Der blaue Himmel und die weißen Wolken waren alle verschwunden. Es ist nicht unsere Schuld. Das liegt daran, dass die Kamera nicht leistungsstark genug ist. Welttag der Fotografie

Produziert von: Science Popularization China

Autor: Salty Fish in the Sea (Master of Optics vom Changchun Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinesische Akademie der Wissenschaften)

Hersteller: China Science Expo

Der 19. August ist der Welttag der Fotografie, ein Fest für Fotografen und Fotografie-Enthusiasten auf der ganzen Welt. Wir richten die Linse auf den Himmel, auf die Wolken, auf den Moment des Auslösens und auf die Liebe in unseren Herzen.

Ist Ihnen schon einmal aufgefallen, dass an einem sonnigen Tag der reichliche Sonnenschein die ganze Welt hell und schön macht? Ich holte mein Handy heraus, um diesen Moment festzuhalten, stellte jedoch fest, dass der Himmel blass war. Der blaue Himmel war verschwunden und die weißen Wolken waren im Weiß versunken. Warum ist das so?

Was das menschliche Auge sieht

Mit der Kamera festgehalten

Bildquelle: vom Autor selbst erstellt

Dieses Problem liegt eigentlich darin begründet, dass die Lichtverhältnisse in der natürlichen Umgebung zu komplex sind und die derzeit verwendeten Kameras nicht leistungsstark genug sind.

Die Lichtverhältnisse in der natürlichen Umgebung sind sehr komplex und die Helligkeits- und Dunkelheitsschwankungen sehr groß. Da sich das menschliche Auge jedoch automatisch an Umgebungen mit unterschiedlicher Helligkeit anpassen kann , erscheinen uns die Helligkeits- und Dunkelheitsänderungen in der äußeren Umgebung nicht allzu drastisch. Wenn wir eine quantifizierbare Einheit verwenden, um die Größe des Umgebungslichts zu beschreiben, können wir den Helligkeitsunterschied anhand der Zahlen intuitiver spüren.

Lux (Symbol: lx ) ist die internationale Einheit der Beleuchtung, die die Intensität des Lichts auf der Oberfläche eines Objekts widerspiegelt. Es dient zur Anzeige der Umgebungshelligkeit und ist ein wichtiger Indikator zur Messung der Aufnahmeumgebung. An einem bewölkten Tag kann die Lichtintensität im Freien etwa 20.000 lx erreichen, an einem sonnigen Tag kann sie 50.000 lx erreichen. Die Beleuchtungsstärke in Innenräumen wie Büros oder Supermärkten liegt zwischen 300 und 1.000 lx; ​​In einer Mondnacht beträgt die Beleuchtungsstärke lediglich etwa 0,08 lx. Aus numerischer Sicht kann der Unterschied in den Beleuchtungswerten in unterschiedlichen Umgebungen daher um das Hundert- bis Zehntausendfache steigen.

Wie nimmt das menschliche Auge Umgebungen unterschiedlicher Helligkeit wahr?

Beim Beobachten von Umgebungen mit unterschiedlicher Helligkeit kann das menschliche Auge die Menge des auf die Netzhaut einfallenden Lichts in Echtzeit an die Umgebungshelligkeit anpassen, sodass das menschliche Auge unabhängig davon, ob es sich in einer hellen oder dunklen Umgebung befindet, klar sehen kann.

Das menschliche Auge ist ständig in Bewegung. Wenn wir unsere Blickposition anpassen, nehmen wir auch die Lichtverhältnisse der äußeren Umgebung erneut wahr und passen dann die Größe der Pupille an, um die einfallende Lichtmenge zu steuern. In einer sehr hellen Umgebung verengt sich die menschliche Pupille entsprechend, um die einfallende Lichtmenge zu reduzieren. In einer dunklen Umgebung weitet sich die Pupille, um die einfallende Lichtmenge zu erhöhen.

Pupille des menschlichen Auges

(Fotoquelle: VEER Photo Library)

Das menschliche Auge kann über die Pupille nicht nur die einfallende Lichtmenge regulieren, sondern sich durch die Schaltung verschiedener Sehzellen auch an extrem dunkle Umgebungen anpassen. Es gibt zwei Haupttypen von Sehzellen im menschlichen Auge: Zapfen und Stäbchen. Tagsüber verlassen wir uns hauptsächlich auf Zapfen, die Farben wahrnehmen und gleichzeitig die Lichtintensität erfassen können. In extrem dunklen Umgebungen in der Nacht greifen wir jedoch auf Stäbchen zurück, um Licht zu empfangen, da diese lichtempfindlicher sind. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass sie keine Farben unterscheiden können.

Wie macht eine Handykamera Fotos und zeichnet Umgebungen mit unterschiedlicher Helligkeit auf?

Doch anders als das menschliche Auge sind Handylinsen nicht so flexibel. Die Größe des Telefonobjektivs bestimmt die einfallende Lichtmenge und der Sensor bestimmt die Lichtempfindlichkeit der Kamera. Beim Aufnehmen von Bildern bestimmt der Algorithmus des Telefons automatisch die Belichtungszeit und die Sensorempfindlichkeit basierend auf den erkannten Daten zur Helligkeit des externen Lichts. Beim Aufnehmen von Fotos zeichnet die Kamera eines Mobiltelefons die äußere Umgebung auf einmal auf. Da der Beleuchtungsbereich, den die Kamera aufzeichnen kann, jedoch begrenzt ist, werden zu dunkle oder zu helle Stellen in der Umgebung auf dem Foto rein schwarz oder rein weiß dargestellt, wodurch viele Details verloren gehen. Daher stellten sich der blaue Himmel und die weißen Wolken, die am Anfang des Artikels erwähnt wurden, nach Hunderten von Aufnahmen als blass heraus – der Himmel ist zu hell und überschreitet die obere Grenze der Lichtempfindlichkeit der Kamera.

