Zakresem tonalnym sensora, albo rozpietoscia tonalna nazywa sie zakres zmian natezenia swiatla, na ktore reaguje sensor zmianami przeplywu pradu. Terminu " dynamika" uzywa sie do ilorazu wartosci maksymalnej / minimalna. Operujemy skala logarytmiczna, wiec log (A/B )= log A - Log B. ( uzywa sie logarytmow o podstawie 2 - Ld). Tak wiec mowiac o zakresie tonalnym formalnie okreslenie "dynamika" jest prawidlowe. Zakres tonalny albo rozpietosc tonalna to inaczej mowiac dynamika wejscia ( roznica w skali logarytmicznej w EV). Mozna mowic o calkowitym zakresie tonalnym, oraz uzytecznym, tzn. takim dla ktorego zmiany natezenia oswietlenia powoduja przeplyw pradu w okreslonym przez nas wedlug wymaganych kryteriow zakresie. W przetworniku A/D wartosciom pradu zostaja przyporzadkowane odpowiednie wartosci binarne. Jest to przyporzadkowanie stopni szarosci natezeniu oswietlenia. Ilosc stopni odpowiadajacych dynamice wejscia to rozdzielczosc tonalna. Stopnie szarosci nazywane sa luminancja. Rozdzielczosc tonalna, jesli ja wyrazimy w skali logarytmicznej odpowiada dynamice wyjscia, np 256 stopniom odpowiada Ld(256/1)= Ld(256)-Ld(1) = 8 Ev, lub glebia 8 bit. Tak wiec mamy : Dynamika wejscia - rozpietosc tonalna ( dziedzina ciagla ) Dynamika wyjscia - rozdzielczosc tonalna ( przeciwdziedzina dyskretna ) i w takim znaczeniu bede uzywal tych pojec Rys. 1 przedstawia pomierzona w aparacie fotograficznym zeleznosc luminancji od logarytmu natezenia oswietlenie ( krzywa w kolorze zoltym). Jest to tzw funkcja optoelektroniczna (OE). Ilustruje nam ona najwazniejsze wlasnosci matrycy, jest to wiec krzywa charakterystyczna. Krzywa w kolorze czerwonym to poziom szumu odpowiadajacy okreslonej ekspozycji/ luminancji, krzywa niebieska to SNR ( odstep sygnalu od szumu) RYS 1.
Rys 2 przedstawia analize krzywej charakterystycznej z rys 1 w zakresie J-K. RYS.2 Calkowity zakres zmian natezenia oswietlenia, na ktore reaguje matryca odpowiada zakresowi od J do K t.j. 10,18 EV. Zauwazmy, ze zarowno na poczatku jak i na koncu zakresu przebieg krzywej jest bardzo plaski, tzn konieczne sa duze zmiany natezenia oswietlenia by spowodowac niewielkie zmiany luminancji. Nie sa to odcinki proporcjonalnosci. W tym zakresie zmiana natezenia o pare EV spowoduje zmiane luminancji o zaledwie pare jednostek, nie bedziemy w stanie zauwazyc subtelnych roznic sceny. Wystapi na zdjeciu obszar o bardzo zblizonej szarosci, roznice beda praktycznie nierozpoznawalne. Jest to zakres nieproporcjonalnosci, czyli duzych znieksztalcen odwzorowania tonalnego. Podobnie z lewej strony, przebieg jest bardzo plaski, zroznicowanie tonalne bedzie niewielkie, dodatkowo wystepuje w tym zakresie wysoki poziom szumu. Za uzyteczny zakres tonalny nalezaloby uznac taki, w ktorym odwzorowanie jest proporcjonalne lub fluktuacje proporcjonalnosci mieszcza sie w pewnych dopuszczalnych granicach oraz poziom szumu jest nizszy od dopuszczalnego. Krzywa zielona to pierwszy pochodna funkcji OE. Jest to tangens nachylnia stycznej do krzywej OE, nazywany "gama"*. Dla tej samej wartosci gama, nachylenie krzywej OE jest identyczne a wiec zachodzi identycznosc proporcjonalnosci odwzorowania. ( dla gama= 0 brak reakcji sensora na zmiany swiatla ). Fluktuacja wartosci gama jest wiec wyznacznikiem granic uzytecznosci zakresu tonalnego ( wymaganej proporcjonalnosci). Ale tez odwrotnie - jakosc odwzorowania sceny zalezy od jej rozpietosci tonalnej. Im szerszy zakres tonalny sceny, tym odwzorowanie bedzie bardziej tonalnie znieksztalcone. Jak wiec przyjac granice dopuszczalnej nieproporcjonalnosci?
