Треугольник будет выпит...?

Оговорим сразу, что критика одного из самых широко растиражированных фотографических мифов - не цель этой заметки, а только средство. Цель же в том, чтобы показать, что отказавшись от этого мифа, Вы сможете полнее использовать возможности камеры и повысить качество фотографий.

Для тех, кто предпочитает начинать сразу с практических выводов, а не с критики:

Практические выводы для повышения качества снимка:

  • "Шум и вред" происходят не собственно от повышения ISO, а от снижения экспозиции
  • Установив ISO в базовое (минимальное реальное для данной камеры) значение, увеличивайте экспозицию до предела (ограничения: ГРИП, аберрации/разрешение, смаз, обрезка сюжетно-важных светов). Это снизит шум и повысит качество снимка
  • Если не удалось добиться экспозиции вправо, увеличивайте ISO, учитывая особенности Вашей камеры. Это тоже может помочь снизить шум и тем повысить качество снимка
  • Если у сцены широкий динамический диапазон, понижение ISO для исключения обрезки сюжетно-важных деталей в светах работает, с точки зрения качества снимка, гораздо лучше снижения экспозиции
  • Яркость - не цель экспозиции, особенно в raw, а художественный элемент подачи изображения, она выставляется по вкусу при конвертации и редактировании. Яркость часто редактируют не только и не столько прямым масштабированием, сколько одновременно с контрастом, используя кривые, channel blending, а порой и локальное вмешательство (маски, dodge / burn, и т.п.).

Ну, а теперь приступим к развенчанию мифа...

Немного найдется фотографических сайтов, блогов и публикаций, где для объяснения экспозиции в фотографии не привлекалась бы модель на основе так называемого треугольника экспозиции, объединяющего скорость затвора, диафрагму и ISO. Тексты про треугольник экспозиции демонстрируют весьма разный уровень понимания их авторами роли и фотографического эффекта каждой из трех составляющих, однако, все они настойчиво и безапеляционно утверждают - экспозиция определяется комбинацией всех трех параметров и при согласованном изменении трех параметров (shutter / aperture / ISO) экспозиция остается прежней.

Вкратце заметим, что “треугольником” пленку (а позднее – ISO), диафрагму и скорость затвора первым связал Брайан Петерсон. В 1990г в своей книге “Understanding Exposure”, предназначенной для широкого круга фотографов, он описал эту связь термином «фотографический треугольник».

В ходе тиражирования и «усовершенствования» в многочисленных интернет-публикациях этот фотографический треугольник почему-то изменил и суть, и название, превратившись в мистический «треугольник экспозиции», – модель, являющуюся с нашей точки зрения не просто ненужной, не просто неправильной, а очень вредной. Неправильное понимание роли экспозиции и ISO, равно как и порядка их задания при съемке, ведет к снижению качества снимков.

Определения и факты

Для начала приведем несколько базовых определений и экспериментально подтвержденных фактов, касающихся экспозиции и ISO:

  • время экспозиции - это время, в течении которого свет попадает на светочувствительный материал; с закрытием затвора экспозиция заканчивается;
  • по определению, фотографическая экспозиция рассчитывается как произведение освещенности светочувствительного материала на время экспозиции и измеряется в люкс-секундах; экспозиция - это произведение удельного светового потока на время;
  • элементами прямого управления экспозицией в фотоаппарате являются выдержка и диафрагма (не считая встроенных нейтральных или иных фильтров);
  • таким образом, ISO не может быть элементом экспозиции, да оно через экспозицию и определяется (см. стандарт ISO 12232:2019, "Photography — Digital still cameras — Determination of exposure index, ISO speed ratings, standard output sensitivity, and recommended exposure index" и Вики), и "применяется" после экспозиции;
ISO 12232:2019(E) - ISO speed definition

стандарт ISO 12232:2019, раздел 3, п. 3.7 (стр.2)

