Charakteristické křivky fotomateriálů: Černobílé negativní filmy

Každý film má trochu jiné vlastnosti. Je schopný zachytit různě kontrastní scény a má odlišné podání tónů a barev. Aby bylo možné filmy po této stránce objektivně porovnat, výrobci u každého filmu poskytují v dokumentaci kromě dalších údajů také grafy zachycující charakteristické křivky filmu. S tím, co to charakteristické křivky jsou a co se z nich dá vyčíst, vás seznámí následující seriál. První díl pojednává o černobílých negativních filmech.

Charakteristická křivka udává, jak tmavý film v daném místě po vyvolání bude, když na něj v tomto místě dopadne jisté množství světla. Je to graf, který má na vodorovné ose expozici a na svislé ose optickou hustotu vyvolaného filmu. Expozice závisí na tom, jak silným světlem a jak dlouho je film v daném bodě osvícen a její standardní jednotkou jsou lux sekundy. Aby bylo možno jedním grafem dobře popsat jak chování pro světla, tak pro stíny, používá se na vodorovné ose logaritmus (desítkový) hodnoty expozice. Optická hustota na svislé ose je definovaná jako logaritmus (rovněž desítkový) poměru síly světla, které na film dopadne a které film propustí.

Pro jednoduchost začneme černobílým negativem. Typická charakteristická křivka má tvar plochého nahnutého S, viz Obr. 1. Vlevo dole začíná křivka kousek nad nulou, protože i film na který se nedostane vůbec žádné světlo, má po vyvolání nenulovou hustotu. Báze filmu spolu se stopovým množstvím zrn, u kterých dojde k vyvolání i přes to, že nebyla exponována, zabrání průchodu části světla. V angličtině se pro tuto hustotu používá termín base plus fog. Křivka je zpočátku plochá. Množství světla, které se na film dostane, je zde příliš malé na to aby ho film zaznamenal. Po té, co expozice dosáhne jisté míry, film na ni začne reagovat a hustota začne růst. Tato část křivky se v angličtině nazývá toe. Následuje střední část, kde hustota je zhruba přímo úměrná logaritmu expozice a křivka stoupá víceméně rovně. Na závěr pak přijde oblast, kde již film danou expozici přestane zvládat, až nakonec výsledný obraz bude mít konstantní, maximální možnou hustotu, protože všechna zrna na filmu budou exponována a vyvolána. Tato část křivky je tudíž opět plochá. Anglicky se nazývá shoulder.

charakteristická křivka
Obr. 1 – Typická charakteristická křivka černobílého negativního filmu.

Z charakteristických křivek jde vyčíst například to, jak je film celkově kontrastní. Základním měřítkem kontrastu je sklon střední, rovné části charakteristické křivky, tak zvané gamma. Čím větší gamma, tím kontrastnější film. U filmů, jejichž charakteristická křivka přechází v rovnou část jen velmi zvolna (majících douhou oblast toe) je standardně exponovaná scéna umístěná ze značné části ještě mimo rovnou část křivky a gamma není dobrým ukazatelem reálné kontrastnosti filmu ve standardních situacích. Výrobci proto častěji než gamma udávají v dokumentaci index kontrastu, který představuje průměrný sklon charakteristické křivky v oblasti, která odpovídá správně naexponované průměrné scéně.

Z tvaru křivky si můžeme udělat představu o tom, jak dobře bude film separovat různé tóny. Čím větší je v dané oblasti sklon křivky, tím lepší je separace odpovídajících tónů a naopak. Například, pokud má film dlouhou oblast toe, t.j. křivka dlouho stoupá jen zvolna, načež se strmě stočí nahoru, jde o film, který bude dobře separovat tóny blízko středu, to znamená, že bude výborný pro ploché, nekontrastní scény, kterým dodá potřebný kontrast. U kontrastnějších scén, u kterých stíny padnou do oblasti toe, kde je sklon malý, budou ale detaily ve stínech potlačené. Je tudíž nesmysl vzít takový film třeba na focení svatby, kdy je potřeba, aby detaily na černých oblecích pánů byly dobře viditelné.