RYS. 3 rys 2 i 3 pokazuja w jaki sposob zostanie odwzorowany scena o rozpietosci tonalnej 6,48 (rys.2) i 7,66 (rys.3) oznaczenia na wykresie: ZakrTon - Zakres tonalny (EV) ( dynamika wejscia ) Rozdzton - rozdzielczosc tonalna ( dynamika wyjscia) RTEV - rozdzilczosc tonalna w sklai logarytmicznej (EV) GestTon- ilosc stopni szarosci przypadjaca srednio na jeden EV zakresu tonalnego Linodwz- procentowe odstepstwo od odcinka D-C O- Lewa granica uzytecznego zakresu tonalnego P - Prawa granica uzytecznego zakresu tonalnego D- najnizszy poziom luminancji odpowiadajacy O C -najwyzszy poziom luminancji odpowiadajacy P J- lewa granica calkowitego zakresu tonalnego ( gama=0) K- prawa granica calkowitego zakresu tonalnego (gama=0) DL - linia brazowa - uzyteczny zakres tonalny ( dynamika wejscia) LC- linia rozowa - uzytecznarozdzilczosc tonalna (dynamika wyjscia) PozSzum - poziom szumu dla D (O) % SnrLeft - odstep Sygnal / szum dla D (O) e- parametr ustalajacy ile razy gama w granicy lewej lub prawej zakresu uzytecznego jest mniejsze od gama max. Jest to przyjeta dopuszczalna nieproporcjonalnosc odzorowania. Widzimy, ze o jakosci odwzorowania decyduje nie calkowity zakres tonalny, lecz zakres uzyteczny o zblizonej proporcjonalnosci i odpowiednio niskim poziomie szumow.
RYS. 4 Rys. 4 pokazuje jak w zaleznosci od rozpietosci tonalnej sceny zmienia sie proporcjonalnosc odwzorowania - gama/gama max. Porownujac sensory miedzy soba nalezaloby porownac ich uzyteczny zakres tonalny, ktory jest wezszy od calkowitego. Skutki praktyczne: 1. Im szerszy zakres tonalny sceny, tym wieksze znieksztalcenia odwzorowania tonalnego. Najwieksze wystepuja na poczatku ( cienie ) i koncu ( swiatla ) zakresu tonalnego. 2. Odcinek najlepszej proporcjonalnosci odwzorowania znajduje sie w poblizu ekspozycji odpowiadajacej luminancji ok 120-127, tj szarosci 18%, czyli w obszarze naswietlen wedlug wskazan swiatlomierza. 3. Tzw " naswietlenie na histogram", polegajace na " dobiciu" swiatel do prawej strony ( przeswietlenie), powoduje wzrost znieksztalcen tonow polozonych w srodkowej i prawej czesci krzywej ( umiarkowane szarosci, swiatla ), oraz poprawe odwzorowania w zakresie cieni. Po sprowadzeniu luminacji do prawidlowego poziomu ( sciemnienie w trakcie obrobki ), uzyskujemy poprawe odwzorowania w cieniach, obnizenie poziomu szumu, pogorszenie odwzorowania w swiatlach. dziekuje za uwage.
* tutaj dla osi rzedych w skali logarytmicznej, osi odcietych w skali liniowej. Na ogol poslugujemy sie wartoscia gama dla obu osi w tej samej skali logarytmicznej. Na tak skonstruowanym wykresie gama jest takze pewna funkcja czulosci sensora. Maksimum jest przesuniete w stosunku do szarosci 18 % o okolo 0,5 ev - o tyle jest zbyt optymistyczne oznakowanie ISO.