  • в то же время, ISO - не чувствительность сенсора (см. datasheets на сенсоры): чувствительность сенсора не изменяется при изменении ISO, изменяется только коэффициент масштабирования сигнала / данных, полученных в результате экспозиции;
  • чисто аналоговое увеличение ISO не вызывает роста шума (легко проверяется экспериментально), поскольку шум усилителей ничтожен по сравнению с остальными составляющими шума;
  • рост шума на снимке, сделанном конкретной камерой, практически полностью определяется снижением экспозиции и может лишь замедляться благодаря подъему ISO (опять же, легко проверяется прямым экспериментом), поскольку транспортный шум (шум при передаче сигнала от пиксела к аналого-цифровому преобразователю) и шум самого аналого-цифрового преобразования становятся менее заметными на фоне большего сигнала от источника;

И еще несколько фактов, уже не из области физики, а из области стандартов и практик (отнюдь не “best”):

  • стандарт явным образом не рекомендует и даже запрещает распространение ISO на raw (см. ниже выдержки из стандарта). ISO определено для "готового" снимка (JPEG или TIFF из камеры), поэтому в стандарте речь идет о camera (DSC) sensitivity, и никак не о чувствительности сенсора.
ISO 12232:2019(E) - ISO for raw images

стандарт ISO 12232:2019, раздел 6, п. 6.1 (стр.6)

ISO 12232:2019(E) - ISO for raw images

стандарт ISO 12232:2019, раздел 7, (стр.11)

  • стандарт говорит о том, что величина ISO может и вовсе не участвовать в процессе расчета экспозиции...
ISO 12232:2019(E) - ISO speed during image capture

стандарт ISO 12232:2019, раздел 3, п. 3.7 (стр.2)

  • ... и даже в процессе формирования в камере изображения JPEG или TIFF
ISO 12232:2019(E) - Exposure index

стандарт ISO 12232:2019, Введение

  • стандарт никак не специфицирует и никак не ограничивает способы реализации ISO speed или EI в камере, оставляя это на усмотрение производителя
  • такая неопределенность удобна изготовителям камер, а именно они заправляют в профильном комитете;
  • в результате, обтекаемый подход стандарта к определению фотографической чувствительности позволяет производителям камер явно пренебрегать естественными требованиями прозрачности и единообразия (даже для различных моделей камер, выпускаемых одним производителем, трактовки и реализации положений стандарта могут отличаться):
  • advanced системы замера (highlight priority, например) ориентируются на динамический диапазон сцены и динамический диапазон камеры и могут вовсе не пытаться искать midtone;
  • режимы Fujifilm DR, Sony S-Log, Panasonic V-Log используют при расчете экспозиции то ISO, что пользователь установил на камере, но при отработке экспозиции включают другое ISO, на стоп или более ниже;
  • включение Nikon Active D-Lightening может просто изменить скорость затвора на стоп и более.
  • и т.д.

И наше частное мнение об ISO:

  • на самом деле, нет объективной причины не вводить ISO для raw, просто придется отвечать на вопрос почему для raw значение ISO одно, а для JPEG - другое.

Невыносимая легкость бытия - по модели треугольника

Вернемся к тому самому "треугольнику экспозиции" и рассмотрим несколько существенных противоречий, вытекающих из предлагаемой им модели.

ОК, мы установили некоторую экспозицию, а потом по каким-то причинам, например, потому что мы изменили фокусное расстояние объектива, мы увеличили скорость затвора на ступень и компенсировали это, открыв на одну ступень диафрагму объектива. Очевидно, что экспозиция осталось той же (см. выше определение фотографической экспозиции).

Представим теперь, что по тем или иным причинам мы не смогли компенсировать увеличение скорости затвора дальнейшим раскрытием диафрагмы и, вместо этого, увеличили ISO. Что стало с экспозицией? Осталась ли она, как и в предыдущей ситуации, той же? Исходя из определения фотографической экспозиции, разумеется, нет. Так как же тогда быть с треугольником экспозиции, из графики которого следует, что и во втором случае, как и в первом, экспозиция не изменится?

Поставим задачу несколько иначе. Допустим, мы сделали два снимка, отличающиеся только установкой ISO. Если следовать треугольнику, эти снимки имеют разную экспозицию. Очевидно, что это неверно: исходя из определения фотографической экспозиции, они оба сделаны с одной и той же экспозицией. Чем же тогда они отличаются, ну, кроме ISO? Они отличаются яркостью.

