Herkästi
Filmejä valittiin eri käyttöön herkkyyden perusteella. ISO 100 ja pienemmät arvot olivat hyvään valoon ja tuottivat pienirakeisia, teräviä kuvia. ISO 400 ja suuremmat pystyivät valottumaan hämärämmässäkin, mutta tuottivat rakeisempia kuvia. Herkemmällä filmillä sama valomäärä tuotti siis valoisemman kuvan.
Digikameroissa herkkyys on valotusasetus. Sen avulla voidaan sama kuva ottaa lyhyemmällä suljinajalla tai pienemmällä aukkoarvolla. Seurauksena kuvan kohinan näkyvyys kasvaa, kuvaan tulee satunnaista "rakeisuutta".
Mitä herkkyys on?
Filmin herkkyys oli jossakin määrin nähtävissä oleva asia. Se ilmaisi minkälaisen densiteetin, läpikuultavuuden negafilmi sai, kun se valotettiin tietyllä tavalla. Standardin määritelmä mittaa valotukseen tarvittavan valonmäärän sellaisessa densiteetin pisteessä, jossa filmin toistokyky saavuttaa riittävän kontrastin: Filmin herkkyys wikipediassa
Herkkyyden määritelmä sidottiin siis varsin hyvin negafilmin valoisuuden toistokykyyn, jolloin voitiin saada samanlaiset tulokset samanlaisella valotuksella ja herkkyysluvulla.
Digiaikana tilanne on ongelmallisempi. Valoherkkä kenno käyttäytyy eri tavoin. Sen kontrastintoisto on lähes vakio, mutta dynamiikan rajat huomattavasti terävämmät kuin filmillä. Herkkyyden määrittely on hiukan epäselvempi tapaus.
Digikenno
Digikameran kenno koostuu miljooonista antureista ruudukossa. Yksi valoherkkä anturi kerää siihen tulevaa valoa ja muuttaa sen sähköiseksi varaukseksi, elektroneiksi. Niitä kerätään anturin kondensaattoriin, jolla on varsin tarkka tilavuus, jonka se voi kerätä elektroneja. Sen jälkeen tulevaa valoa ei voida mitata. Mittausastia alkaa ikään kuin vuotaa yli.
Toisaalta jos valoa tulee hyvin vähän, eivät kerätyt elektronit erotu kondensaattorin satunnaisesta alkuvarauksesta tai kennon muussa toiminnassa tulevista häiriöistä. Vasta kun valoa saadaan kerätyksi jonkun verran, alkaa valonmäärä mittautua oikein. Litran mitalla ei voi mitata vesipisaroita.
Nämä kaksi rajaa määrittelevät minkälaisen valon voimakkuusalueen kenno voi mitata ja välittää kuvatiedoksi. Puhutaan kennon dynamiikasta. Se kuvataan usein lukuna, joka kertoo, kuinka moninkertainen suurin mitattava arvo on pienimpään arvoon nähden. Nykyisissä järjestelmäkennoissa dynamiikka on luokkaa 1:1000 - 1:4000. Usein tämä kuvataan aukkoina, arvon kaksinkertaistumisten määränä eli tässä tapauksessa 10-12 aukkoa.
Kun kuvaa valotetaan kameralla, valoa päästetään objektiivin säädettävän himmentimen läpi tietty valotusaika. Himmennin säätää sisääntulevan "valovirran" määrää. Kenno kerää antureillaan valoa valotusajan verran. Valitsemalla sopivat himmentimen ja valotusajan arvot, voidaan kennolle tuleva valomäärä pitää kennon dynamiikallle sopivana, ei liian vähäisenä tai liian suurena.
Lopulta kennon antureiden keräämät elektronimäärät mitataan ja muunetaan kuvan valoisuuksiksi. Jos anturi on täysi, tulkitaan tämän valkoiseksi ja tyhjä mustaksi.
Huomattava siis on, että jos kennoa valotetaan samalla kuvauskohteella sama aika ja samalla himmentimen aukolla, on kennosta tuleva analoginen data satunnaista vaihtelua lukuuottamatta samaa, riippumatta kameran muista asetuksista.
ISO-herkkyyden asetus
Perinteisesti digikameroiden herkkyyttä on säädetty vahvistamalla kennolta tulevaa analogista signaalia ennen kuin se ohjataan digitaalimuunnokseen. Jos siis valotuksen aikana ei mitään anturia saada kuin neljäsosaansa täydeksi, voidaan kaikki arvot vahvistaa nelinkertaisiksi ja tulkita taas kuvan valoisuuksiksi. Tämä on siis tapahtunut tavallaan elektronimäärien tasolla, analogisella sähköllä.
Kennon varausmäärät digitoidaan, muutetaan numeroksi. Muuntajalla on kokonaislukunumeroalue, johon se muuttaa näitä arvoja, esimerkiksi 0-1023 tai 0-8191. Puhutaan muunnoksen bittisyydestä, edellisissä lukualueissa 10- ja 14-bittiset alueet. Periaatteessa vahvistus voidaan tehdä myös digitaalisena, yksinkertaisesti kertomalla saadut luvut jollakin vakiolla.
