主题：动态范围指标的实用化--数码相机宽容度的理论和实践 [主题管理员:spot]
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雨夜不眠 发表于 2013-4-28 20:54
在数码上谈宽容度真没啥意义，不如谈动态范围来得实用。数码宽容度实际上是RAW文件捕捉的动态范围经过色阶映射，服从色阶响应曲线后生成的，不同的色阶响应曲线会造成宽容度的不同。
宽容度在胶片上谈才有意义。
我这贴里引用了柯达、尼康等多个权威资料，已经充分说明，我的宽容度概念，跟胶片的宽容度概念，是完全一致的，简单来说，就是在保持一定的画质标准前提下，对某个物体允许的曝光调整范围。
这个概念与什么映射曲线完全没关系。这里涉及的是相机采集的原始信息，是否能够在描写一个物体的特征时，符合一定的标准。
宽容度概念比动态范围要实用得多。
你可以这么想象，动态范围是相机对光线有反应的一个大的范围，而这个范围内相机在不同亮度区域采集到的信息，画质有很大的区别，不能一概而论。
比如某个相机动态范围是12档，但是你拍一个有12档光比的场景，每个不同亮度的物体，在最后的照片里画质差异极大，动态范围把这些差异极大的东西，用一个单独的数字笼统概括，你根本无法从这个数字中估计不同亮度物体在最终照片里的画质，拍摄时你怎么使用这个单一的动态范围数字呢？
宽容度的概念，把相机的动态范围中，能产生可用（优秀）画质的亮度范围清楚地分别标示出来，在实际拍摄中可以作为有效的参考数据。
你要想让某个物体在照片里表现出优秀画质，就要把它的曝光控制在优秀宽容度范围内，你要想让某个物体表现出可用画质，就要控制在可用宽容度范围内。
我认为，宽容度是一个完全具有实用性的概念，而且在数码时代同样重要。
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556 帖
风雷化雨 发表于 2013-4-28 23:38
另外一个问题，就是缩略图能否提高信噪比的问题：
我不知道图像缩小的算法是什么，如果单纯的舍弃，那么可以肯定对信噪比无法改善。好比以麻袋大米里面掺了沙子，从里面弄出来的每一碗大米的信噪比都是一样的。
但是想象另外一种情况，夜晚用高ISO拍摄星空，在三脚架上拍了了n张，回来后把这n张平均，得到一张照片，信噪比可以提高吗？
结论是：如果噪声是白的（不是白颜色，而是在频谱上均匀分布），那么n张平均可以提高信噪比n倍。
回到缩略图的问题来，假设把图片缩小4倍，如果缩略图的算法是把相邻的4个点平均或者类似的算法，那么应该是对信噪比有帮助的。任何情况下，平均都是白噪声的天敌！当然，4点平均会不会带来其他的副作用，我就不知道了
关于缩图降噪的效果这个问题我主贴里有简单说明。我这里再简单说明一下与多帧降噪的区别。
从理论上来说，多帧降噪跟平均像素缩图降噪，如果从让图像变得更光滑的角度（也就是把输出图像区域的平滑度作为信噪比），确实是类似的。但是，如果从获得场景有效信息的角度，则效果是完全不同的。
这个本质的区别在于，多帧降噪平均的是同一个像素多次采样得到的数值，而平均像素缩图（或任何静态的降噪处理），是在不同像素之间作平均（或其他降噪运算）。
为了便于讨论，让这个问题能看得更清楚，先假设图像里的噪声是理想的白噪声（也就是平均值趋近于0），并且多帧拍摄条件也是完全理想的（也就是忽略多帧降噪在实际操作中的复杂性）。
在这种情况下，如果拍摄的目标是一个亮度完全均匀的理想平面，那么平均像素缩图（或者任何降噪处理）和多帧降噪的效果是完全一样的，最终都能减弱（甚至消除）白噪声的影响，还原出原始的场景亮度信息。（当然，这种情况下照相机就是一个亮度计了）
然而，只要拍摄的目标不是这种理想的均匀亮度平面（也就是任何稍微实际一点的场景），那么平均像素缩图（或任何降噪处理），跟多帧降噪的效果，在本质上就完全不一样了。
在后面这种情况下，如果没有场景目标的信息，平均像素时根本无法保证，用来参与平均的像素，本身对应的原始物体亮度信息是相同的，可想而知，这个平均的效果，是把混合了不同原始信号和噪声的数值再次混合，完全不可能还原出实际的信息。
相比之下，多帧降噪在这时仍然能起到的完全相同的降噪并还原场景信息的作用，就是因为多帧降噪是每个像素多次采集，平均的是像素这个点上的多次采样数据，只要这个点的原始信息不变（也就是要保证多帧拍摄的理想条件，这在实践中会引起一定的复杂性），用来平均的次数越多，噪声就越减弱，原始信息就越增强，也就能得到更好的画质。
我在主贴里有个例图，很明显，无论怎么平均像素缩图，中间的K8号黑色方块，周围的边界信息是无法还原出来的。这个信息被噪声淹没了，对于单帧图像来说，拍摄完成后，无论再怎么降噪，也没法再还原出来了。
