Objektív elemzések - Zieber Károly (Karesz) cikksorozatának II. része: Minden, amit fotósként tudni akartál az ISO-ról a digitális technikában
Karesszel megbeszéltük - az igényt tapasztalva - a jövőben magyar nyelvű cikksorozattal fog jelentkezni. Ezekben népszerű, keresett modelleket fog elemezni. Előtte azonban az MTF-ről és most az ISO-ról hosszabban szót ejt. Részletek itt...
A cikksorozat részei
- 2. rész: Minden, amit fotósként tudni akartál az ISO-ról a digitális technikában! - Ezt a cikket olvassa!
- 3. rész: Hamarosan! A következő cikk témája már készen áll, hosszabb, mélyebb, összetettebb lesz.
Karesszel megbeszéltük - az igényt tapasztalva - a jövőben magyar nyelvű cikksorozattal fog jelentkezni.
- Ezekben népszerű, keresett modelleket fog elemezni.
- Ehhez várjuk az Önök segítéségét, javaslatait is!
- Melyik objektívek kerüljenek be a következő elemzésekbe?
- Ha van javaslata kérem írjon a stokucsa.gabor@fotoplus.hu e-mail címre!
Objektív elemzések - Zieber Károly (Karesz) cikksorozatának II. része: Minden, amit fotósként tudni akartál az ISO-ról a digitális technikában
Előszó
Rettentően régóta terveztem, hogy egy magyar nyelvű cikkel végre tiszta vizet öntök a pohárba ezzel az indokolatlanul rosszul értelmezett és magyarázott témával kapcsolatban.
Mert hogy ez bizony egy összetett téma és nem lehet elintézni egy szóval, mint “érzékenység”. Terveimet megtámogatta a SARS-CoV-2, 2021. január 06-val 10 napos karanténba kerültem, így semmi nem állt a cikk megírásának útjába.
A bejegyzés végére várhatóan bizonyos dogmák béklyójától meg fogsz szabadulni és átfogó ismereteid lesznek arról, hogy hogyan is kellene értelmezni az ISO-t 2021-ben. Igazából 2020-ban is, de arról már lemaradtam
Figyelemfelhívás
A cikk nem bánt senkit és semmit. A cikknek nincsenek érzelmei. A cikk tényeken alapszik, a mindenki által ismert és tanult fizikára épít.
A cikk célja, hogy ismereteket terjesszen, a hosszú évek óta ismételgetett hibás dogmákat megdöntse. A cikk írója értelmes vitára, eszmecserére bárkivel hajlandó, nézeteit és hitét a logika és a tudomány formálja, nem pedig fordítva.
A cikk írója kizárólag olyan beszélgetésben hajlandó részt venni, ahol a vitapartner indokol, érvel, alátámaszt a tudomány eszközeivel. Véleményes hadakozásra még a karantén alatt sincs ideje.
Ez a cikk azoknak szól, akik többet szeretnének tudni, akik nyílt tekintettel, éhes elmével fordulnak a tudomány irányába. Aki úgy érzi, hogy hite erősebb a tényeknél, ne olvasson tovább.
Egy nagyon kedves barátom remek mondását tudom idézni:
A hit végül mindig legyőzi a józan észt.
M. A.
Szeretném azt hinni, hogy a cikk végére ez máshogy lesz.:)
Tartalomjegyzék
- Alapfogalmak
- Mi az az ISO?
- Mi nem az ISO a digitális technikában?
- Mi van a nyers képekkel?
- Mi az alternatíva?
- Végszó
- Támogatói és közösségi médium linkek
Alapfogalmak
Ahhoz, hogy rendelkezzünk a megfelelő nómenklatúrával, tisztáznunk kell az alapfogalmakat.
