A faixa dinâmica na fotografia descreve a relação entre as intensidades de luz mensuráveis máxima e mínima (branco e preto, respectivamente). No mundo real, nunca se encontra branco ou preto verdadeiro - apenas graus variados de intensidade da fonte de luz e refletividade do assunto. Portanto, o conceito de faixa dinâmica se torna mais complicado e depende se você está descrevendo um dispositivo de captura (como uma câmera ou scanner), um dispositivo de exibição (como uma impressora ou tela de computador) ou o próprio assunto.
Assim como no gerenciamento de cores, cada dispositivo dentro da cadeia de imagens acima tem sua própria faixa dinâmica. Em impressões e telas de computador, nada pode se tornar mais brilhante do que o branco do papel ou um pixel de intensidade máxima, respectivamente. Na verdade, outro dispositivo não mostrado acima são nossos olhos, que também possuem sua própria faixa dinâmica. A tradução de informações de imagem entre dispositivos pode, portanto, afetar a forma como essa imagem é reproduzida. O conceito de faixa dinâmica é, portanto, útil para comparações relativas entre a cena real, sua câmera e a imagem na tela ou na impressão final.
INFLUÊNCIA DA LUZ:ILUMINAÇÃO E REFLECTIVIDADE
A intensidade da luz pode ser descrita em termos de luz incidente e refletida; ambos contribuem para o alcance dinâmico de uma cena (veja o tutorial sobre "medição e exposição da câmera").
Cenas com alta variação de refletividade, como aquelas que contêm objetos pretos além de fortes reflexos, podem ter um alcance dinâmico maior do que cenas com grande variação de luz incidente. A fotografia em qualquer um dos cenários pode facilmente exceder o alcance dinâmico da sua câmera – principalmente se a exposição não for exata.
A medição precisa da intensidade da luz, ou luminância, é, portanto, crítica ao avaliar a faixa dinâmica. Aqui usamos o termo iluminância para especificar apenas a luz incidente. Tanto a iluminância quanto a luminância são normalmente medidas em candelas por metro quadrado (cd/m). Valores aproximados para fontes de luz comumente encontradas são mostrados abaixo.
Aqui vemos a vasta variação possível para a luz incidente, uma vez que o diagrama acima é dimensionado para potências de dez. Se uma cena foi iluminada de forma desigual pela luz solar direta e obstruída, isso por si só pode aumentar bastante o alcance dinâmico de uma cena (como é evidente no exemplo do pôr do sol do desfiladeiro com uma face de penhasco parcialmente iluminada).
CÂMERAS DIGITAIS
Embora o significado de faixa dinâmica para uma cena do mundo real seja simplesmente a razão entre as regiões mais claras e mais escuras (relação de contraste), sua definição se torna mais complicada ao descrever dispositivos de medição como câmeras digitais e scanners. Lembre-se do tutorial sobre sensores de câmeras digitais que a luz é medida em cada pixel em uma cavidade ou poço (photosite). O tamanho de cada photosite, além de como seu conteúdo é medido, determina o alcance dinâmico de uma câmera digital.
Nível de preto
(Limitado por ruído)
Nível de branco
(Photosite saturado)
Nível de branco mais escuro
(Fotosite de baixa capacidade)
Os photosites podem ser pensados como baldes que contêm fótons como se fossem água. Portanto, se o balde ficar muito cheio, ele transbordará. Diz-se que um photosite que transborda ficou saturado e, portanto, é incapaz de discernir entre fótons adicionais de entrada - definindo assim o nível de branco da câmera. Para uma câmera ideal, sua taxa de contraste seria, portanto, apenas o número de fótons que ela poderia conter em cada photosite, dividido pela intensidade de luz mensurável mais escura (um fóton). Se cada um tivesse 1.000 fótons, então a relação de contraste seria de 1.000:1. Como os photosites maiores podem conter uma faixa maior de fótons,
a faixa dinâmica geralmente é maior para câmeras SLR digitais em comparação com câmeras compactas (devido a tamanhos de pixel maiores).
Nota técnica :Em algumas câmeras digitais, há uma configuração de ISO baixa estendida que produz menos ruído, mas também diminui o alcance dinâmico. Isso ocorre porque a configuração superexpõe a imagem em um f-stop completo, mas depois trunca os realces - aumentando assim o sinal de luz. Um exemplo disso são muitas das câmeras Canon, que possuem uma velocidade ISO-50 abaixo da ISO-100 comum.
Na realidade, as câmeras do consumidor não podem contar fótons individuais. A faixa dinâmica é, portanto, limitada pelo tom mais escuro onde a textura não pode mais ser discernida; chamamos isso de nível preto. O nível de preto é limitado pela precisão com que cada photosite pode ser medido e, portanto, é limitado na escuridão pelo ruído da imagem. Portanto,
o intervalo dinâmico geralmente aumenta para velocidades ISO mais baixas e câmeras com menos ruído de medição .
