Wiele słyszy się, że aparat cyfrowy nie dorównuje rozpiętością tonalną filmom w aparatach analogowych (można usłyszeć, że nie dorównuje również slajdom), że rozpiętość tonalna takiego aparatu jest w granicach 4-6EV. W większości przypadków mity na ten temat rozchodzą się przysłowiową pocztą pantoflową, bez wyraźnego zastanowienia się na treścią owej "poczty".
Spróbujmy przyjrzeć się jak jest naprawdę - dziękuję Jackowi Kardasiewiczowi za otworzenie mi oczu na ten problem :)

Ekwiwalentem dla filmu negatywowego czy slajdu jest w aparatach cyfrowych matryca światłoczuła. Nie będę wnikać w jej rodzaje, czy budowę, ważne jest to, że bezpośrednio z matrycy otrzymujemy obraz analogowy (proszę wybaczyć uproszczenie), a także to, że matryca rejestruje obraz w sposób w liniowy. Ten analogowy obraz musimy przetworzyć do postaci cyfrowej i do tego służy nam przetwornik A/C (analogowo-cyfrowy) - zwykle jest ich kilka. Jako, że posiadam aparat EOS 350D, spróbuję przedstawić owe rozważanie na podstawie 12-bitowego przetwornika A/C.

Analogowy obraz zostaje skwantyzowany 12 bitami, co oznacza, że zakres wartości będzie od 0 do 4095 i oznacz ni mniej, ni więcej jak 4096 progi kwantyzacji (w praktyce 4096 odcieni szarości). Dodajmy jeszcze, że człowiek potrafi rożróżnić do ok. 150 odcieni.
Po kwantyzacji otrzymujemy "poschodkowany" obraz analogowy - otrzymujemy "negatyw" czyli RAW. Teraz co z nim zrobimy zależeć będzie od nas samych: albo wykorzystamy jedynie 6% jego wartości robiąc zdjęcia w JPG, albo będziemy robić w RAW - oczywiście polecam format RAW, choć w wieli aparatach kompaktowych niestety nie mamy takiego wyboru. W pierwszym wyborze, czyli JPG, tracimy bezpowrotnie 94% wartości "negatywu", a i sam aparat skonwertuję RAW na JPG w sposób prymitywny, aczkolwiek szybki (porównajmy ile czasu komputerewi dobrej klasy schodzi z przeróbką RAW na JPG, a w jakim czasie robi to aparat - już samo to świadczy o jakości JPG z aparatu).

No dobra, mamy 12 bitowy RAW z 4096 odcieniami - co dalej?
Zobaczmy co na temat jednostki EV mówi Wikipedia:

EV (ang. Exposure Value) – w fotografii nazwa jednostki miary oraz skali ekspozycji fotograficznej.

Punktem odniesienia dla tej skali jest wartość 0 EV - definiowana jako ekspozycja będąca efektem naświetlania materiału światłoczułego przez obiektyw o otworze względnym 1:1 przez czas 1 sekundy. Wzrost ekspozycji o jedną jednostkę EV osiąga się zwiększając dwukrotnie ilość światła naświetlającego materiał światłoczuły. Zgodnie z zasadą proporcjonalności wzrostu ekspozycji fotograficznej, można to osiągnąć zwiększając czas naświetlania dwukrotnie (przy nie zmienionym otworze względnym obiektywu) lub zwiększając otwór względny obiektywu (za pomocą przysłony fotograficznej) o jedną działkę przysłony (przy nie zmienionym czasie).

No właśnie...

Teraz musimy rozgraniczyć 3 rodzaje rozpiętości tonalnych:

1. Rozpiętość tonalna sceny fotografowanej.
2. Rozpiętość tonalna matrycy (dokładniej matryca + przetwornik A/C, dla uproszczenie niech to będzie matryca).
3. Rozpiętość tonalna zdjęcia.
   