Charakteristické křivky se používají také pro stanovení nominální citlivosti filmu. Je k tomu zapotřebí, aby film byl vyvolán standardizovaným způsobem. (Gamma je v tom případě rovno 0,62.) Na křivce se pak najde bod, pro který je hustota 0,1 jednotky nad “base plus fog”. Nominální citlivost filmu je rovna 0,8/H, kde H je expozice v tomto bodě (expozice samotná, nikoli její logaritmus). Známe-li nominální citlivost filmu, můžeme pomocí tohoto vzorečku naopak najít tento bod. Posuneme-li se pak na vodorovné ose o 1,3 jednotky doprava, dostaneme se do bodu, který odpovídá správně exponované šedé tabulce, t.j. do bodu kam padnou střední tóny fotografované scény, budeme-li měřit na střed a nepoužijeme žádné kompenzace. Pozice standardně exponované střední šedé pro filmy běžných citlivostí jsou shrnuty v následující tabulce:

Citlivost filmu (ASA)255010020040080016003200
Pozice střední šedé-0,2-0,5-0,8-1,1-1,4-1,7-2,0-2,3

Interval expozic na vodorovné ose, kde sklon křivky je dostatečný, aby na filmu byly v této oblasti prokreslené detaily, protože drobné rozdíly v tónech na fotografovaném objektu, t.j. drobné rozdíly v lokální expozici, způsobí zaznamenatelné rozdíly v hustotě, se nazývá užitečný rozsah filmu. Standardní hodnota pro minimální požadovaný sklon je 0,2. Na délce tohoto intervalu záleží to, jak kontrastní scénu budeme schopni na film zachytit. Například, je-li jeho délka tři jednotky na vodorovné ose grafu, budeme moct beze ztráty detailů vyfotografovat scénu, která má světla tisíckrát jasnější, než stíny. V logaritmické škále na vodorovné ose totiž přírůstek jedné jednotky odpovídá zdesetinásobení množství světla. Pokud chceme maximální zachytitelný kontrast scény vyjádřit v expozičních stupních (EV), musíme délku intervalu odpovídajícího užitečnému rozsahu filmu vynásobit koeficientem 3,3 (přesněji dvojkovým logaritmem deseti). Přírůstek 1 EV totiž odpovídá zvětšení množství světla na dvojnásobek, jinými slovy, EV stupnice je na bázi ne desítkového, ale dvojkového logaritmu. 1 EV odpovídá 0,3 jednotky (desítkový logaritmus dvou) v log H škále.

Znalost užitečného rozsahu filmu a pozice střední šedé nám umožňuje odhadnout expoziční pružnost filmu. Čím větší je užitečný rosah, tím větší je pružnost. Je-li užitečný rozsah například 12 EV, tak u průměrné scény, která má rozsah přibližně 7 EV, máme volnost celých 5 EV, kam scénu v rámci užitečného rozsahu filmu umístit, t.j., jak ji vyfotografovat bez ztráty detailů. U scény nasvícené difúzním světlem, která může mít rozsah třeba jenom 3 EV, máme volnost celých 9 EV a naopak na prudkém slunci může mít scéna rozsah více než 12 EV a nejenže nebudeme mít u volby expozice žádnou rezervu, ale scénu vůbec nebudeme schopni na film beze ztrát zachytit. Vezmeme-li za základ standardní expozici pro danou citlivost filmu a průměrnou scénu, můžeme hovořit o expoziční pružnosti filmu vůči podexpozici a přeexpozici. To znamená o tom, o kolik se při stanovování expozice můžeme u průměrné scény splést směrem dolů, respektive nahoru, aniž bychom za to zaplatili ztrátou detailů. Znamená to vlastně, kolik nám z užitečného rozsahu filmu zbude vlevo a vpravo vedle intervalu odpovídajícího správně zachycené průměrné scéně. Vzhledem k tomu, že většinou je žádoucí maximálně využít citlivost filmu a dovolit použití co nejkratších časů, nominální citlivost filmu je stanovena tak, aby fotografovaná scéna na filmu typicky padla v rámci užitečného rozsahu (s jistou rezervou) někam poblíž jeho levého kraje. Proto je pružnost vůči podexpozici obvykle mnohem menší, než vůči přeexpozici. Pokud si proto nejsme zcela jisti správností naměřené expozice, bývá lepší exponovat raději více, než méně. Kromě toho, u kontrastnějších scén, kde interval lokálních expozic je delší než u průměrné scény, je při měření na střed potřeba přidat expozici, protože neposuneme-li střed intervalu expozic, které na filmu budou, směrem doprava, jeho levý kraj se dostane mimo užitečný rozsah a ztratíme detaily ve stínech. (Připomínám, že mluvíme o negativu.)

