Faixa dinâmica na fotografia descreve a razão entre intensidades de luz mensuráveis máxima e mínima (branco e preto, respectivamente). No mundo real, nunca se encontra branco ou preto verdadeiros — apenas graus variados de intensidade de fonte de luz e reflectância do assunto. Portanto, o conceito de faixa dinâmica torna-se mais complicado, e depende se você descreve dispositivo de captura (como câmera ou scanner), dispositivo de exibição (como impressão ou display de computador), ou o próprio assunto.
Assim como com gerenciamento de cores, cada dispositivo na cadeia de imagem acima tem sua própria faixa dinâmica. Em impressões e displays de computador, nada pode ficar mais brilhante que branco do papel ou pixel de intensidade máxima, respectivamente. Na verdade, outro dispositivo não mostrado acima são nossos olhos, que também têm sua própria faixa dinâmica. Traduzir informação de imagem entre dispositivos pode afetar como essa imagem é reproduzida. O conceito de faixa dinâmica é portanto útil para comparações relativas entre cena real, sua câmera, e imagem na sua tela ou impressão final.
Intensidade de luz pode ser descrita em termos de luz incidente e refletida; ambas contribuem para a faixa dinâmica de uma cena (veja tutorial "medição e exposição da câmera").
Cenas com alta variação em reflectividade, como aquelas contendo objetos pretos além de reflexos fortes, podem na verdade ter maior faixa dinâmica que cenas com grande variação de luz incidente. Fotografia sob qualquer cenário pode facilmente exceder a faixa dinâmica da sua câmera — particularmente se a exposição não for precisa.
Medição precisa de intensidade de luz, ou luminância, é portanto crítica ao avaliar faixa dinâmica. Aqui usamos termo iluminância para especificar apenas luz incidente. Tanto iluminância quanto luminância são tipicamente medidas em candelas por metro quadrado (cd/m²). Valores aproximados para fontes de luz comumente encontradas mostrados abaixo.
Aqui vemos a vasta variação possível para luz incidente, já que o diagrama acima é escalado para potências de dez. Se cena fosse iluminada de forma desigual por luz solar direta e obstruída, isso sozinho pode aumentar grandemente a faixa dinâmica da cena (aparente no exemplo do pôr do sol no cânion com face de penhasco parcialmente iluminada).
Embora o significado de faixa dinâmica para cena real seja simplesmente a razão entre regiões mais claras e mais escuras (razão de contraste), sua definição torna-se mais complicada ao descrever dispositivos de medição como câmeras digitais e scanners. Lembre-se do tutorial sobre sensores de câmeras digitais que a luz é medida em cada pixel em uma cavidade ou poço (fotossítio). O tamanho de cada fotossítio, além de como seu conteúdo é medido, determinam a faixa dinâmica de uma câmera digital.
Nível Preto
Nível Branco
Nível Branco Mais EscuroFotossítios podem ser pensados como baldes que seguram fótons como se fossem água. Portanto, se o balde ficar demasiado cheio, transbordará. Um fotossítio que transborda diz-se saturado, e portanto incapaz de discernir entre fótons adicionais incidentes — definindo assim o nível branco da câmera. Para câmera ideal, sua razão de contraste seria portanto apenas o número de fótons que poderia conter dentro de cada fotossítio, dividido pela intensidade de luz mensurável mais escura (um fóton). Se cada um segurasse 1000 fótons, razão de contraste seria 1000:1. Como fotossítios maiores podem conter maior faixa de fótons, faixa dinâmica é geralmente maior para câmeras DSLR comparadas a compactas (devido a tamanhos de pixel maiores).
Nota Técnica: Em algumas câmeras digitais, existe configuração ISO baixa estendida que produz menos ruído, mas também diminui faixa dinâmica. Isso ocorre porque a configuração na prática superexpõe a imagem em um f-stop completo, mas depois trunca as altas luzes — aumentando assim o sinal de luz. Exemplo disso são muitas câmeras Canon, que têm velocidade ISO-50 abaixo do ISO-100 ordinário.
Na realidade, câmeras de consumo não conseguem contar fótons individuais. Faixa dinâmica é portanto limitada pelo tom mais escuro onde textura não pode mais ser discernida; chamamos isso de nível preto. O nível preto é limitado pela precisão com que cada fotossítio pode ser medido, e é portanto limitado na escuridão por ruído de imagem. Portanto, faixa dinâmica geralmente aumenta para velocidades ISO mais baixas e câmeras com menos ruído de medição.