Nota técnica :Mesmo que um photosite pudesse contar fótons individuais, ainda seria limitado pelo ruído de fótons. O ruído de fótons é criado pela variação estatística na chegada de fótons e, portanto, representa um mínimo teórico para ruído. O ruído total representa a soma do ruído do fóton e do ruído de leitura.
No geral, o alcance dinâmico de uma câmera digital pode, portanto, ser descrito como a proporção entre a intensidade máxima de luz mensurável (na saturação de pixel) e a intensidade mínima de luz mensurável (acima do ruído de leitura). A unidade mais comumente usada para medir a faixa dinâmica em câmeras digitais é o f-stop, que descreve o alcance total da luz em potências de 2. Uma taxa de contraste de 1024:1 também pode ser descrita como tendo uma faixa dinâmica de 10 f-stops (uma vez que 2 =1024). Dependendo da aplicação, cada unidade f-stop também pode ser descrita como uma "zona" ou "eV".
SCANNERS
Os scanners estão sujeitos ao mesmo critério de saturação:ruído que o alcance dinâmico em câmeras digitais, exceto que é descrito em termos de densidade (D). Isso é útil porque é conceitualmente semelhante a como os pigmentos criam tons na mídia impressa, conforme mostrado abaixo.
 |  |  |
Baixa refletância
(Alta densidade) | Alta Refletância
(Baixa Densidade) | Alta densidade de pigmento
(Tom mais escuro) | Baixa densidade de pigmento
(Tom mais claro) |
A faixa dinâmica geral em termos de densidade é, portanto, a densidade máxima de pigmento (D), menos a densidade mínima de pigmento (D). Ao contrário das potências de 2 para f-stops, a densidade é medida usando potências de 10 (assim como a escala Richter para terremotos). Uma densidade de 3,0 representa, portanto, uma relação de contraste de 1000:1 (desde 10 =1000).
| Intervalo dinâmico do original | 
  |
|---|
| |
| Intervalo dinâmico do scanner |
|---|
Em vez de listar a densidade total (D), o fabricante do scanner normalmente lista apenas o valor D, já que D-D é aproximadamente igual a D. Isso ocorre porque, diferentemente das câmeras digitais, um scanner tem controle total sobre sua fonte de luz, garantindo que o photosite mínimo ocorre a saturação.
Para alta densidade de pigmento, as mesmas restrições de ruído se aplicam aos scanners que às câmeras digitais (já que ambos usam uma matriz de photosites para medição). Portanto, o D mensurável também é determinado pelo ruído presente durante a leitura do sinal de luz.
COMPARAÇÃO
O alcance dinâmico varia tanto que é comumente medido em uma escala logarítmica, semelhante à forma como as intensidades de terremotos são medidas na mesma escala Richter. Aqui mostramos a faixa dinâmica máxima mensurável (ou reproduzível) para vários dispositivos em termos de qualquer medida preferida (f-stops, densidade e taxa de contraste). Mova o mouse sobre cada uma das opções abaixo para compará-las.
| Selecione a medida para o intervalo dinâmico: |
|---|
| f-stops | Densidade | Taxa de contraste |
| Selecione os tipos a serem exibidos acima: |
|---|
| Mídia impressa | Scanners | Câmeras digitais | Dispositivos de exibição |
Observe a enorme discrepância entre a faixa dinâmica reproduzível em impressões e aquela mensurável por scanners e câmeras digitais. Para uma comparação com a faixa dinâmica do mundo real em uma cena, eles variam de aproximadamente 3 f-stops para um dia nublado com refletividade quase uniforme, a 12+ f-stops para um dia ensolarado com refletividade altamente irregular.
Deve-se ter cuidado ao interpretar os números acima; A faixa dinâmica do mundo real é uma forte função da luz ambiente para impressões e dispositivos de exibição. Impressões não visualizadas sob luz adequada podem não fornecer toda a sua faixa dinâmica, enquanto os dispositivos de exibição exigem escuridão quase total para atingir todo o seu potencial - especialmente para telas de plasma. Finalmente, esses valores são apenas aproximações grosseiras; os valores reais dependem da idade do dispositivo, geração do modelo, faixa de preço, etc.
Esteja avisado de que as taxas de contraste para dispositivos de exibição geralmente são muito exageradas , pois não há padrão do fabricante para listá-los. As taxas de contraste superiores a 500:1 são geralmente apenas o resultado de um ponto preto muito escuro, em vez de um ponto branco mais brilhante. Por esta razão, atenção deve ser dada tanto à relação de contraste quanto à luminosidade. As altas taxas de contraste (sem uma luminosidade correspondentemente mais alta) podem ser completamente negadas pela luz ambiente da vela.
O OLHO HUMANO
O olho humano pode realmente perceber uma faixa dinâmica maior do que normalmente é possível com uma câmera. Se considerarmos situações em que nossa pupila abre e fecha para luz variável, nossos olhos podem ver em uma faixa de quase 24 f-stops.