Charakteristické křivky - Kodak T-MAX 400
Obr. 2 – Charakteristické křivky filmu Kodak T-MAX 400 (TMY) – převzato z www.kodak.com.

Jak je vidět z grafu na Obr. 2, charakteristické křivky uváděné v datasheetech výrobců ve skutečnosti obvykle vypadají trochu jinak, než model uvedený výše. V grafech málokdy bývá vidět horní plochá část, shoulder. Užitečný rozsah u dnešních negativních filmů je totiž typicky větší, než standardně zobrazovaný rozah expozic na vodorovné ose, který bývá asi 12 EV. U negativů tudíž prakticky nikdy není problém s tím, že by film při správně zvolené expozici nebyl schopen zachytit jak všechny detaily ve stínech, tak i ve světlech. Zdůrazňuji ale, že zde hovoříme pouze o filmu, nikoli o výsledné papírové fotografii. Přenesení všech detailů zachycených na filmu na papír může být obrovský problém, i napříč tomu, že u černobílých negativních materiálů máme k dispozici největší škálu prostředků, které nám k tomu mohou dopomoci. Podrobněji si o tom povíme ve třetím díle tohoto seriálu, pojednávajícím o charakteristických křivkách fotografických papírů.

Další rozdíl mezi výše uvedeným modelovým příkladem na Obr. 1 a grafy v datasheetech je ten, že u černobílých negativů bývá v datasheetech výrobců v jednom grafu vykreslena nikoli jen jedna křivka, ale hned celá série křivek najednou. Je to proto, že u černobílých negativních filmů lze výrazně ovlivnit kontrast změnou vyvolávacího času. Jednotlivé křivky v grafu odpovídají různým délkám vyvolání. Pokud máme představu o tom, jak kontrastní byla fotografovaná scéna, můžeme odhadnout, jaký čas bude potřeba, aby vyvolaný negativ měl požadovaný rozsah hustot.
Všimněte si, že křivky odpovídající delším časům začínají vlevo jen nepatrně výš (při delších vyvolávacích časech dojde k vyvolání většího množství neexponovaných zrn a fog je o malinko hustší), ale stoupají mnohem strměji, než křivky odpovídající kratším časům. Tudíž v levé žásti grafu jsou křivky blízko sobě a směrem doprava se od sebe rozbíhají. Z toho je vidět, že zatímco to, jak budou na filmu hustá světla, jde vyvoláním hodně ovlivnit, stíny vyjdou i při velkých změnách vyvolávacího času vpodstatě stejně. Odsuď pramení známá fotografická poučka: “exponovat na stíny, vyvolávat na světla”. Na tomto základě je postavený celý zonální systém. Také je odsuď patrné, proč při pushování (podexpozici a následovném převolání) musí nutně dojít k nárůstu kontrastu a ztrátě detailů ve stínech. Podexpozice totiž znamená posunutí scény doleva (0,3 jednotky za každý EV). Převolání pak sice umožní zvýšením kontrastu dohnat celkový rozsah hustot, ale detaily ve stínech, které padnou mimo užitečný rozsah filmu, jsou nenávratně ztraceny.

