Het dynamisch bereik van een camera is de verhouding van het felste licht tot het zwakste licht dat nog kan worden waargenomen. In de fotografie wordt dit uitgedrukt in stops, waarbij elke stop een verdubbeling van de lichthoeveelheid voorstelt. Het dynamisch bereik is van belang wanneer je een onderwerp fotografeert met een groot contrast. Je wilt immers dat zowel de donkere als de lichte partijen goed doortekend zijn. Oudere digitale camera’s hebben een dynamisch bereik van een stop of zes, moderne volformaat camera’s komen boven de tien uit.
In dit artikel leggen we uit hoe het dynamisch bereik werkt en hoe je het zo groot mogelijk kunt maken voor jouw camera.
Dynamisch bereik
Dynamisch bereik (Dynamic Range) is een term uit de natuurkunde die de verhouding beschrijft tussen de laagste waarde en de hoogste waarde van een variabele. In de fotografie denken we dan natuurlijk direct aan licht, maar dynamisch bereik kan ook betrekking hebben op geluid.
Stel je het menselijk oor voor: dat kan een zacht gefluister op grote afstand nog waarnemen, maar ook het geluid van een heavy metal band op een popconcert. Stellen we de geluidssterkte van het fluisteren op 1 en die van de band op 1 000 000, dan heeft het menselijk oor een dynamisch bereik van 1 000 000. Omdat het lastig is te rekenen met grote getallen, wordt het dynamisch bereik altijd weergegeven als een logaritmisch getal. In het geval van geluid werkt men met Decibel (dB), het dynamisch bereik van 1 000 000 is dan 60 dB.
Hetzelfde geldt voor licht. Ons oog kan een zwak lichtsignaal van een ster uit het melkwegstelsel nog waarnemen, maar ook het zonlicht dat weerkaatst op een sneeuwdek. Bij licht werkt men niet met decibel maar met lichtwaarde of, meer gebruikelijk, met stops. Een (1) stop komt overeen met een verdubbeling van de lichthoeveelheid; vijf stops wil dus zeggen een factor van 2x2x2x2x2 (2 tot de vijfde macht) oftewel 32. Het menselijk oog heeft een dynamisch bereik van ongeveer 30 stops (2 tot de macht 30 is 1,07 miljard).
Dynamisch Bereik in de fotografie
Fotografeer je een contrastrijke situatie met een dynamisch bereik dat groter is dan dat je camerasensor aan kan, dan zullen de donkere partijen onderbelicht zijn (dus geheel zwart; ‘dichtgelopen’ noemen we dat) terwijl de rest van de foto goed belicht is. Of je schaduwen zijn wel goed doortekend, maar dan zijn de witte partijen helemaal wit (‘uitgebeten’). Op het plaatje hiernaast zie je een voorbeeld van uitgebeten lichte partijen in de voorgrond. Dat ziet er niet uit.
In de regel oogt een foto beter met dichtgelopen zwarten dan met uitgebeten lichten. Net zoals een zwart stofje of een ‘dode’ pixel veel minder opvalt dan een wit stofje of een ‘actieve’ pixel. In vroeger jaren, toen er nog op film gewerkt werd, zorgden diafotografen er daarom altijd voor wat krap te belichten, overbelichting was fataal! Wie op negatieffilm werkte belichtte juist altijd wat over – om dezelfde reden.
In een ideale situatie heeft je camerasensor voldoende dynamisch bereik om zowel schaduwen als lichte partijen goed weer te geven. Zeker in Nederland, is voor de landschapsfotografie een dynamisch bereik van 6 voldoende. Hoe feller de zon, hoe ‘harder’ het licht, hoe groter het dynamisch bereik moet zijn. Grote verschillen in belichting komen voor bij flitsfotografie, bij opnames met tegenlicht, en bij foto’s van bijvoorbeeld een interieur waar je ook het ‘buitengebeuren’ in beeld wilt brengen. Dan is het dynamisch bereik van het onderwerp groter dan van je camera. Zoiets kun je soms oplossen met een kunstje: een verloopfilter, een ‘invulflitsje’, een reflectiescherm of iets dergelijks.
Wat kan jouw camerasensor?
De pixels kun je je voorstellen als kleine emmertjes op het oppervlak van je sensor. Valt er een lichtdeeltje in zo’n emmertje, dan geeft dat een signaal door aan de cameraprocessor. Het signaal is recht evenredig met het aantal lichtdeeltjes – tot het emmertje vol is. Nog meer licht voegt dan niets meer toe en leidt niet tot een sterker signaal. Behalve het ‘echte’ lichtsignaal ontvangt de processor ook ‘valse’ signalen; die noemen we ruis. Omdat de ruis onafhankelijk is van het ontvangen licht, bevat een zwak signaal naar verhouding veel ruis. Ga je een zwak signaal versterken, dan versterk je de ruis net zo hard mee als het echte signaal. Ruis zie je dus alleen in de donkere partijen, nooit in de lichte.