- ISO: International Organization for Standardization, nemzetközi szervezet, mely nemzetközi szabványok készítésére és hitelesítésére jött létre
- Fényáram: a sugárzott teljesítmény megfelelője a fénytanban, jele: Φ, mértékegysége: lumen (lm)
- Fényerősség: adott térszögben sugárzott fényáram, jele: I, mértékegysége: candela (cd)
- Megvilágítás: tárgy felszínét elérő fénysugarak hozzák létre, jele: E, mértékegysége: lumen/m2, illetve lux (lx). A megvilágítás kiszámításához osztanunk kell a felületet érő fényáramot a vizsgált felülettel. E = Φ/A, ahol A a felület nagysága
- Fénysűrűség: a vizsgált felület által a tér egy adott irányában, adott térszögben sugárzott fényáram. Jele: L, mértékegysége: cd/m2
- Fénytani expozíció: időben egyenletes megvilágítás esetén a megvilágítás és az idő szorzata, jele: H, mértékegysége: lx·s. H = E · t, ahol t a megvilágítás ideje
- Expozíció: a filmet vagy érzékelőt érő fény mennyisége, tulajdonképpen az egységnyi idő alatt az adott felületre eső fotonok számával is jellemezhető
- Expozíciós értékek: rekeszérték és záridő
- Sensel: képszenzor fotodióda, a “SENSor ELement” szóból képzett műszó
- Kvantumhatékonyság: beeső foton / konvertált elektron (IPCE, incident photon to converted electron) aránya egy fényérzékeny eszközben
- ETTR: Expose to the right, a fénykép készítésekor a hisztogram csúcsfényekhez való igazítása úgy, hogy az expozíció során fotonokkal még éppen nem telítődik egyik fotodióda sem
Mi az az ISO?
Az ISO (ejtsd: iszo, a görög “isos” szóból) szabványt az International Organization for Standardization (Nemzetközi Szabványügyi Szervezet) hozta létre több korábbi szabvány mintájára. Fekete-fehér film esetében ISO 6:1974, színes film esetében ISO 5800:1979 az eredeti sztenderd pontos megnevezése. Jelenlegi állapotukban ISO 6:1993 és ISO 5800:1987.
Az analóg filmes időszak leáldozásával és a digitális eszközök térnyerésével világossá vált, hogy az eredeti filmemulzióra alkalmazott szabvány az akkori formájában nem volt értelmezhető a digitális képszenzorokra.
A szervezet ezért kidolgozta az ISO 12232:2006-os sztenderdet, melynek jelenlegi formája a ISO 12232:2019. A cél az volt, hogy a korábban megszokott elvek az új technológia esetében is alkalmazhatók legyenek, így segítve az átállást.
Ez a látszólagos azonosság sajnos oda vezetett, hogy számos közkeletű tévhit a mai napig kiirthatatlanul tartja magát. Hogy ez nem változott a szakmán belül, abban vastagon – még ha nem is tudatosan – hibásak a szakújságírók is.
A dogmák megdöntésében Nagy Krisztián komoly szerepet vállalt, azonban 2010-es cikkei – megérzésem szerint – csak egy kis közönséghez jutottak el. Vagy már feledésbe merültek…
Na, de térjünk vissza az ISO-hoz, hogy is néz ki ez a gyakorlatbanKlasszikus film esetében (ISO 5800:1987):Report this ad
- Expozíció (=Fénysűrűség + Expozíciós értékek) + Filmemulzió válasz + Hívás (=Világosítás) = Meghatározott filmnegatív világosság
- A szabvány leírja, hogy adott környezeti fény és expozíciós értékek alkalmazása mellett az adott érzékenységű filmre jutó fotonok és a vegyszeres hívás milyen világosságú filmnegatívot fog eredményezni. De úgy is írhattam volna, hogy meghatározza azt a filmérzékenységet, amely “helyesen” exponált filmnegatívot eredményez egy adott expozíció mellett. Mint látható, a sztenderd egy szót sem ejt arról, hogy a negatívról készült papírpozitív mennyire lesz sötét vagy világos.