Следовательно, изменение ISO ведет к изменению яркости обработанного конвертером изображения, а не к изменению экспозиции снимка, определяемой только скоростью затвора и диафрагмой, установленными при съемке. Что же тогда ISO делает в "треугольнике экспозиции"?

Присмотритесь к обоим сделанным снимкам повнимательней, уравняв яркости. Бац, тот, что снят на ISO повыше, шумит поменьше (а для некоторых камер и диапазонов ISO - практически так же) - а треугольник-то намекает на практически противоположное, там из повышения ISO следует повышение шума. Но и света у снимка на более высоком ISO зарезаны посильней, а треугольник нас и не предупредил.

Если Вы хотите проверить это для тех камер, которых у Вас нет, то это можно сделать с помощью приложения на DPReview.

На странице приложения выберите характерный участок мишени для изучения

... а затем выберите из списка камеры и ISO

Вообще, в этом треугольнике много загадок, что, похоже, свойственно треугольникам: в нем по непонятным причинам подменяется понятие "яркость" понятием "экспозиция", а странные надписи по сторонам вызывают в памяти слова школьного учителя арифметики о, мягко говоря, некорректности сложения лампочек с апельсинами...

Взглянем (мысленно) на стороны треугольника поближе (мы сознательно не приводим здесь изображения треугольника экспозиции, но желающие освежить его в памяти без труда найдут в интернете десятки посвященных ему публикаций с изображениями оного треугольника, отличающимися друг от друга лишь художественными предпочтениями автора и навыками использования им графических пакетов).

По двум сторонам, соответствующим элементам установки экспозиции, мы имеем понятные, простые и верные фотографические цели - больше DoF, меньше blur, ... В треугольнике DoF связана с диафрагмой, что верно (не станем придираться к таким "мелочам", как то, что дифракция никак не упоминается и тем более никак не иллюстрируется, а она, дифракция, начиная с некоторого значения диафрагменного числа, заметно снижает резкость). Blur связан со скоростью затвора, что опять же в основном верно.

Проблемы начинаются при попытках осознать предлагаемое третьей стороной, "ISO":

  • Треугольник связывает уровень шума с ISO вместо того, чтобы связывать его в первую очередь с экспозицией.
  • Связь воспринимаемого уровня шума с ISO - скверная ошибка, с далеко идущими последствиями. Согласно треугольнику, f/5.6 1/200 sec ISO 200 - это та же экспозиция, что и f/5.6 1/3200 sec ISO 3200, просто вторая - "более шумная" из-за "шума, присущего высоким ISO". На самом же деле, во втором случае экспозиция по определению ниже аж в 16 раз, или на 4 ступени.
  • Именно это весьма значительное различие в экспозиции и ответственно в первую очередь за разницу в воспринимаемом уровне шуме, в то время как увеличение ISO, вопреки подписям в треугольнике и утверждениям его адептов, не только не усиливает, а может лишь сглаживать эту разницу. Легко проверить и убедиться, что снимок с той же экспозицией, что и для ISO 3200 (f/5.6 1/3200 sec), но сделанный на ISO 200, после уравнивания его яркости со снимком, сделанным на ISO 3200, "шумит" или практически так же, или даже сильнее, и может вдобавок не вполне удерживать нейтраль в тенях.
  • А вот и следующая нелепость: подъем ISO как-то связывается с усилением света, падающего на сенсор, или ускорением его "сбора" и замера.
  • Какого такого света, куда падающего, чем усиливаемого и чем замеряемого? К моменту отработки ISO (происходящему лишь при конвертации сделанного снимка, с целью получению изображения с определяемой этим самым ISO яркостью в среднем тоне) экспозиция уже завершена, свет собран и замерен. Ну, а аналогия с управляемым величиной ISO количеством пчел в Вашей шляпке (пардон, камере), собирающих свет, - это уже из репертуара театра абсурда, что бы там ни утверждала КНИГА.
  • ISO, просто по определению, само по себе в экспозиции не участвует. Единственный способ, которым оно может повлиять на экспозицию, - это косвенно, вызвав изменение установок скорости затвора и/или диафрагмы.
  • Почему же ISO имеет равноправную сторону в "треугольнике экспозиции", причем настолько равноправную, что весь треугольник - равносторонний?