Een sensor met grote pixels (’emmertjes’) vangt meer licht dan een met kleine pixels. De verhouding tussen signaal en ruis is dan groter. Een sterk signaal van een groot emmertje kun je meer versterken voordat je de ruis gaat zien. Bovendien duurt het langer voordat zo’n emmertje vol is. Een sensor met grote pixels is dus in de regel lichtsterker, en heeft ook een groter bereik tussen het laagste en het hoogste signaal dan een sensor met kleine pixels. Precies: een groter dynamisch bereik.
Oudere digitale sensoren hebben een dynamisch bereik van rond de zes. Tegenwoordig zijn, vooral bij volformaat sensoren, getallen van rond de tien geen uitzondering meer. Die verbetering zit niet alleen in de sensor zelf, maar ook in de toepassing van ruisonderdrukkende software. Die maakt het immers mogelijk zeer zwakke signalen verder op te peppen voordat je de ruis kunt waarnemen.
Histogram
De beste indicatie om te zien hoe jouw camera omgaat met sterke contrasten is het bekijken van het histogram; dat kun je op elke serieuze digitale camera in de weergavestand oproepen. Bij camera’s met een elektronische zoeker is het mogelijk om het histogram live in de zoeker weer te geven. Op de horizontale as van het histogram staat de signaalsterkte, links de donkerste signalen, rechts de lichtste. Op de verticale as staat het aantal pixels dat een dergelijk signaal heeft ontvangen. Een ideaal histogram ziet er uit als een grote bult, waarbij zowel links als rechts de uiteinden van de bult op de nullijn eindigen. Zie je aan de uiteinden een oplopend signaal, dan is dat een teken dat je buiten het bereik van de sensor komt. De sensor heeft die groep signalen niet meer van elkaar kunnen onderscheiden en ze op een hoopje geveegd. Het histogram is afgeknepen, clipped in het Engels. Je belichting was verkeerd, of het dynamisch bereik van je sensor was te klein voor het onderwerp. Hier rechts boven zag je een ideaal histogram en hiernaast zie je een afgeknepen histogram: teveel lichte partijen!
Let er wel op dat het histogram op het camera-display altijd een JPEG-plaatje is; dat is wat eerder afgeknepen dan dat op computermonitor.
Dynamisch Bereik en Bit Diepte – verschillende grootheden!
Het signaal van de sensor wordt in de inwendige computer van de camera, de processor, verwerkt. Daartoe worden de signalen eerst in stapjes verdeeld. Hoeveel stapjes? Dat hangt af van de Bitdiepte (Bit Depth). Compactcamera’s die uitsluitend in JPEG-formaat werken, hebben een bitdiepte van acht; dat wil zeggen dat er 2 tot de 8e macht stapjes zijn, en dat zijn er dus 256. Camera’s met RAW-mogelijkheid hebben meestal een bitdiepte van 12 (2 tot de macht 12 = 4096 stappen) of 14 (16384 stappen). Let op: bit diepte en dynamisch bereik zijn verschillende zaken. Je kunt een laag dynamisch bereik in heel veel stapjes verdelen, of een hoog dynamisch bereik in weinig stapjes. Een top-end 14-bits DSLR verdeelt het signaal in RAW in 16 000 stappen, maar fotografeer je met zo’n orgel in JPEG, dan blijven er toch maar 256 stappen over.
Het is een legitieme vraag waarom je je druk zou maken om de bitdiepte. Het menselijk oog kan namelijk maar ongeveer 250 gradaties tegelijk waarnemen, en zeker geen 2 tot de macht 14. Het JPEG-compressieprogramma, dat tot doel heeft de bestandsgrootte van een foto te verkleinen zonder zichtbaar kwaliteitsverlies, is om die reden 8-bits, het kent maar 256 stappen. Meer stappen kun je toch niet zien! Bij het afdrukken gaan bovendien nog heel veel gradaties verloren. Een sensor met een bitdiepte van 14 lijkt dan toch vooral een geval van marketing-gedreven overkill. Er is geen speld tussen te krijgen: voor foto’s die niet of nauwelijks worden nabewerkt is een bitdiepte van 8 adequaat. Er is geen verschil tussen twee afdrukken van dezelfde foto, een in 8-bits JPEG-formaat en een in TIFF (16-bits!).
Waarom dan al die processing power en geheugencapaciteit verspild aan hoge bitdieptes? Omdat foto’s bijna altijd worden bewerkt! De curve die de zwarting als functie van de dekking weergeeft, in principe lineair, wordt verschoven of uitgerekt. Bij de veel gebruikte (en vaak ook misbruikte) Photoshop-ingreep Schaduw/Hooglicht worden de einden van de curve uitgerekt, er worden details in de diepe schaduwen en in de lichte partijen zichtbaar gemaakt die er eerst niet waren. Heb je een curve met 256 stappen en ga je die flink oprekken, dan worden de stappen zo groot dat je ze gaat zien. Kijk naar de donkere hemel rechts boven die rond de Natriumlampen in stappen van kleur verandert. Dat komt omdat de donkere delen hier softwarematig lichter gemaakt zijn. Het kleine stapje is een hele grote geworden en daardoor zichtbaar geworden. Men noemt dit posterisatie.