Rozpiętość tonalna sceny fotografowanej ma charakter ciągły, tzn. nie widać przejść/granic tonalnych poszczególnych tonów - przejścia są płynne. Aby w fotografii analogowej jakoś tę scenę naświetlić zastosowano użycie jednostek EV w celu zorientowania się w charakterze rozpiętości tonalnej sceny. Nasza scena może np. przyjąć wartość 14EV, czyli czerń będzie przy wartości 0EV biel przy wartości 14EV. Czy można wartość 14EV wyrazić jeszcze jakoś w liczbach? Właśnie próbuje się to robić sprowadzając ten zakres tonalny do zakresu tonalnego cyfrowego.


gdzie wartość 16383 oznacz punkt biały, wartość 0 punkt czarny. Teraz pytanie, czy to poprawny wynik dla obrazu o charakterze ciągnłym? Oczywiście nie. W rozpiętości sceny podstawą potęgi nie będzie liczba 2, może być i 10, 123, 234, 345.6 itp. czyli winik potęgowania będzie przeogromy i w zasadzie nieskończony. Podsumowując, rozpiętość tonalna sceny jest ciągła i nie da się jej przełożyć na liczby, poza tą teoretyczną własnością EV.

Rozpiętość tonalna matrycy ma charakter nieciągły. Matryca 12-bitowa posiada wartości od 0 do 4095, czyli tyle odcieni. Teraz również próbuje się przedstawić tą rozpiętość w oparcju o ciągłe EV i odnosić ją do realnej sceny. Jest to oczywiście nieporozumienie i jakiś tam marketing. Rozpiętość tonalna takiej matrycy (zakładając, że nie ma szumu) to wartości od 0 do 4095.
Przechodząc na siłę przejść do postaci EV sygnału dyskretnego (skwantyzowanego), otrzymam wynik 12EV. Porównajmy pełny zakres  tonalny sceny która ma np. 12EV i matrycy, która "teoretycznie" ma 12EV. Czy jest to to samo? NIE. Sceną ma charakter ciągły, tzn. że w jednym podzakresie np. 1EV mieści się praktycznie nieskończenie wiele odcieni i praktycznie tyle, że nie bylibyśmy w stanie tego jednego podzakresu zarejestrować w pełni mając nawet matrycę 100 bitową. A w przypadku cyfrowym 1EV jaką ma wartość? Więc można dalej ciągnąć i stwierdzić, że nasza matryca ma zakrest tonalny np. góra 0,3EV.

Zakres tonalny samego zdjęcia które wyświetlamy na monitorze, to niestety tylko wartość od 0 do 255 z racji tej, że karty graficzne, monitor, drukarki są 8 bitowe. Sprowadzając do tych "magicznych EV'aów" to tylko 8EV. Rozpiętość tonalna papieru fotograficznego który wywołujemy jest wyrażana w postaci prawdziwych EV i wynosi ok. 7EV.

Czy jest możliwe zarejestrowanie sceny która ma powiedzmy 17EV na naszej "nędznej" matrycy? Oczywiście że tak, wystarczy tak ustawić ekspozycję, aby punkt 17EV miał wartość na matrycy 12 bitowej 4095, przy matrycy 14 bitowej punkt biały będzie przypadał na wartość 16383, przy matrycy 8 bitowej na wartość 255. We wszystkich tych przypadkach zarejstrujemy rozpiętość tonalną sceny, z tym, że w zależności od ilości użytych bitów, raz będzie więcej półtonów pośrednich, innym razem mniej, ale i tak, finalne zdjęcie nasza karta graficzna, monitor, sprowadzi do 255 tonów pośrednich.

Zdaję sobie sprawę, że dla niektórych osób może być to szokiem, ale nie można przedstawiać obrazu dyskretnego w postaci EV odnoszącego się do realnej, ciągłej sceny, bo obraz taki jest nieciągły i ma już określone wertości.
Dla tych "zatwardziałych analogowców", którzy mimo tego będą chcieli jakoś sobie przedstawić na siłę w postaci EV rozpiętość tonalną matrycy przedstawiam trochę liczb.