Ongelmana tässä on ollut se, että kertominen hukkaa sävyjä. Käytössä on vain kokonaislukuja. Vaikkapa jos mittausarvojen 1,2,3,, herkkyyttä nostetaan kaksinkertaiseksi, saadaan arvot 2,4,6,,. Joka toinen sävy häviää. Kuvassa tämä saattaisi näkyä vaikkapa tummasta valoisaan liukuvan pinnan sävyjen portaittaisuutena.
Kuitenkin koska digitoinnin tarkkuus on kasvanut ja lukualue on suurentunut, voidaan entistä helpommin tehdä myös digitaalisia säätöjä. Paperille tai ruudulle tehtävä kuva sisältää edelleen käytännössä vain 8-bittisiä arvoja 0-255, joten meillä on varaa säädellä kuvaa lopullisten sävymäärien säilyessä.
ISO-herkkyyden noston aiheuttama kohinan kasvu tulee siitä, että vaikka valotus on sinänsä sama, niin kuvasignaalin lisäksi vahvistetaan myös kohinaa, joka tulee näin paremmin esille. Kohina on siis virheellistä mittausarvoa, satunnaista tai toistuvaa. Kuvassa se näkyy esimerkiksi siinä, että täysin tasaisissakin pinnoissa näkyy valon määrän tai värin vaihtelua. Kohinaa on jo valosignaalissa itsessään, mutta sitä syntyy myös kennossa ja vahvistimessa lisää.
Yhtenäistetyt arvot
Sinänsä kameran valotuksen säätäminen vahvistamalla on varsin helppoa. Ongelma on: jotta eri kameroiden tuottamat tulokset saataisiin samanlaisiksi samoilla valotusarvoilla, täytyy jotenkin sopia, miten herkkyys ilmoitetaan. Tätä tarvitaan toisaalta kuvauksen toistamisessa toisella laitteella ja toisaalta esimerkiksi tarvittavan ulkoisen valaistuksen määrittämisessä.
Valotusaika ja himmenninaukko ovat mitattavia suureita, samoin valon määrä. Mutta erilaiset kennot käyttäytyvät eri tavoin – kuten filmitkin, saatikka sitten ihmissilmä.
Kennon anturit mittavat valoa hyvin eri tavalla kuin ihmisnäkö. Kennon vaste on lineaarinen – kaksi kertaa enemmän valoa tuottaa kaksinkertaisen signaalin. Silmä ja aivot taas ovat epälineaarisia, tyypillisesti valon määrän tasainen kaksinkertaistuminen tuntuu ihmisestä vain vain tasaiselta kasvulta. Siis jos valo kasvaa sarjassa 1,2,4,8,, niin ihmisestä se tuntuu kuin valo kasvaisi 1,2,3,4,, -sarjassa. Ja tämäkin riippuu olosuhteista, valon väreistä jne.
Niinpä kun kennon tuottamasta lineaarisesta signaalista tuotetaan kuvaa, on käytettävä sävyjen tuottamiseen sopivaa muutoskäyrää, sävykäyrää, jotta kuva näytöllä ja paperilla tulkittaisiin samanlailla kuin alkuperäinen näkymä. Käytetty sävykäyrä määrääkin, miten kuva olisi valotettava "oikein". Kennon oma herkkyys, sen dynaaminen alue, sävykäyrä ja valotuksen mittaus tuottavat yhdessä lopullisen kuvan.
ISO-standardi pyrkiikin määrittelemään käyttöä varten herkkyydelle luvun, joka yhdistää kennon oman herkkyyden sävykäyrään ja valotuksen mittaukseen. Näin saisimme aina saman valoisuuden kuvaan samoilla valotuksen kolmella tekijällä.
Harmaa standardi
Valitettavasti standardi International Organization for Standardization ISO12232:2006 sisältää viisi erilaista määritelmää, jotka kukin tuottavat erilaisen arvon samalle kameralle. Onneksi näistä viidestä käytetään laajasti vain kolmea ja kameravalmistajat vain kahta varsin hyvin toisiaan seuraavaa määritelmää.
Nämä kaksi kameranvalmistajien käyttämää standardin määritelmää on alunperin luonut CIPA, japanilaisten kameravalmistajien liitto. Ne molemmat perustuvat kameran tuottaman JPEG-tiedostomuodon kirkkauteen. CIPA:n herkkyyystandardi
Ensimmäistä näistä kutsutaan nimellä Standard Output Specification. Se määrittelee ISO-herkkyyden keskiharmaan toistumisena oikealla valoisuudella.
Standardissa mitataan kameran maksimaalisesta valointensiteetin tallennuskyvystä 18% alempana olevasta intensiteetistä syntyvä digitaalinen arvo ja näiden suhteesta saadaan herkkyys. Mitään kantaa ei oteta kennon dynamiikkaan. Tavallaan ollaan samalla idealla kuin filmin herkkyyden määrittelyssä, vaikkakin negafilmillä määrittely tapahtuu pikemminkin varjopaikkojen toistumisen mukaan.