实际上，DXO这种“缩图增加动态范围”的提法，没有任何其它专业来源的支持。看看现在高动态范围传感器的研发趋势就知道了，像我前面引用过的Aptina的技术（现在用DR-PIX作为商业名称），还有DP上介绍过的RAMBUS的技术，等等，都可以一目了然的知道，提高动态范围是一个很严肃的事情，根本不是DXO这种“缩图大法”这么个荒谬的东西能影响的。
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555 帖
风雷化雨 发表于 2013-4-29 00:08
低ISO长时间曝光，本质上是用时间换空间。信号处理中在满足一定条件下是可以的，但是对信号以及噪声的类型是有约束的。具体是啥忘了，貌似是噪声是白的是条件之一~。
呵呵，早就忘了，毕竟不是专业干这个。在现实操作中，长时间曝光还是比ISO多拍几张困难的。能拍星轨的地方通常都是条件不好，要么很冷，要么很黑。而且要保持相机长时间稳定也是个问题。。。
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554 帖
markinon 发表于 2013-4-28 23:51
你说的多张合并，跟低一点iso，更长时间曝光没什么区别，想必噪声少吧。。。。。
低ISO长时间曝光，本质上是用时间换空间。信号处理中在满足一定条件下是可以的，但是对信号以及噪声的类型是有约束的。具体是啥忘了，貌似是噪声是白的是条件之一~。
呵呵，早就忘了，毕竟不是专业干这个。在现实操作中，长时间曝光还是比ISO多拍几张困难的。能拍星轨的地方通常都是条件不好，要么很冷，要么很黑。而且要保持相机长时间稳定也是个问题。。。
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553 帖
风雷化雨 发表于 2013-4-28 23:47
毕竟1张照片包含的信息要远远少于4张。缩小有，信号本身就大大减小了。
你说的多张合并，跟低一点iso，更长时间曝光没什么区别，想必噪声少吧。。。。。
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552 帖
markinon 发表于 2013-4-28 23:41
https://forum.xitek.com/thread-1119893-1-1-1.html
能提高
提高原理你说的基本跟我想的一样
不过，，算法是得用相邻平均算法，这算法在photoshop里直接没有，，，，
ps里都是比较复杂算法
嗯，的确是的。白噪声无法相参，故而无法累加；所以而信号是可以累加的，所以可以提高信噪比。当然，估计若只有一张图片，缩小4倍，如果采用4点平均的算法，估计信噪比无法提高4倍。从信息守恒的角度想，毕竟1张照片包含的信息要远远少于4张。缩小有，信号本身就大大减小了。
PS里面的确没有我说的那种理想算法，每次我都是用比较复杂的图像混合做到2张图平均。再多张的话，就要自己编程序了
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551 帖
风雷化雨 发表于 2013-4-28 23:38
另外一个问题，就是缩略图能否提高信噪比的问题：
https://forum.xitek.com/thread-1119893-1-1-1.html
能提高
提高原理你说的基本跟我想的一样
不过，，算法是得用相邻平均算法，这算法在photoshop里直接没有，，，，
ps里都是比较复杂算法
还有你说的多张合并，跟低一点iso，更长时间曝光没什么区别，想必噪声少吧，呵呵。 本帖最后由 markinon 于 2013-4-28 23:44 编辑
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549 帖
风雷化雨 发表于 2013-4-28 23:19
...
看了楼主的文章，感觉核心思想是提出了一个20db，或者32db感知门限的概念。20db也就是3.x个bit；32db也就是5.x个bit (呵呵，一个快速心算法就是1个bit大概相当于6个db)。相信lz想说的是，低于20db or 32 db的，哪怕对机器AD采样值有意义，但是对于人眼是感知不到的，也就是说，人眼对于暗部细节的感知，与机器能够提供的精度，并不匹配。于是低端的3~5 bit就废掉了。
从数值上来说，14-3.x = 10.x，与dpreview上的接近；14-5.x = 9.x，与楼主给出的数字接近。不知道我这个理解对不对。
...