И еще несколько вопросов ребром

Начнем с основного вопроса. А для чего вообще нужен этот треугольник, и что именно его графика позволяет объяснить лучше и проще?

  1. Откуда взялось название "треугольник экспозиции", в то время как предмет этого треугольника - яркость, нечто гораздо менее существенное, чем экспозиция?
  2. В чем смысл объединения установки параметров экспозиции (выдержки и диафрагмы) и параметра регулировки яркости (ISO) в треугольник?
  3. Единственным результатом такого объединения является создание превратного впечатления, что и экспозиция, и яркость выбираются раз и навсегда в момент нажатия на спуск затвора. Безусловно, экспозиция устанавливается перед съемкой и после спуска затвора для сделанного снимка изменена быть не может. Но при чем же здесь яркость? Яркость - отдельный и независимый параметр, он устанавливается и регулируется в процессе конвертации и редактирования снимка. Яркость получающегося из снимка изображения может быть изменена произвольное количество раз.
  1. Разве нужен треугольник для того, чтобы понять базовый (и, заметим, отнюдь не всегда актуальный сегодня) принцип работы системы замера света и расчета экспозиции в камере, состоящий в том, что "при такой-то освещенности сцены и при такой-то установке ISO для обеспечения стандартной яркости среднего тона изображения необходима такая-то экспозиция" или "при такой-то освещенности сцены и при такой-то установке экспозиции для обеспечения стандартной яркости среднего тона изображения необходимо такое-то ISO"? (заметим, что даже Брайан Петерсон ни в одном из имеющихся у нас пяти изданий его книги "Understanding Exposure" никаких треугольников не изображал).
  2. Разве треугольник помогает понять, что именно экспозицию следует повышать для того, чтобы уменьшить шум?
  3. Разве треугольник помогает понять, что после того, как экспозиция поднята до предела, следующий ресурс для снижения шумов - подъем ISO (в тех камерах и на тех диапазонах ISO, где регулятор ISO меняет хоть что-то, а это не все камеры и не все диапазоны ISO)?
  4. Мало этого, треугольник мешает понять стандартную схему работы системы автоэкспозиции - при повышении ISO экспозиция снижается (и именно от снижения экспозиции, повторим, и происходит рост зашумленности; но написать под стороной ISO "больше экспозиция, меньше шума - меньше экспозиция, больше шума" треугольная догма экспозиции, разумеется, не позволяет).
  5. Треугольник не предлагает и не поддерживает даже базового принципа нулевой суммы кликов:
    • для поддержания постоянной экспозиции:
    • каждый клик на увеличение скорости затвора балансируется кликом диафрагмы в сторону ее открытия
    • каждый клик на уменьшение скорости затвора балансируется кликом диафрагмы в сторону ее закрытия
    • для поддержания постоянной яркости:
    • количество кликов на уменьшение экспозиции балансируется равным количеством кликов на увеличение ISO
    • количество кликов на увеличение экспозиции балансируется равным количеством кликов на уменьшение ISO.
  6. Треугольник производит подмену цели - вместо оптимизации экспозиции с целью подъема качества изображения акцент делается на поддержании яркости, к качеству изображения отношения не имеющей.
  7. Длина текстов, необходимо сопровождающих и объясняющих треугольник, внушает сомнения в иллюстративной силе модели.
  8. Ну, и так далее...