Spróbujmy rozłożyć naszego 12 bitowego RAW'a na podzakresy tonalne EV w czysty matematyczny sposób:

EV	Watości
12	2048
11	1024
10	512
9	256
8	128
7	64
6	32
5	16
4	8
3	4
2	2
1	1

Widać, że z matematycznego punktu widzenia, rozpiętość EV 12 bitowego RAW'a to 12EV. Można także, wyznaczyć matematycznie zakres poprzez wzór:


W rzeczywistości nie jest tak pięknie, ale tragicznie również nie jest. W zakresie 1-2EV pojawia się szum matrycy, który zawęża nam cały zakres, jednak wyciągnięcie bez sztuczek HDR'owych ok. 10,4EV nie jest specjalnie trudne.
Przyjmijmy, że rozpiętość tonalna czystego RAW dobrze naświetlonego to 10EV. No, ale ten negatyw wypadałoby jakoś wywołać, celem na przykład pokazania w galerii internetowej. Jeśli tak, to wywołujemy stratnie do postaci JPG 8-bitowego, który posiada 256 wartości, czyli z matematycznego punktu widzenia wydaje się, że kres możliwości rozpiętości tonalnej jest 8EV. Jednak tak by było, gdyby matryca+przetwornik A/C była 8 bitowa. Tutaj jednak zachodzi konwersja z postaci 12 bitowej na postać 8 bitową. Podzielmy wartości od 1 do 4096 przez 16 i zaokrąglmy wynik do liczby całkowitej, ale w ten sposób, że zakres wartości początkowej nie będzie wynosił od 0 do 1, a od 0 do 0,8. Zobaczmy jak to będzie wyglądało:

EV	Iloraz 12bit/16-> wartości 8 bitowe
9	102,4-204,8 -> 205
8	51,2-102,4 -> 102
7	25,6-51,2 -> 51
6	12,8-25,6 -> 26
5	6,4-12,8 -> 13
4	3,2-6,4 -> 6
3	1,6-3,2 -> 3
2	0,8-1,6 -> 2
1	0-0,8 -> 1

Widać, że górny zakres 8EV jest zakresem nasyconym - wartość 204,8. W przybliżeniu zakres takiego JPG'a to 8,5EV bez żadnych sztuczek HDR'owych.
Z praktycznego punktu widzenia na stronie preview można zobaczyć test takiego JPG, gdzie wyznaczono wartość na poziomie zakresu 8,4EV.

Nie próbujmy przedstawiać rozpiętości tonalnej matrycy w postaci EV odnoszącej się do realnej, ciągłej sceny fotografowanej, bo obraz z niej nie jest ciągłyj i ma już swoje wartości w zależności od ilości bitowych przetworników A/C. Czy nie jest możliwe zarejestrowanie sceny której rozpiętość tonalna wynosi powiedzmy 20EV? Oczywiście że jest możliwe - naświetlamy tak, aby wartość 4095 która odpowieda bieli w cyfrze odpowiadała wartości 20EV. Otrzymamy wtedy całą rozpiętość tonalną sceny bez przepaleń od czerni do bieli. Nie zobaczymy przejść tonalnych, z racji tej, że nasza matryca ma zbyt małą rozdzielczość tonalną do tej zarejestrowanej sceny, ale scenę tę, o tak dużej rozpiętości jak najbardziej zarejestruje. Pamiętajmy jeszcze o jednym, że zdjęcia owe oglądamy na komputerze/monitorze, który już na starcie ileś tam bitów sprowadza do 8 czyli do 255 odcieni (strata ok. 90% tego co zarejestruje matryca). Podobnie zresztą jest z fotografią analogową, którą wywołujemy na papierze, który to również nie przekracza rozpiętości tonalnej 7EV. Możemy wprawdzie odpowiednio wywoływać JPG stosując odpowiednie krzywe, stosując techniki HDR, ale i tak, nasze zdjęcie tak obrobione będzie miało rozpietość tonalną od 0 do 255, bo tylko taki zakres wartości posiada JPG, karta graficzna, monitor.