Nota Técnica: Mesmo se fotossítio pudesse contar fótons individuais, ainda seria limitado por ruído de fóton. Ruído de fóton é criado pela variação estatística na chegada de fótons, e portanto representa mínimo teórico para ruído. Ruído total representa soma de ruído de fóton e ruído de leitura.
No geral, a faixa dinâmica de uma câmera digital pode ser descrita como a razão entre intensidade de luz máxima mensurável (na saturação do pixel), e intensidade de luz mínima mensurável (acima do ruído de leitura). A unidade mais comumente usada para medir faixa dinâmica em câmeras digitais é o f-stop, que descreve faixa total de luz por potências de 2. Razão de contraste de 1024:1 poderia portanto também ser descrita como tendo faixa dinâmica de 10 f-stops (já que 2¹⁰ = 1024). Dependendo da aplicação, cada unidade f-stop também pode ser descrita como "zona" ou "eV".
Scanners estão sujeitos ao mesmo critério saturação:ruído para faixa dinâmica como câmeras digitais, exceto que é descrito em termos de densidade (D). Isso é útil porque é conceitualmente similar a como pigmentos criam tons em mídia impressa, como mostrado abaixo.
 |  |  | |
| Baixa Reflectância (Alta Densidade) | Alta Reflectância (Baixa Densidade) | Alta Densidade de Pigmento (Tom Mais Escuro) | Baixa Densidade de Pigmento (Tom Mais Claro) |
A faixa dinâmica geral em termos de densidade é portanto a densidade máxima de pigmento (Dmax), menos a densidade mínima de pigmento (Dmin). Diferente de potências de 2 para f-stops, densidade é medida usando potências de 10 (assim como escala Richter para terremotos). Densidade de 3.0 portanto representa razão de contraste de 1000:1 (já que 10³ = 1000).
| Faixa Dinâmica do Original |    |
|---|---|
| Faixa Dinâmica do Scanner |
Em vez de listar densidade total (Dmax - Dmin), fabricantes de scanners tipicamente listam apenas o valor Dmax, já que Dmax - Dmin é aproximadamente igual a Dmax. Isso ocorre porque diferente de câmeras digitais, scanner tem controle total sobre sua fonte de luz, garantindo que saturação mínima de fotossítio ocorra.
Para alta densidade de pigmento, as mesmas restrições de ruído aplicam-se a scanners como câmeras digitais (já que ambos usam array de fotossítios para medição). Portanto a Dmax mensurável também é determinada pelo ruído presente durante leitura do sinal de luz.
Faixa dinâmica varia tanto que é comumente medida em escala logarítmica, similar a como intensidades de terremotos vastamente diferentes são medidas na mesma escala Richter. Aqui mostramos a faixa dinâmica máxima mensurável (ou reproduzível) para vários dispositivos em termos de qualquer medida preferida (f-stops, densidade e razão de contraste). Passe mouse sobre cada opção abaixo para comparar.
| Selecionar Medida para Faixa Dinâmica: | ||
|---|---|---|
| f-stops | Densidade | Razão de Contraste |
| Selecionar Tipos para Exibir Acima: | |||
|---|---|---|---|
| Mídia Impressa | Scanners | Câmeras Digitais | Dispositivos de Exibição |
Note a enorme discrepância entre faixa dinâmica reproduzível em impressões, e a mensurável por scanners e câmeras digitais. Para comparação com faixa dinâmica real em cena, estas variam de aproximadamente 3 f-stops para dia nublado com reflectividade quase uniforme, a 12+ f-stops para dia ensolarado com reflectividade altamente desigual.
Cuidado ao interpretar os números acima; faixa dinâmica real é forte função de luz ambiente para impressões e dispositivos de exibição. Impressões não vistas sob luz adequada podem não dar sua faixa dinâmica completa, enquanto dispositivos de exibição requerem escuridão quase completa para realizar seu potencial total — especialmente displays de plasma. Finalmente, estes valores são aproximações; valores reais dependem de idade do dispositivo, geração do modelo, faixa de preço, etc.
Atenção que razões de contraste para dispositivos de exibição são frequentemente muito exageradas, pois não há padrão de fabricante para listar estas. Razões de contraste acima de 500:1 são frequentemente apenas resultado de ponto preto muito escuro, em vez de ponto branco mais brilhante. Por isso atenção deve ser dada a tanto razão de contraste quanto luminosidade. Altas razões de contraste (sem luminosidade correspondentemente maior) podem ser completamente anuladas por luz de vela ambiente.
O olho humano pode na verdade perceber maior faixa dinâmica que ordinariamente possível com câmera. Se considerássemos situações onde nossa pupila abre e fecha para luz variável, nossos olhos podem ver sobre faixa de quase 24 f-stops.