5 komentářů u „Charakteristické křivky fotomateriálů: Černobílé negativní filmy“

  1. Par otazek

    Jestli tomu dobre rozumim, nárust opticke hustoty o 0.1 nad uroven “base plus fog” znamena jeji zvyseni o pribliz ne 25% v absolutnich hodnotach (10^1). Standardni sklon krivky, ze ktere se urcuje citllivost ma G=0.62, coz odpovida asi 32 stupnum ( (360*atan(G))/(2PI) ). Strední uroven sede, posunuta o 1.3 bodu doprava odpovida asi 20-ti nasobne vetsi expozici v absolutnich hodnotach (10^1.3=19.95), v EV tomu odpovidaji asi 4.3 stupne ( log(19.95)log(2) ). Vezmu-li v uvahu expozicni rozsah dnesnich filmu neni to trochu malo a neni tak stredni uroven sede prilis vpravo ? Jeste jedna vec – existuje vyvojka ve ktere by se to melo podle normy vyvolavat ? Je smerodatna pro cas vyvyjeni pouze normovana strmost ? Jinak opravdu hezky clanek, obsahuje plno informaci, nikoliv mlaceni slamy, takze: ***************

    Odpovědět
    • RE: Par otazek

      Pokud jde o graf na Obr. 1 v clanku, tak to neni krivka zadneho skutecneho filmu, ale ciste akademicky priklad s hodnotami vytazenymi z rukavu. Krivku jsem malovala od ruky tak, jak se mi to hodilo, aby na ni slo ilustrovat ruzne veci. Snazila jsem se pri tom, aby hodnoty byly pokud mozno realne, ale nesmite to brat zas az tak do detailu. Ono totiz kdyz se podivate na krivky nejakeho opravdoveho negativu v datasheetech (viz treba Obr. 2), tak napr. neuvidite shoulder krivky, coz se mi pochopitelne prilis nehodilo do kramu. Co se odpovedi na zbyle dva dotazy tyka, tak pokud se dobre pamatuji, tak odpovedi na ne jsou ano a ano. Vyvojka je standardni a vyvolani na predepsanou strmost eliminuje prave problem ruzne rychlosti vyvolani u ruznych filmu. Omlouvam se, ale knihu Stroebel et al.: Basic Photographic Materials and Processes, ze ktere jsem prevazne cerpala, i zbytek me knihovny mam a jeste nejakou dobu budu mit ponekud z ruky (asi tak 1500 km), takze detailnejsi odpoved nejsem momentalne schopna poskytnout.

      Odpovědět
    • par otazek

      Výtečný článek, gratuluji a připojuji se k chvále.. Aniž bych chtěl být hnidopich tak jen malou připomínku k fandům čísel. Středně šedá již není o 1,3 hodnoty vpravo od bodu určujícícmu citlivost nýbrž (počítám-li správně) cca 1,1. Hodnota 1,3 odpovídala střední šedé s 18% reflektancí (odrazností) -což je velmi šikovná hodnota, která odpovídá řadě starších expozimetrů, vychází z ní oblíbený a často sklňovaný ZoneSystem Ansela Adamse…
      Hodnota 1.1 vychází z nové normy (ANSI Standard ANSI/ISO; 2720-1974 (R1994), ANSI/NAPM IT3.302-1994) podle které jsou nyní kalibrovány expozimetry. Tato norma považuje za středí šedou plochu s reflektancí 12,5%.
      Tak se nedivte až vám někdy nový expozimetr bude ukazovat o 2/3 clonového stupně vyšší (delší) expozici než starší fotoaparát…..

      Odpovědět
  2. Česke ekvivalenty k anglickým termínům

    Base+fog = závoj
    Toe = pata senzitometrické křivky
    Shoulder = hlava senzitometrické křivky

    Článek je jako vždy vynikající, moc děkuji:-)

    Odpovědět

Napsat komentář