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Adoro 发表于 2013-4-25 01:06
从前面的比喻中,有朋友把可用的优秀动态范围比作西瓜,然后西瓜到死黑死白这段比喻为芝麻.我想很不可取.
相机这个东西就是用来记录,不管你是冠希一样使用, 还是像艺术家一样使用.都是用来记录
1,我深深地理解了楼主所强调的图像的可用动态范围.
但这个东西是个见人见智的东西.很难有一个标准(相对亚死黑亚死白),很难让人信服(狗仔队偷拍与产品摄影的要求就完全不一样).
我更倾向动态范围这种可以有接近标准的东西.
必竟拍到与拍不到,能分辨与不能分辨是两回事.
这个东西非常重要,不然各厂家一直拿这个东西来说事.
2,楼主大大另外在强调点测,主体这两个.我觉得很片面.
在我看来,动态范围不是芝麻,它很重要,比想像的要更重要.
所以楼主大大以可用范围为加权评价相机, 是不可取的.
关于西瓜和芝麻，那只是一个比喻，这里的核心意思是，在相机能感光的整个范围内，不同的“挡”之间，存在巨大的画质差异，不能就用一个简单笼统的数字来说明。
DXO的动态范围把这样巨大的画质差异合并在一个数字里，对实际拍摄没有实用价值。因为你从这个数字里根本无法知道，这个12档、13档、14档的动态范围，到底能记录下什么东西。
我引用的柯达、尼康等各种权威资料，都充分说明了，宽容度的概念是要跟画质的判断结合在一起。
因此我提出的数码相机宽容度概念，把相机的感光范围，按不同的画质标准，分成了三个不同的区域：优秀画质区域、可用画质区域及不可用画质区域（参看下面引用的示意图）。这不是更清楚、更实用的数据吗？
我这里分析、比较的就是其中优秀、可用这两个区域。当然，你可以说你很关心画质不可用的部分，这也没有问题，我一直都在说，不同人有不同需求，你完全可以去分析研究不可用这个区域，也搞出一个对比数据来，这跟我的体系并没有任何矛盾。
但是，我可以下个完全确定的结论，无论从人眼的视觉特点，从感光的原理，还是从实际拍摄的需求，优秀画质区域、可用画质区域远远比不可用区域重要的多。
（附带说一句，根据我给出的数据，大部分DSLR的可用画质宽容度都达到了7档左右，基本达到了彩色负片的水平，不同的器材已经很难产生输出可见的暗部性能差异，这也是为什么像Thom Hogan等很多完全不同背景的人，都认为现在的摄影器材性能已经完全够用的一个原因）
另外，我的这个体系跟点测或者其它相机的操作都没有任何关系。
任何照片，都是由场景中一个一个的物体组成的。不论任何场景、任何拍摄方法，照片拍摄之后，其中的任何物体，都有一个完全确定的实际曝光值与标准曝光值的偏移量，这是客观存在的。我这个宽容度体系，以及帖子里对各位网友提供的实测照片分析、比较的，就是这个相对的曝光偏移量对该物体画质表现的影响，这是一个普遍适用的概念。
就拿你举的那张照片，其中的人物就是一个一个的物体，同样适用于我这个宽容度体系，可以根据实际曝光值与标准曝光值的差距，判断出这个物体在这张照片中能表现出来的画质。
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542 帖
这贴从晚上8点看到现在,
看了一个晚上,蛮不错的,
受益良多,
感谢参与辩论的各位大大.
我按楼主的方法把我的测试贴了出来,
宾得K10D的ISO200(忘了调回100了)与尼康D300的ISO200(d-lighting:标准)
OK 我知道了, 我的相机用RAW我要过曝或欠曝能到什么程度.
再次感谢
但对此本贴, 我也有我的看法.
从前面的比喻中,有朋友把可用的优秀动态范围比作西瓜,然后西瓜到死黑死白这段比喻为芝麻.我想很不可取.
相机这个东西就是用来记录,不管你是冠希一样使用, 还是像艺术家一样使用.都是用来记录
1,我深深地理解了楼主所强调的图像的可用动态范围.
但这个东西是个见人见智的东西.很难有一个标准(相对亚死黑亚死白),很难让人信服(狗仔队偷拍与产品摄影的要求就完全不一样).
我更倾向动态范围这种可以有接近标准的东西.
必竟拍到与拍不到,能分辨与不能分辨是两回事.