Doe je niet aan nabewerking (of stelt die nabewerking niet veel voor), dan kun je net zo makkelijk in JPEG fotograferen en bespaar je je gewoon veel werk! Wil je een foto afdrukken, dan zul je toch ooit naar JPEG moeten; met een RAW bestand kan een afdrukcentrale (of je eigen printer) niets beginnen.
Dynamisch bereik en bitdiepte – toch verwant!
Toch is er wel degelijk een verschil in dynamisch bereik tussen JPEG en RAW opnames. De berekening van de stappen verloopt namelijk anders. Stel dat je in 12-bits RAW hebt gefotografeerd. Daar is de reeks van donker tot licht verdeeld in 2 tot de macht 12 = 4096 stappen. Ga je zo’n bestand omzetten in JPEG (altijd 8-bits) dan moeten 4096 stappen omgezet worden in 256. Je zou verwachten dat dat gebeurt door steeds het gemiddelde te nemen van 16 stappen (4096 gedeeld door 16 = 256). Maar zo werkt het niet! Bij de JPEG-conversie wordt namelijk uitgegaan van wat het menselijk oog kan zien. En dat oog kan kleine verschillen aan de ‘donkere’ kant veel beter waarnemen dan aan de ‘lichte’. Daarom neemt JPEG aan de donkere kant (de linkerzijde van het histogram) het gemiddelde van weinig stappen, en aan de lichte kant ( de rechterzijde) het gemiddelde van heel veel stappen. In wiskundige termen: RAW volgt een lineaire, en JPEG een logaritmische schaal.
Converteer je een RAW-bestand naar JPEG zonder het eerst te bewerken, dan veeg je dus heel veel informatie aan de ‘lichte’ kant bij elkaar. Dat betekent dat je aan de rechterkant van het histogram een stukje dynamisch bereik voorgoed kwijtraakt. Je kunt ook stellen dat aan de ‘lichte’ kant de pixels meer informatie bevatten dan de ‘donkere’. Uit de witte partijen van een foto die er in JPEG uitzien als uitgebleekt kun je in RAW nog een hoop informatie halen. Aan de donkere kant lukt dat niet, er zit geen verborgen informatie in die pixels. Als je daar de curve oprekt accentueer je alleen de ruis. In de totaal overbelichte foto rechts is bij nabewerking (“belichting -2 EV”) nog een ooievaar tevoorschijn gekomen.
In RAW werkend, kun je dus beter overbelichten dan onderbelichten. In de Engelstalige literatuur spreekt men van ETTR, “Expose To The Right” (soms: “Err To The Right” – als je je vergist, doe het dan aan de overbelichte kant). Niet zo in JPEG: daar zien uitgebleekte lichten er slechter uit dan dichtgelopen zwarten. En als je wilt nabewerken, doe dat dan voor de JPEG-conversie en zeker niet daarna. Alleen dan benut je het dynamisch bereik maxiimaal. Op de foto rechts zie je een voorbeeld van wat er in RAW nog aan informatie in de witte partijen te halen valt.
TIFF of JPEG
Het heeft niet direct iets met dynamisch bereik te maken, maar toch nog even een woord over TIFF. Sommige camera’s hebben de mogelijkheid te fotograferen in dit bestandsformaat. In tegenstellijng tot RAW is dit een universeel bestandsformaat, het is niet camera-afhankelijk en kan door bij na elke computer worden uitgelezen. Kun je dan niet beter in TIFF werken dan in RAW? Pas op! TIFF is een 16-bits programma. Camera’s met een 16-bits processor zijn er (nog) niet, een groot deel van de bits blijft dus onbezet, en de TIFF bestanden zijn daardoor onhandig groot. Bovendien worden de in-camera TIFF-bestanden soms afgeleid uit de 8-bits JPEG’s. Wel het kwaliteitsverlies dus, niet de compacte bestandsgrootte. TIFF is wel goed om de bestanden waarmee je op je computer bezig bent, tijdelijk op te slaan. TIFF comprimeert namelijk niets, er gaat geen informatie verloren, de bestanden zijn ‘in beton gegoten’.
Overdrijf het niet!
Zolang je niet te maken hebt met extreme contrasten, maak je dan over het dynamisch bereik van je camer geen zorgen! Drukwerk heeft een dynamisch bereik van ongeveer 2, een goede afdruk op fotopapier komt niet verder dan 3, je beeldscherm haalt misschien 5 en een goede dia komt ook niet verder dan 6. In de tegenwoordig zo populaire HDR-fotografie worden vaak meerdere opnames met verschillende belichtingen gecombineerd. Voor je al dat werk doet is het verstandig nog maar eens goed naar je histogrammen te kijken, want vaak is al dat mergen helemaal niet nodig en volstaat een (1) goed belicht opname.