Im Gegensatz dazu sieht das menschliche Auge in der Realität bei einer Szene mit großem Hell-Dunkel-Kontrast tatsächlich, indem es den Bereich ändert, auf den es schaut. Beim Betrachten eines hellen Bereichs verengt das menschliche Auge seine Pupille, und beim Betrachten eines dunklen Bereichs erweitert es seine Pupille. Dies ist ein Prozess der dynamischen Anpassung und Aufnahme von Informationen. Das menschliche Auge behält von Natur aus mehr Details als Fotos.

Es gibt einen speziellen Begriff, der den Helligkeitsunterschied zwischen der äußeren Umgebung beschreibt und uns ein intuitiveres Verständnis der unterschiedlichen Fähigkeiten des menschlichen Auges und der Kamera ermöglicht: Dynamikbereich.

Der Dynamikbereich ist das Verhältnis der Maximal- und Minimalwerte eines variablen Signals (z. B. Ton oder Licht). Das Verhältnis der Beleuchtung am hellsten Punkt zur Beleuchtung am dunkelsten Punkt in einer Umgebung wird als Dynamikbereich der Umgebung bezeichnet . Das menschliche Auge verfügt außerdem über einen Dynamikbereich zur Wahrnehmung der Umgebung. Dieser ist das Verhältnis der maximalen Helligkeit zur minimalen Helligkeit, die das menschliche Auge erfassen kann. Ebenso verfügt eine Kamera über einen eigenen Dynamikbereich . Dies ist einer der wichtigen Faktoren, die jeder beim Kauf einer Kamera berücksichtigt. Wie groß sind also die Dynamikbereiche der natürlichen Umgebung, des menschlichen Auges und der Kamera? Siehe das Bild unten:

Der Dynamikbereich der Kamera ist um mehrere Größenordnungen geringer als der der natürlichen Umgebung.

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Dank der starken Anpassungsfähigkeit des menschlichen Auges können wir uns an fast alle Lichtverhältnisse in der natürlichen Umgebung anpassen (mit Ausnahme des direkten Blicks in die Sonne, was nicht empfohlen wird, da dies zu Augenverbrennungen führt). Der Dynamikbereich von Mobiltelefonkameras ist im Vergleich zum Dynamikbereich in natürlichen Umgebungen etwas eingeschränkt.

Wie können wir möglichst viele Details realer Szenen erfassen?

Der direkteste Weg ist die Vergrößerung des Linsendurchmessers. Dadurch kann die in die Kamera einfallende Lichtmenge erhöht werden und die Aufnahme dunkler Szenen erleichtert werden. Was ist mit hellen Szenen? Zu viel einfallendes Licht ist auch nicht gut und Sie müssen eine Blende hinzufügen, mit der Sie die einfallende Lichtmenge anpassen können. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Sensor mit höherer Empfindlichkeit und einem größeren Lichtempfindlichkeitsbereich zu verwenden.

Schematische Darstellung der Struktur einer Handykamera

(Fotoquelle: VEER Photo Library)

Um die Dynamikbereichsleistung der Kamera zu verbessern, besteht die gängigste Methode darin, in einem späteren Stadium Bildverarbeitungstechnologie zur Bildverarbeitung einzusetzen. Fast jede Mobiltelefonmarke ist mit einer Bildverarbeitungstechnologie namens „HDR“ (High Dynamic Range Imaging) ausgestattet. Wenn beim Aufnehmen von Bildern auf einem Mobiltelefon der HDR-Modus aktiviert ist, verwendet die Kamera bei jedem Klicken auf die Fototaste unterschiedliche Empfindlichkeiten, um schnell mehrere Fotos derselben Szene mit unterschiedlicher Helligkeit und Dunkelheit aufzunehmen. Später wird der Algorithmus verwendet, um mehrere Fotos zu einem Foto zu kombinieren und so den Zweck der Verbesserung des Dynamikbereichs zu erreichen.

HDR-Erweitertes Dynamikbereichsprinzip

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

HDR-Beispiele

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Allerdings ist die tatsächliche Wirkung von HDR nicht immer optimal. Einige mit dem HDR-Algorithmus verarbeitete Bilder können unnatürlich aussehen.

Fotos mit schlechter HDR-Verarbeitung

(Bildquelle: vom Autor selbst erstellt)

Wenn Fotografie-Enthusiasten in der Praxis mit einer Kamera fotografieren, passen die meisten von ihnen, sobald sie auf eine Szene mit großen Helligkeitsschwankungen stoßen, die Belichtung der Kamera an, um die Szene etwas abzudunkeln, damit die Details in den hellen Bereichen erhalten bleiben, und passen das Bild später an, um einen möglichst großen Dynamikbereich zu erhalten. Ähnlich verhält es sich beim Aufnehmen eines Fotos mit einem Mobiltelefon: Sie können zunächst auf den Bildschirm tippen und ihn dann nach oben und unten schieben, um die Belichtung anzupassen. Wenn Sie in einer Umgebung mit großen Helligkeits- und Dunkelheitsschwankungen fotografieren, machen Sie ein etwas dunkleres Foto, um mehr Spielraum für spätere Anpassungen zu haben.

Quellen:

[1] Xu R .REAL-TIME REALISTIC RENDERING UND HIGH DYNAMIC RANGE IMAGE DISPLAY AND COMPRESSION[J].Dissertation Abstracts International, 2005.DOI:http://dx.doi.org/.

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