone의 "HDR"사진은 시도하지 않은 경우 상당히 잘 작동하는 톤 매핑 프로세스를 통해 노출 된 저 노출 이미지와 고 노출 이미지의 합성물입니다. 다른 많은 소비자 용 카메라도 비슷한 일을합니다.

또한 직감 / 의도 / 자유-의지가 시간의 흐름에 따라 눈이 어떻게 교정되는지에 대한 흥미로운 주제가 있습니다. 어두운 벽을보고 머리를 밝게 비추는 창쪽으로 돌리는 것에 대해 생각하면 뇌가 눈으로 가서 눈동자를 닫으라고 말할 수 있습니다. 자동 노출 기능이있는 카메라는 빛이 너무 많이 들어오는 후에도 같은 작업을 수행 할 수 있습니다. 영화관에서 일하는 사람들은 복잡한 장면에서 자연스러운 느낌을주기 위해 영화 카메라 설정 타이밍이 매끄럽게 흐르도록 많은 시간을 소비합니다. (또는 카메라 설정을 실제로 조정할 필요가없는 방식으로 장면에 조명을 비 춥니 다.) 다시 말하지만, 이러한 종류의 일이 작동하는 유일한 이유는 감독이 카메라가 발생하기 전에 무슨 일이 일어날 지 알기 때문입니다.

가장 큰 문제는 캡처 된 이미지를 재현하는 것입니다.

단일 이미지에서 매우 광범위한 밝기 레벨을 캡처하는 이미지 센서 및 구성을 만드는 것은 기술 영역 밖이 아닙니다. 결국 그것은 단지 필요한 수준으로 확장되는 기술인 광자 계수의 문제 일뿐입니다. 현재 카메라는 주로 노출 설정을 사용하여 센서가 보는 밝기의 양을 조정합니다.이 작업 은 센서에서 더 많은 작업을 수행 할 수 있어 오류 노이즈가 커질 수 있지만, 포토 센서에서보다 넓은 범위를 확보 할 수 있습니다. 현재 시장에서 구할 수있는 것

그러나 문제는 이것입니다. 일단 당신이 그 그림을 가지고 있다면, 당신 은 그것으로 무엇을합니까? 고급 디스플레이에서도 24 비트 색상을 사용하므로 색상 채널당 256 개의 음영 만 허용됩니다. 현재 프린터는 더 제한되지 않지만 비슷하게 제한됩니다. 따라서 기존 카메라가 생산하는 범위까지 범위를 줄이기 위해 먼저 처리하지 않고 그러한 이미지로 아무것도 수행 할 수 없었습니다 .

아마도이 문제를 전에 본 적이있을 것입니다. 대부분의 최신 RAW 형식은 이미 재현 할 수있는 것보다 넓은 범위를 저장하고 있으며 그림을보기 전에 색상 범위를 압축하거나 잘라야합니다. RAW 출력에 더 많은 범위를 추가하는 것은 더 똑같을 것입니다. 카메라는 가능성이 극적으로 더 비싼 것입니다하지만 당신은 때문에 사진이 크게 개선되지 않을 것 아직도 당신이 그것을 보면 전에 24 비트 컬러의 범위 아래로 들어온다해야합니다.

그래도 올바른 소프트웨어와 올바른 종류의 사용자가 있다면 멋진 것을 얻을 수있을 것입니다. 아마도 현재 HDR 사진과 크게 다르지 않지만 여러 이미지를 찍을 필요는 없습니다.