Toinen määritelmä (Recommended Exposure Index) on muuten samantyyppinen idealtaan, mutta se tukee paremmin monialuemittausta ja sitä, miten kamera saa tehtyä automaattisen valotuksen. Määritelmä ei mittaa tulosta tasaisesta pinnasta vaan puhuu ainoastaan kuvan valoisuuden keskiarvosta.
Kuitenkaan nämä määritelmät eivät varsinaisesti sido jotain arvoja kennolla vaan pikemminkin vain tuottavat tavan valmistajalle luoda "oikea valotus" lopulliseen JPEG-kuvaan.
Laajennetut ISO-herkkyydet
Valmistajat voivat tehdä mitä haluavat kennollaan ja kuvankäsittelyllään. Ja lisäksi jos he käyttävät "Recommended Exposure Index" -määritelmää, voivat he valita myös "oikean valotuksen". Tämä antaa mahdollisuuden tuottaa laajennettuja herkkyyksiä.
Olympus E-620:n esittelyssä DPReview totesi, että sen dynaaminen alue oli paljon pienempi ISO 100 -arvolla kuin ISO 200-arvolla. Samaa oli todettu jo aiemmin Nikon D5000 -esittelyssä. Dpreview laajennetuista herkkyyksistä
Asiaa tutkittiin lisää ja kuvattiin testit ISO 100 ja ISO 200 -arvoilla sekä ISO 100:lla alivalotettuna yhdellä aukolla. JPEG-tiedostoissa alivalotus toki näkyi tummumisena. Mutta kun katsottiin suoraan Raw-tiedoston arvoja, todettiin että alivalotettu ISO 100 kuva tuotti täysin samat arvot kuin ISO 200 -kuva. Vastaavasti jos ISO 200 -kuva ylivalotettiin aukko, saatiin ISO100:aa vastaavat arvot.
Tästä seuraa mielenkiintoinen kysymys: Tuottaako Olympus ISO 200 -herkkyyden alivalottamalla ISO 100 -valotuksen, vai tuottaako se ISO 100 -kuvan ylivalottamalla ISO 200 -valotuksen. Itse asiassa näillä ei ole eroa – kennoa käytetään samalla tavalla molemmissa valotuksissa ja käytetään vain erilaista sävykäyrää tuottamaan erilainen valoisuus. Kennon vasteesta käytetään eri osaa.
Tämä teknikka eroaa perinteisestä kennon signaalin analogisesta vahvistamisesta kullekin herkkyydelle. Kyseessä ei ole tavallaan kaikkien arvojen kertominen vakiolla vaan siirretään keskiharmaan lukukohtaa eri paikkaan. Tumma ja vaalea pää voivat pysyä entisillään, eikä iso-herkkyyden muuttamisesta huolimatta kuva pala puhki tai menetä tummia yksityiskohtia.
Herkkyys-standardi ei todellakaan määrittele miten kennon dataa pitää käyttää. Sävykäyrän käyttö on nykyään tavallista laajennettujen herkkyyksien ja erilaisten "Highlight Tone Priority" tai "DRange" -toimintojen tuottamiseen. Näissä onkin tyypillistä, että alin ISO 100 -herkkyys ei ole käytettävissä.
Entäs Raw?
Raw-tiedostomuodoille voidaan periaatteessa mitata ISO-herkkyys käyttäen samoja kaavoja kuin JPEG-herkkyyksissä. Esimerkiksi DXO tekee tällaisia mittauksia.
Ongelma tulee siitä, että Raw ei ole vielä kuvan tummuuksia ennen konversiota. Ja konversiossa käytetään valmistajan tai kuvaajan määrittämiä sävykäyriä. Jos mitataan pelkillä Raw-arvoilla saadaan jotain, joka ehkä kertoo kennon toiminnasta, mutta ei kuvasta.
Tilanne on vähän sama kuin yritettäisiin määritellä filmin herkkyyttä kehittämättömästä negatiivista, eikä oteta kantaa kehitystapaan tai siinä käytettyihin kemikaaleihin.
Esimerkiksi DXO:n mittaukset tehdään ns. saturaatiomenetelmällä, jossa otetaan mittauspisteeksi kennon maksimivalonkeruukapasiteetin valoisuus. Se siis kertoo, millä valonmäärällä kenno ei enää pysty keräämään enempään valoa. Valmistajat eivät tätä tapa käytä, eikä se kerro vielä mitään esimerkiksi keskiharmaan käyttäytymisestä. Siksi tuloksetkin ovat erilaisia.
Raw voitaisiin mitata myös käyttämällä jotain standardin mukaista sävykäyrää hyvin määritellyissä kuvausolosuhteissa. Tällöin voitaisiin ainakin tehdä vertailukelpoisia aineistoja sekä saturaatiopisteestä, keskiharmaasta että ehkä myös kohinatasoista.
Tämä juttu on saanut paljon vaikutteita DPReviewin blogikirjoituksesta, jossa käsiteltiin samaa asiaa: DPReview: Sense and Sensitivity
1.4.2011 (korjattu linkit 12.1.2016)