这个东西非常重要,不然各厂家一直拿这个东西来说事.
2,楼主大大另外在强调点测,主体这两个.我觉得很片面.
在我平时的使用中, 使用点测的情况是相对较少的.主体也远没那么单一.
就像下面这样照片.先不说他拍的怎么样,相信很多人都有看到过类似的一张.
如果按楼主的理论,这个照片就是毫无意义的了.但实际上呢?
在我看来,动态范围不是芝麻,它很重要,比想像的要更重要.
所以楼主大大以可用范围为加权评价相机, 是不可取的.
最后还是感谢各位大大
还有,Photoshop CS6 只能+-曝光5,不能更大了, 有什么软件可以+-9的?知道的请引用我一下,谢谢!
本帖最后由 Adoro 于 2013-4-25 01:11 编辑
看了一个晚上,蛮不错的,
受益良多,
感谢参与辩论的各位大大.
我按楼主的方法把我的测试贴了出来,
宾得K10D的ISO200(忘了调回100了)与尼康D300的ISO200(d-lighting:标准)
OK 我知道了, 我的相机用RAW我要过曝或欠曝能到什么程度.
再次感谢
但对此本贴, 我也有我的看法.
从前面的比喻中,有朋友把可用的优秀动态范围比作西瓜,然后西瓜到死黑死白这段比喻为芝麻.我想很不可取.
相机这个东西就是用来记录,不管你是冠希一样使用, 还是像艺术家一样使用.都是用来记录
1,我深深地理解了楼主所强调的图像的可用动态范围.
但这个东西是个见人见智的东西.很难有一个标准(相对亚死黑亚死白),很难让人信服(狗仔队偷拍与产品摄影的要求就完全不一样).
我更倾向动态范围这种可以有接近标准的东西.
必竟拍到与拍不到,能分辨与不能分辨是两回事.
这个东西非常重要,不然各厂家一直拿这个东西来说事.
2,楼主大大另外在强调点测,主体这两个.我觉得很片面.
在我平时的使用中, 使用点测的情况是相对较少的.主体也远没那么单一.
就像下面这样照片.先不说他拍的怎么样,相信很多人都有看到过类似的一张.
如果按楼主的理论,这个照片就是毫无意义的了.但实际上呢?
在我看来,动态范围不是芝麻,它很重要,比想像的要更重要.
所以楼主大大以可用范围为加权评价相机, 是不可取的.
最后还是感谢各位大大
还有,Photoshop CS6 只能+-曝光5,不能更大了, 有什么软件可以+-9的?知道的请引用我一下,谢谢!
本帖最后由 Adoro 于 2013-4-25 01:11 编辑
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宾得K10D iso200 (忘记改成100了)
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尼康D300 ISO200 d-lighting:标准
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spot 发表于 2013-4-7 03:00
10个型号4/3相机的宽容度数据
需要说明的是，下表中各型号的ISO数字，与这个帖子中其它相机的数据一样，都是厂家标称值，并非根据饱和速度实测值。可能不同4/3相机厂家的ISO设置习惯不同，EM5、EPM2、EPL5的ISO厂家标称值，基本上实测值都只有一半（也就是标称ISO200实测大约ISO100，标称ISO400实测大约ISO200，依此类推）。这个区别并不影响宽容度数据的使用，但是不同型号相机的宽容度数据，未加相应调整不能直接对比。
优秀画质宽容度可用画质宽容度
谢谢楼主的辛苦工作
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莞蓝星 发表于 2013-2-24 08:35
键盘大师：你是不敢回答，还是不懂？
你就发一组减9加9的照片上来好了嘛。LZ的方法对不对我不予评论。但是你如果有这么一组图拿出来，大家对P65的表现也就心中有数了。
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10个型号4/3相机的宽容度数据
需要说明的是，下表中各型号的ISO数字，与这个帖子中其它相机的数据一样，都是厂家标称值，并非根据饱和速度实测值。可能不同4/3相机厂家的ISO设置习惯不同，EM5、EPM2、EPL5的ISO厂家标称值，基本上实测值都只有一半（也就是标称ISO200实测大约ISO100，标称ISO400实测大约ISO200，依此类推）。这个区别并不影响宽容度数据的使用，但是不同型号相机的宽容度数据，未加相应调整不能直接对比。
优秀画质宽容度
可用画质宽容度
需要说明的是，下表中各型号的ISO数字，与这个帖子中其它相机的数据一样，都是厂家标称值，并非根据饱和速度实测值。可能不同4/3相机厂家的ISO设置习惯不同，EM5、EPM2、EPL5的ISO厂家标称值，基本上实测值都只有一半（也就是标称ISO200实测大约ISO100，标称ISO400实测大约ISO200，依此类推）。这个区别并不影响宽容度数据的使用，但是不同型号相机的宽容度数据，未加相应调整不能直接对比。