Digitális szenzor esetében (ISO 12232:2019):
- Expozíció (=Fénysűrűség + Expozíciós értékek) + Szenzor válasz + Analóg jelerősítés & Tónusgörbe módosítás (=Világosítás) = Várt világosságú JPEG kép
- Az alapvető különbség – a konstrukciós változásokon túl –, hogy a szabvány az expozíciótól a “helyes” világosságú JPEG kimeneti képig a teljes láncolatot leírja. Digitális technikában az ISO az sRGB színterű, nem-nyers (!) kimeneti kép világosságán alapszik, azonban az adott világosság elérésének módját nem írja elő. Az történhet csak analóg jelerősítéssel vagy analóg jelerősítéssel és azt követő tónusgörbe korrekcióval.
A szabvány kifejezetten nem vonatkozik nyers (raw) fájlokra!
De ennyivel még nincs vége a történetnek, ugyanis az ISO szabvány számos különböző módszert nyújt a filmek érzékenységének megfeleltethető digitális ISO érték megállapításhoz, azonban ezek egyike sem kizárólagos vagy egységesen kötelező a gyártókra nézve.
- Telítődési alapú érzékenység: Ssat = 78 lx·s/Hsat, ahol Ssat az érzékenység numerikus értéke, Hsat pedig az a maximális fénytani expozíció, amelyet alkalmazva a szenzor fotodiódái úgy telítődnek fotonokkal, hogy a kimeneti kép még épp nem ég ki.
- Zaj alapú érzékenység: meghatározza azt fénytani expozíciót, amelynél képpontokként adott jel-zaj arányt rögzítünk. Két kitüntetett arányt alkalmaznak: 40:1 (kiváló képminőség) és 10:1 (elfogadható képminőség). Nagymértékben a szenzor egyedi tulajdonságain múlik a megfelelés, érthető okokból nem elterjedt.
- SOS – Standard Output Sensitivity: Ssos = 10 lx·s/Hsos, ahol Ssos az érzékenység numerikus értéke, Hsos pedig az a maximális fénytani expozíció, amelynél az egyes képpontok sRGB 118 (8-bit) értéket vesznek fel. Fujifilm, Olympus, Panasonic jellemzően ezt alkalmazza.
És akkor említsük meg még ezt is...
- REI – Recommended Exposure Index: REI = 10 lx·s/Em, ahol Em a lx·s-ban kifejezett, képsíkra eső fénymennyiség, amely a gyártó által meghatározott, kívánt világosságú kimeneti képet eredményezi. Mint látszik, igazi “nesze semmi, fogd meg jól” definíció, ugyanis rengeteg szabadságot ad a gyártóknak a “trükközésre”. Ezt a módszert alkalmazza a Canon, Nikon, Sony, stb. Mátrix-, illetve átlagoló fénymérés esetében alkalmazható.
De mégis mi történik akkor, amikor eltekerem az ISO vezérlőtárcsáját?
Ehhez hívjuk segítségül a borítókép grafikonját.
A digitális fényképezőgép (DSC, digital sensor camera) erősítő áramkörei a képszenzorból kiolvasott töltés feszültséggé alakítása után, de még annak analóg-digitális átalakítón való áthaladását megelőzően ékelődnek be a láncolatba.
A Nikon D750 esetében az ISO tárcsája ISO 100-8000 között közvetlen hatással van a kamera erősítő áramköreire, ezt jelzik a teli körök. Ezek alapján mondhatnám, hogy az ISO tárcsa közvetlenül a jelerősítést módosítja, azonban ez nem lenne igaz a grafikon teljes egészére.
A grafikonon látható körök azt a szegmenst jelölik – ISO 50-80 és ISO 10000-25600 – ahol nem analóg jelerősítés folyik. Mit jelent ez?
- A gépváz algoritmusa a natív analóg jelerősítésen felül tényleges erősítést már nem végez, csupán matematikai úton – a tónusgörbék módosításával – éri el a kívánt célt.