Ситуация усугубляется тем, что адепты треугольника не только не понимают, что означает "чувствительность DSC по ISO", но и делают множество иных чудовищно нелепых утверждений в своих статьях, утверждений, никак не вызывающих доверия к любым техническим текстам, выходящим из-под их пера. Вот несколько примеров:

  • ... "we can control the sensitivity of the digital sensor on the fly";
  • ... "increased ISOs result in increased noise and less detail";
  • ... "basically, the lower the ISO number, the less light is hitting your sensor";
  • ... "the aperture is the hole inside your lens, which acts as the ‘iris’ similar to your eyes. A wide or low-number aperture, such as f.2/8 will have a very small focal length";
  • ... "a typical range would be f/1.4, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/16 and f/22. The numbers almost double every time. For the ones that don’t (f/4 and f/22), they are usually the previous two numbers added together (or thereabouts)";
  • ... "you need to add two more stops of light into your settings for a correct exposure. You could add it using ISO, changing it from 100 to 400".

Еще раз о минусах "треугольника экспозиции". Сокращенный вариант:

  • Треугольная модель утверждает, что подъем шума вызван подъемом ISO. Это чушь, это хуже чем "ветер дует потому, что деревья качаются" (здесь-то просто перепутаны причина и следствие), она уже сродни "море соленое потому, что в нем много селедки" (тут уже трудно говорить о просто перепутанных причине и следствии, так как здесь в качестве причины называется явная выдумка - плавающая в море сельдь, ну, никак не может быть соленой, а продукт засолки сельди, называемый селедкой, никоим образом не плавает в море, она уже вообще нигде плавать не может).
  • Модель предостерегает от подъема ISO "из-за роста шумов". Снова вранье. Все с точностью до наоборот, при фиксированной экспозиции подъем ISO не только не ухудшает соотношения сигнал-шум, но может его и заметно улучшить.
  • Модель говорит, прямо названием своим, что ISO - часть экспозиции, и это тоже чушь.
  • Модель представляет ISO как равноценную составляющую с собственно экспозицией (подчеркивая это тем, что длины всех сторон треугольника одинаковы) - опять же чушь.
  • Модель не подчеркивает ведущую роль экспозиции при управлении шумом, динамическим диапазоном. Наоборот, модель скрывает ее. Экспозиция важнее намного, и именно ее надо ставить первой, максимально возможной, а ISO ставить потом, добиваясь достаточной яркости, но избегая обрезки сюжетно-важных деталей в светах. В этом случае даже простая гистограмма в камере - неплохое подспорье, потому что промах в сторону недостаточно высокого ISO приводит к меньшей зашумленности, чем промах с экспозицией из-за преждевременной индикации клиппинга, взятой "по JPEG".
  • Модель предлагает считать, что цель экспозиции - яркость. Полная чепуха. Яркость - появляется только в результате rendering, processing, и происходит это после экспозиции. Экспозиция и яркость - это разные физические величины, с разными же единицами измерения. Как же можно подменять одну из них другой?

Когда под треугольником честно напишут, что в автоматических режимах экспозиции рост ISO вызывает снижение экспозиции, а снижение экспозиции в свою очередь и вызывает тот самый рост шума - будет возможно его обсуждать хотя бы как треугольник яркости (яркости, но не экспозиции!) для JPEG.

Когда в комментариях к графике треугольника жирным шрифтом укажут, что если для увеличения ГРИП прикрыли диафрагму, а для уменьшения смаза - увеличили скорость затвора, экспозиция уменьшилась, и увеличение ISO ничем, кроме яркости, не скомпенсирует это снижение экспозиции, возможно, уменьшится и поток жалоб на "шум и полосочки от высоких ISO".

"Треугольник экспозиции" только запутывает фотографа, и с возникающими на пустом месте заблуждениями потом приходится упорно бороться. Сейчас его можно только высмеивать как продукт полной безграмотности, а статьи, "разъясняющие" его - как злостную дезинформацию.

Так, может быть, стоит прекратить его рекламировать и на него ссылаться, особенно учитывая, что многое в нем, начиная с названия, ошибочно, а полная диаграмма сложна и малополезна на практике? Может быть, лучше сразу учить правильно?