Por outro lado, para comparações precisas com uma única foto (com abertura constante, obturador e ISO), podemos considerar apenas a faixa dinâmica instantânea (onde a abertura da pupila não muda). Isso seria semelhante a olhar para uma região dentro de uma cena, deixar nossos olhos se ajustarem e não olhar para nenhum outro lugar. Para este cenário há muita discordância, porque a sensibilidade e o alcance dinâmico do nosso olho realmente mudam dependendo do brilho e contraste. A maioria estima de 10 a 14 f-stops.
O problema com esses números é que nossos olhos são extremamente adaptáveis. Para situações de extrema visão de estrelas com pouca luz (onde nossos olhos se ajustaram para usar bastonetes para visão noturna), nossos olhos se aproximam de faixas dinâmicas instantâneas ainda mais altas (veja o tutorial em "Percepção de cores do olho humano").
PROFUNDIDADE DE BITS E FAIXA DINÂMICA DE MEDIÇÃO
Mesmo que a câmera digital possa capturar uma vasta faixa dinâmica, a precisão com que as medições de luz são traduzidas em valores digitais pode limitar a faixa dinâmica utilizável.
O cavalo de batalha que traduz essas medições contínuas em valores numéricos discretos é chamado de conversor analógico para digital (A/D). A precisão de um conversor A/D pode ser descrita em termos de bits de precisão, semelhante à profundidade de bits em imagens digitais, embora deva-se tomar cuidado para que esses conceitos não sejam usados de forma intercambiável. O conversor A/D é o que cria valores para o formato de arquivo RAW da câmera digital.
Precisão de bits
do conversor analógico/digital | Taxa de contraste | Intervalo dinâmico |
|---|
| f-stops | Densidade |
|---|
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3.0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3.6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4.2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4.8 |
Observação:os valores acima são apenas para precisão do conversor A/D e não devem ser usados para interpretar resultados para arquivos de imagem de 8 e 16 bits. Além disso, os valores mostrados são um máximo teórico, assumindo que o ruído não é limitante, e isso se aplica apenas aos conversores A/D lineares.
Como exemplo, 10 bits de precisão tonal se traduz em uma possível faixa de brilho de 0-1023 (já que 2 =1024 níveis).
Supondo que cada número de conversor A/D seja proporcional ao brilho real da imagem (o que significa que o dobro do valor do pixel representa o dobro do brilho), 10 bits de precisão só podem codificar uma taxa de contraste de 1024:1.
A maioria das câmeras digitais usa um conversor A/D de 10 a 14 bits e, portanto, sua faixa dinâmica máxima teórica é de 10 a 14 pontos. No entanto, essa alta profundidade de bits apenas ajuda a minimizar a posterização da imagem, pois a faixa dinâmica total geralmente é limitada pelos níveis de ruído. Semelhante a como uma imagem de alta profundidade de bits não significa necessariamente que a imagem contém mais cores, se uma câmera digital tiver um conversor A/D de alta precisão, isso não significa necessariamente que ela pode gravar uma faixa dinâmica maior. Com efeito, a faixa dinâmica pode ser pensada como a altura de uma escada, enquanto a profundidade de bits pode ser vista como o número de degraus.
Na prática, o alcance dinâmico de uma câmera digital nem se aproxima do máximo teórico do conversor A/D; 8-12 paradas geralmente é tudo o que se pode esperar da câmera.
INFLUÊNCIA DO TIPO DE IMAGEM E CURVA TONAL
Os arquivos de imagem digital podem realmente gravar toda a faixa dinâmica de dispositivos de última geração? Parece haver muita confusão na internet sobre a relevância da profundidade de bits da imagem na faixa dinâmica gravável.
Primeiro precisamos distinguir se estamos falando de faixa dinâmica gravável ou faixa dinâmica exibível. Mesmo um arquivo de imagem JPEG comum de 8 bits pode gravar uma faixa dinâmica infinita - assumindo que a curva tonal correta é aplicada durante a conversão RAW (veja o tutorial sobre curvas, em motivação:faixa dinâmica), e que o conversor A/D tenha a precisão de bits necessária. O problema está na usabilidade dessa faixa dinâmica; se poucos bits estiverem espalhados por uma faixa tonal muito grande, isso pode levar à posterização da imagem.
Por outro lado, a faixa dinâmica exibível depende da correção de gama ou curva tonal implícita no arquivo de imagem ou usada pela placa de vídeo e dispositivo de exibição. Usando uma gama de 2.2 (padrão para PCs), seria teoricamente possível codificar uma faixa dinâmica de quase 18 f-stops (veja tutorial sobre correção de gama, a ser adicionado). Novamente, porém, isso sofreria severa posterização. A única solução padrão atual para codificar uma faixa dinâmica quase infinita (sem posterização visível) é usar arquivos de imagem de alta faixa dinâmica (HDR) no Photoshop (ou outro programa de suporte).