- Látható az is, hogy ISO 51200 esetén fentieken túl zajcsökkentést is alkalmaz az algoritmus.
Számos gyártó csupán analóg jelerősítést alkalmaz, azonban vannak gyártók – mint fent is látszik –, amelyek bizonyos ponton felül vagy az alatt natív analóg jelerősítési lépést nem használnak. Hogy mi ennek az oka? Álláspontom szerint lehet minőségbiztosítási és gazdasági oka is.
Egy biztos, a lefelé kiterjesztett ISO érték valójában nem más, mint a legalacsonyabb natív jelerősítési lépcső (általában ISO 100, Fujifilm, MFT: ISO 160, ISO 200) megvilágítása a kiterjesztett értéknek megfelelően, majd matematikai úton a megfelelő világosságú kimeneti kép elkészítése. Nem jár tényleges előnnyel, mint pl. kevesebb zajjal. Ugyanezt a hatást érnénk el adott körülmények között enyhe túlexpóval (ETTR határain belül) és utólag az általunk használt nyers fájl konverterrel kidolgozás közben. Röviden, semmi értelme.
Mi nem az ISO a digitális technikában?
Ha az eddigieken átrágtad magad és úgy gondolod, hogy képbe kerültél, jöhet az “érzékeny” rész. Minden állításomat tudományos háttérrel fogom bizonyítani, nem marad elvarratlan szál. Ezért arra kérlek, mielőtt elhagyná a szádat, hogy “Mi ez az ökörség?!”, juss el a bizonyítás végéig és utána választhatod a hited újra, ha neked úgy kényelmes.
Tehát biztosan mi nem az ISO a digitális technikában?- Érzékenység
- Az expozíciós háromszög része – ugyanis nem létezik az expozíciós háromszög
Az első pont megértéséhez – azon túl, hogy a szabvány tartalmát már megismertük – kóstoljunk bele egy kicsit a képszenzorok működésének alapelveibe.
A jelenleg széleskörben elterjedt CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor), de a korábban népszerű CCD (Charge Coupled Device) szenzorok esetében is a legalapvetőbb működési elv az, hogy az optikai tengelyen – tehát az objektíven keresztül – érkező fotonok a szenzor felületén található senseleken keresztül a szilícium lapkába csapódnak és elnyelődnek, melyek hatására fotoelektron, vagyis töltés keletkezik.
Az optikai szenzorok érzékenységének mérését az EMVA 1288 (European Machine Vision Association) szabvány írja le. Az érzékenység nem más, mint az a legkisebb fizikai paraméter változás a bemeneti oldalon, mely a kimeneti oldalon már észlelhető változást hoz létre. Optikai szenzorok esetében ez nem más, mint az a legkisebb foton mennyiség (darab), amely a senselben már töltést hoz létre. Ennek a hatékonyságát jellemzik a kvantumhatékonysággal (QE, quantum efficiency). Ez az arány az optikai szenzor konstrukciós állandója, a tervezéskor/gyártáskor eldől.
Előbbiekből egyenesen következik, hogy a felhasználó semmilyen módon nem képes az optikai szenzor érzékenységét befolyásolni, főleg nem az ISO-t állító gomb eltekerésével.
Az ISO-t úgy értelmezni, mint szenzorérzékenység, nem más, mint egy rossz beidegződés, hibás szóhasználat, amennyiben digitális technikáról beszélünk. Dinoszauruszként velünk maradt és konokul nem akar kőolajjá válni.
Az ISO 12232:2019 szabványból is világosan látszik, hogy alkalmazása, értelmezése gyártónként eltérhet és el is tér, ráadásul nyers képek esetén nem alkalmazható. Fentiek miatt én pl. ragaszkodom az “ISO érték” vagy “ISO” megnevezéshez.
Na de térjünk vissza a második ponthoz: nem létezik expozíciós háromszög, az ISO nem része az expozíció definíciójának.