Por outro lado, para comparações precisas com foto única (abertura, obturador e ISO constantes), só podemos considerar faixa dinâmica instantânea (onde abertura da pupila é inalterada). Isso seria similar a olhar uma região dentro de cena, deixar olhos ajustarem, e não olhar em outro lugar. Para este cenário há muito desacordo, porque sensibilidade e faixa dinâmica do olho mudam dependendo de brilho e contraste. A maioria estima entre 10-14 f-stops.
O problema com estes números é que nossos olhos são extremamente adaptáveis. Para situações de visualização de estrelas em luz extrema (onde olhos ajustaram para usar células bastonetes para visão noturna), nossos olhos se aproximam de faixas dinâmicas instantâneas ainda maiores (veja tutorial "Percepção de Cor do Olho Humano").
Mesmo se sua câmera digital pudesse capturar vasta faixa dinâmica, a precisão com que medições de luz são traduzidas em valores digitais pode limitar faixa dinâmica utilizável. O motor que traduz estas medições contínuas em valores numéricos discretos é chamado conversor analógico-para-digital (A/D). A precisão de um conversor A/D pode ser descrita em termos de bits de precisão, similar à profundidade de bits em imagens digitais, embora cuidado deva ser tomado que estes conceitos não sejam usados intercambiavelmente. O conversor A/D é o que cria valores para formato RAW da câmera digital.
| Precisão de Bits do Conversor Analógico/Digital | Razão de Contraste | Faixa Dinâmica | |
|---|---|---|---|
| f-stops | Densidade | ||
| 8 | 256:1 | 8 | 2.4 |
| 10 | 1024:1 | 10 | 3.0 |
| 12 | 4096:1 | 12 | 3.6 |
| 14 | 16384:1 | 14 | 4.2 |
| 16 | 65536:1 | 16 | 4.8 |
Nota: Valores acima são para precisão do conversor A/D apenas, e não devem ser usados para interpretar resultados para arquivos de imagem 8 e 16-bit. Além disso, valores mostrados são máximo teórico, assumindo ruído não limitante, e aplica-se apenas a conversores A/D lineares.
Como exemplo, 10-bits de precisão tonal traduz em faixa de brilho possível de 0-1023 (já que 2¹⁰ = 1024 níveis). Assumindo que cada número do conversor A/D é proporcional ao brilho real da imagem (significando que valor de pixel dobro representa brilho dobro), 10-bits de precisão só pode codificar razão de contraste de 1024:1.
A maioria das câmeras digitais usa conversor A/D de 10 a 14-bit, e assim sua faixa dinâmica máxima teórica é 10-14 stops. No entanto, esta alta profundidade de bits só ajuda minimizar posterização de imagem já que faixa dinâmica total é geralmente limitada por níveis de ruído. Similar a como imagem de alta profundidade de bits não necessariamente significa que contenha mais cores, se câmera digital tem conversor A/D de alta precisão não necessariamente significa que pode gravar maior faixa dinâmica. Em efeito, faixa dinâmica pode ser pensada como altura de uma escada enquanto profundidade de bits pode ser pensada como número de degraus. Na prática, a faixa dinâmica de uma câmera digital nem sequer se aproxima do máximo teórico do conversor A/D; 8-12 stops é geralmente tudo que se pode esperar da câmera.
Arquivos de imagem digital podem realmente gravar faixa dinâmica completa de dispositivos high-end? Parece haver muita confusão na internet sobre relevância de profundidade de bits da imagem em faixa dinâmica gravável.
Primeiro precisamos distinguir se falamos de faixa dinâmica gravável, ou exibível. Mesmo arquivo JPEG 8-bit comum pode concebivelmente gravar faixa dinâmica infinita — assumindo que curva tonal correta é aplicada durante conversão RAW (veja tutorial sobre curvas, motivação: faixa dinâmica), e que conversor A/D tem precisão de bits requerida. O problema está na usabilidade desta faixa dinâmica; se poucos bits são espalhados sobre grande faixa tonal, isso pode levar a posterização de imagem.
Por outro lado, faixa dinâmica exibível depende da correção gamma ou curva tonal implícita pelo arquivo de imagem, ou usada pela placa de vídeo e dispositivo de exibição. Usando gamma de 2.2 (padrão para PCs), seria teoricamente possível codificar faixa dinâmica de quase 18 f-stops (veja tutorial sobre correção gamma, a ser adicionado). Novamente, porém, isso sofreria de posterização severa. A única solução padrão atual para codificar faixa dinâmica quase infinita (sem posterização visível) é usar arquivos de imagem high dynamic range (HDR) no Photoshop (ou outro programa suporte).
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