优秀画质宽容度
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myliyifei 发表于 2013-4-6 19:35
楼主你好，请教一下 FULL SNR 18%的数据在DXO哪里下载呢
另外能否麻烦算一下奥林巴斯 E-M5的宽容度数据，如果方便的话，加入其它典型的M43机器的比较就更好了
DXO的Full SNR和SNR 18%数据都可以在查看单个相机数据的Measurements栏目里看到。在多机比较的时候就没有Full SNR了。
43相机的数据我整理一下就补充上来。
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spot 发表于 2013-4-3 23:16
这个确实不了解细节，看报道没提到感光器件，如果只是降低发热，从而可以提高集成度和时钟频率的话，对数字电路用处很大，对传感器应该没有什么太大帮助。
以前我曾经分析过，像素做小的最大障碍，是光量子噪声，也就是到达像素的光线本身就带有噪声。没有足够的感光量，就没办法提高输出画质。
就像我在这个帖子里提供的数据，很多DSLR都能达到7-8档的可用画质宽容度，8档就相当于0.5%的亮度，大致就是几百个光子能量的水平，再低，单个像素单个像素只接收几十个、甚至几个光子能量，根本无法还原出多少真正实用的信息，电路噪声作得再低也没有用。
你可以了解一下像wavelet deconvolution（子波去卷积）这样的理论，可以用来对小信号光量子噪声建模分析，一旦实用那就是另一个前景了。
但是，在光量子噪声这个问题没有解决之前，数码相机的暗部没有太大潜力可挖，提高画质只能从改善高光饱和容量下手。
嗯..谢谢您！
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西山邻语 发表于 2013-4-3 23:19
通过对本篇文章的学习与理解，俺在动物园拍鸟时将测光模式选定为“局部测光”（取景器※※约13.5%的面积）。这样，拍水面的白色水鸟不会过曝，天空的飞鸟会欠曝1.5档左右。用RAW格式拍摄，后期DPP轻松补偿欠曝部分。这样，省却了以往在拍摄水面和天空的鸟儿时分别进行曝光补偿的麻烦。
你这个经验跟我的数据是一致的。主贴里的数据，1DX在ISO400的优秀画质宽容度是3.8档，那么ISO500也就是差不多3.5档，那么就是+1，0，-1，-1.5。刚好欠1.5档，调整亮度后仍可获得优秀画质。
当然，通过实际使用大量积累经验，也可以得到类似的概念，但是我感觉主贴这个数据还是有用的，它能帮助相机使用者是明确了，在某个ISO下，100%像素下的优秀（可用）画质分别能上下浮动多少档曝光，根据场景和拍摄需求，就可以预先准确决定想要的曝光范围。
这难道不是比DXO那个13档、14档的动态范围数字实用得多吗？
这帖子前面的理论分析已经充分说明，宽容度本质上就是由还原后的画质决定的，我这个数码相机宽容度的理论，跟胶片时代的宽容度概念完全一致，其实用性也是一致的，数码时代同样需要宽容度。
当然，有些人说拍静物的可以反复改参数重拍，就不需要这个数据了，其实有了数码相机宽容度数据，就用不着每次都放大10倍查看画质表现，至少也可以提高点效率，也是有好处的
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529 帖
spot 发表于 2013-4-3 23:23
这个“没什么损失”，是相对而言的，毕竟从绝对的亮度区域来说，高光确实要少一档，这跟原生的ISO50完全不同（原生的ISO50会增加高光宽容度）。
用好这种ISO50，需要拍摄者能更准确评估场景和权衡自己的需求，应该属于更复杂一些的应用技巧。
再次感谢您的回答！今天有收获。
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gouwa007 发表于 2013-4-3 23:11
非常感谢，以后会持续关注您的文字。
我都是拍RAW或DNG。
那按照您上面所说，既然没损失，为什么品牌不直接推荐ISO50起步，而是将其作为“扩展选项”来对待呢？
这个“没什么损失”，是相对而言的，毕竟从绝对的亮度区域来说，高光确实要少一档，这跟原生的ISO50完全不同（原生的ISO50会增加高光宽容度）。
用好这种ISO50，需要拍摄者能更准确评估场景和权衡自己的需求，应该属于更复杂一些的应用技巧。
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