A szemléltetéshez fel fogom használni Nagy Krisztián zseniális folyamatábráját. Adott egyetlen fényforrás, egyetlen fényképezett felület, egy objektív és a gépvázban fényérzékeny felület.
fényforrás fényárama (lm)
↓
a megvilágítandó felület megvilágításához szükséges térszögben sugárzott fényáram (fényerősség [cd])
↓
a megvilágítandó felületet (m2) elérő fényáram (megvilágítás [lx])
↓
a felület a fény egy részét elnyeli/átereszti, majd visszaveri az objektív irányába, az ehhez szükséges térszögben (fénysűrűség [cd/m2])
↓
a objektív módosítja a fénysugarak irányát, a fény egy részét elnyeli/visszaveri, a legszűkebb pontja (rekesz) a fény egy részének útját állja, majd a fényérzékeny felületre továbbítja
↓
a fényérzékeny felületre eső fényáram létrehozza annak megvilágítását (lx)
↓
a záridő alatt létrejön az expozíció (lx*s)
Ahogyan az “Alapfogalmak” bekezdés 6. és 7. pontjában már jelöltem,
- Fénytani expozíció: időben egyenletes megvilágítás esetén a megvilágítás és az idő szorzata, jele: H, mértékegysége a lx·s. H = E · t, ahol t a megvilágítás ideje
- Expozíció: a filmet vagy érzékelőt érő fény mennyisége, tulajdonképpen az egységnyi idő alatt az adott felületre eső fotonok számával is jellemezhető
Egyik definíciónak sem része az ISO. Egy egyszerű gondolatkísérlettel könnyű lesz érzékeltetni. Adott fénytani expozíció mellett adott darabszámú foton esik be az objektíven keresztül a fényérzékeny felületre. A beeső fotonok számát kizárólag az objektívben található legkisebb fizikai nyílás, tehát az alkalmazott rekesz – jelen esetben legyen elhanyagolhatóan kicsi a visszavert/elnyelt fotonok száma – és az alkalmazott záridő határozza meg, semmi más. Teljesen lényegtelen, hogy milyen érzékenységű filmet alkalmazunk, az nem lesz hatással a felületét ért fotonok számára. Az ISO 5800:1987 szabvány kizárólag azt a filmérzékenységet határozza meg, amely “helyesen” exponált filmnegatívot eredményez egy adott expozíció mellett.
Fentiekből következik, hogy ha az eltérő érzékenységű (kvantumhatékonyság!) film cseréje nincs hatással az expozícióra, digitális szenzor esetén sem lesz, hiszen logikailag kizárt. A fényérzékeny felületre továbbított fotonok számának alakulása már a fényérzékeny felületre érkezés előtt eldől.
Minden fenti bizonyításból következik, hogy sem a fénytani expozíciónak, sem az expozíciónak nem eleme az ISO, tehát az expozíciós háromszög logikailag kizárt. Helyesen talán expozíciós egyenesnek hívhatnánk, mely tetszőleges hosszúságú egyenes két végén az alkalmazott rekesz és a záridő helyezkedik el, köztes tulajdonságokat pedig nem jelöl.
Ó, már hallom is, hogy “De hiszen, ha állítom az ISO érzékenységet, változnak az expozíciós értékek!”.
- Persze hogy változnak, hiszen közvetetten azt a jelzést adjuk a fényképezőgépnek, hogy a kimeneti kép világossága nem megfelelő számunkra, a gép algoritmusa pedig ennek megfelelően módosít az expozíciós értékeken.
- De megint csak oda lyukadunk ki, hogy a képszenzort elérő fotonok számát csupán – a már korábban jelzett megkötésekkel – a rekesz és a záridő határozza meg.
- Ha elfogadnánk, hogy az ISO része az expozíciónak, akkor azt is el kellene, hogy az expozíció kompenzáció tárcsája is az. Pedig utóbbi esetben semmi más nem történik ismét, mint jelzést adok az algoritmusnak, hogy a fénymérésével szemben sötétebb/világosabb kimeneti kép is megfelel.