Суммируя основные факты

  • Аналоговое усиление и увеличение pixel gain используются для снижения шума, а не для целей экспозиции или яркости. Яркость - вопрос масштабирования. Если аналоговое усиление не дает существенного выигрыша в соотношении сигнал-шум, то на практике это усиление не нужно и может быть вредным (например, для сцен с широким динамическим диапазоном оно может привести к "обрезке" светов). Вклад аналогового усиления в снижение шумности отличается от камеры к камере, и часто может отличаться для разных режимов и установок ISO в одной и той же камере, поэтому фотографу стоит потратить время на эксперименты со своей камерой аналогично тому, как в пленочные времена каждый закупленный батч пленки подвергался отдельному тестированию
  • На регулятор ISO в камере надо смотреть как на масштабный умножитель (аналоговый, цифровой, гибридный) с функцией шумоподавителя, и использовать его в зависимости от эффективности шумоподавления в данном положении ручки, учитывая обрезку светов при росте коэффициента. Практический эффект здесь - именно шумоподавление, а то, что это достигается на умножителе - подробность реализации, способ шумоподавления. Само по себе масштабирование значений raw в камере никакой полезной функции не несет. С таким же успехом собственно яркость можно поднять при конвертации raw. (Термин "умножитель" вполне устойчиво применяется и в аналоговом "мире", поиск по терминам "масштабный операционный усилитель" и "умножитель на операционном усилителе" покажет)
  • Увеличение экспозиции снижает воспринимаемый шум сильнее, чем увеличение ISO (исключения обычно случаются на низких ISO, близких к базовому: немалое количество Canon'ов, где от ISO 100 к ISO 200 характер шума субъективно становится менее раздражающим, иногда заметно менее раздражающим, в то время как объективно остальные параметры качества практически не изменяется; Sony DSLR-A900, где тоже ISO чуть выше базового предпочтительней; и еще наберется несколько моделей разных производителей, где базовое ISO шумит сильнее и/или неприятней, чем ISO чуть выше базового - в основном потому, что усиление таки нужно, а 14-битного АЦП не всегда хватает на базовом ISO)
  • raw не имеет собственной яркости; raw - это результат измерений освещенности сенсора, сделанный пикселами-фотодиодами через цветоделительные фильтры во время экспозиции. Так же, как показания вольтметра не могут ударить Вас током, так и raw не ослепит Вас
  • Цель экспозиции - не яркость, а запись возможно более полной информации о сюжетно-важных участках сцены
  • Передержка в raw - это не "слишком яркий" снимок, это потеря сюжетно-важных деталей в светах. Яркость выставляется по вкусу при конвертации
  • Недодержка в raw - это не "слишком темный" снимок, это избыточный уровень шума в сюжетно-важных тенях.

И снова повторим:

Практические выводы для повышения качества снимка:

  • "Шум и вред" происходят не собственно от повышения ISO, а от снижения экспозиции
  • Установив ISO в базовое (минимальное реальное для данной камеры) значение, увеличивайте экспозицию до предела (ограничения: ГРИП, аберрации/разрешение, смаз, обрезка сюжетно-важных светов). Это снизит шум и повысит качество снимка
  • Если не удалось добиться экспозиции вправо, увеличивайте ISO, учитывая особенности Вашей камеры. Это тоже может помочь снизить шум и тем повысить качество снимка
  • Если у сцены широкий динамический диапазон, понижение ISO для исключения обрезки сюжетно-важных деталей в светах работает, с точки зрения качества снимка, гораздо лучше снижения экспозиции
  • Яркость - не цель экспозиции, особенно в raw, а художественный элемент подачи изображения, она выставляется по вкусу при конвертации и редактировании. Яркость часто редактируют не только и не столько прямым масштабированием, сколько одновременно с контрастом, используя кривые, channel blending, а порой и локальное вмешательство (маски, dodge / burn, и т.п.).

5 Comments

«previous two numbers added

«previous two numbers added together» — блин, я хочу посмотреть на этого великого математика. Повеселили, цитаты просто огненные)

Меня и сам ряд поразил. "a

Меня и сам ряд поразил. "a typical range would be f/1.4, f/2.8, f/4, f/5.6, f/8, f/16 and f/22" - ни f/2, ни f/11 не типичны, выходит.

--
Best regards,
Iliah Borg

Он складывал и

Он складывал и аппроксимировал, как мог. Шёл к успеху, не получилось, не фартануло.