Mi van a nyers képekkel?
A jó vagy rossz hír az, hogy semmi. Az ISO 12232:2019 szabvány nem alkalmazható nyers képek esetében. Egyrészt a fájloknak nincs explicit színtere (a szabvány sRGB-t vár el), másrészt jellemzően feldolgozatlan 12/14/16-bitesek az állományok (a szabvány 8-bites JPEG képet vár el).
Fentiekre tekintettel a gyártókat semmi nem köti, hogy egységesen igazodjanak bármilyen szabványhoz, ami a nyers kép kimeneti világosságát meghatározná. Minden algoritmus teljesen önkényesen választ ISO értéket az egyedi fénymérésének megfelelően.
Rendszeresen találkozom különböző fényképész fórumokon és csoportokban azzal a jelenséggel, hogy a tagok a DXOMARK oldalain látott adatokkal érvelnek vagy éppen sodródnak meddő vitákba.
- Egyrészt a DXOMARK minden mérése “zártforráskódú”, az egyes folyamatok hitelessége semmilyen formában nem ellenőrizhető, másrészt a grafikonjaikon az x tengelyen alkalmazott “Gyártói ISO” és y tengelyen alkalmazott “Mért ISO” teljesen félrevezető. A tesztjeik kifejezetten felületes bemutatójában megjegyzik, hogy csak olyan kamerákat tesztelnek, amelyek képesek nyers állomány előállítására, azokat pedig mindennemű jelfeldolgozás nélkül elemzik a mérések során.
- Nem győzöm elégszer hangsúlyozni, az ISO 12232:2019-es szabvány nem vonatkozik a nyers fájlokra, azokra semmilyen formában nem alkalmazható. Ebből következik, hogy az alkalmazott viszonyrendszer teljes mértékben önkényes, nem alkalmas az ISO pontosságának mérésére.
- Míg el nem felejtem, azt tudtad, hogy a nyers fájlok helyes angol írásmódja “raw”, nem pedig “RAW”. Fájl családot jelöl, nem konkrét kiterjesztést, ezért nem írható végig nagy betűvel. Ezzel szemben a .CR3, .NEF, stb. nagy betűvel írandó, hiszen konkrét fájltípust jelöl.
Mi az alternatíva?
Ha nem adnék valamilyen fajta választási lehetőséget, vétkes lennék én is az öreg Teddy szerint.
Complaining about a problem without posing a solution is called whining.
Theodore Roosevelt
Az ISO-val kapcsolatos szóhasználat terén kötöm magamat az “ISO érték” vagy egyszerűen “ISO” megnevezéshez. Az “ISO érzékenység” sem ördögtől való, histórikus okokból vélhetően fenn is fog maradni, de kizárólag akkor javaslom használni, ha nem emlegetjük egy mondatban a digitális szenzorok érzékenységével.
Az expozíciós háromszög helyett használhatnánk az “expozíciós egyenes”-t vagy “(kép)világossági háromszög”-et. Rekesz, záridő és ISO (érték). Így már műszaki-szabványügyi oldalról is megállná a helyét, továbbá könnyen beilleszthető lenne a jelenlegi rendszer helyére. Win-win.Zieber Károly (Karesz) - Végszó
A cikk végére remélem minden – akár nem remélt – kérdésedre is választ kaptál.
A hibás elnevezéseknek menniük kell, legyen bármily kényelmes is a használatuk. Félreértésekre, félreértelmezésekre ad okot mind kezdő, mind haladó, mind fényképezésből élő fotográfusok esetében.
A bejegyzésben kifejtett fogalmak, jelenségek évtizedek óta ismertek a tudományban és szabványügyben, mindenki számára elérhetőek.
A következő cikk témája már készen áll, hosszabb, mélyebb, összetettebb lesz.
Ha tetszett a bejegyzés, ide kattintva kérlek támogass egy kávéval!
Az eredeti cikk itt olvasható:
