≡ Menu

Dynamic range, bit-depth dan color depth dalam sensor kamera digital

Apakah selama ini yang anda tahu tentang sensor kamera itu hanya sekedar megapiksel? Tahukah anda dibalik sekeping chip yang bertugas menangkap cahaya (dan warna) supaya menjadi file gambar digital itu ada banyak hal yang bisa dipelajari seperti dynamic range, bit depth hingga color depth? Siapkan secangkir kopi, kita akan bahas sesuatu hal yang sifatnya teoritis yaitu membongkar misteri sensor di kamera digital. Siap? Ayo lanjut membaca..

sensor-size

Beda dengan era film, sensor di kamera digital dibuat beragam ukuran dari yang kecil (seperti sensor di ponsel) hingga yang besar (di kamera DSLR). Walau ada yang besar dan ada yang kecil, cara kerja sensor sama saja yaitu merubah cahaya yang mengenai setiap piksel di sensor (piksel  = photodetector) menjadi data. Makin banyak piksel maka foto yang dihasilkan makin detail, bisa dicetak lebih besar dan memudahkan sales dalam menjual kamera tersebut.

Resolusi sensor, atau megapiksel

Banyaknya piksel disebut dengan resolusi, atau untuk gampangnya kerap disebut dengan megapiksel, oke anda tentu sudah tahu hal ini. Anggap saat ini standar rata-rata megapiksel di kamera yang umum adalah 16 MP. Kita tahu kalau sensor kecil atau sensor besar bisa didesain untuk punya resolusi 16 MP. Misal kamera saku ada yang 16 MP, pun juga kamera DSLR ada yang 16 MP. Lalu apa bedanya? Bayangkan untuk bisa membawa 16 orang sekaligus diperlukan sebuah bus, lalu apakah bisa apabila sebuah mobil kecil juga ingin mengangkut 16 orang? Jawabannya bisa, tapi yang diangkut adalah anak-anak balita yang masih kecil. Sama seperti piksel di kamera, bila sensor kecil ingin punya resolusi 16 MP maka bisa juga dibuat, tapi setiap pikselnya akan berukuran kecil, disebutnya small pixel size atau pixel density. Kalau di layar monitor atau ponsel, piksel yang rapat itu bagus untuk memberi ketajaman dan detail, tapi di sensor kamera, piksel yang terlalu kecil dan rapat bisa membawa kerugian.

signal_noise

Apa kerugian piksel yang kecil? Bayangkan setiap piksel adalah gelas yang tugasnya menampung air. Gelas yang kecil baru diisi sedikit air sudah langsung penuh, sedangkan gelas besar masih bisa diisi lebih banyak lagi. Jadi gelas yang besar lebih bisa menangani jumlah air yang banyak. Analogi ini sebenarnya adalah pengantar kita untuk membahas tentang dynamic range sensor, dimana dari pengalaman kita sudah terbukti dengan kamera bersensor kecil (yang tentunya pikselnya kecil) terlalu mudah mengalami highlight clipping, yaitu area terang (misal langit) jadi tampak putih total dalam hasil fotonya.

Bit depth sensor dan dynamic range

Setiap piksel, akan diukur outputnya dan dikodekan dalam data digital dengan bit tertentu, istilahnya quantization (kuantisasi). Contoh yang ekstrim adalah 1 bit, dimana setiap piksel hanya bisa memberi hasil hitam atau putih saja. Lalu untuk 2 bit artinya ada 4 variasi terang gelap, yaitu hitam, abu-abu gelap, abu-abu muda dan putih. Bit-depth 8 bit mampu memberi variasi terang gelap sebanyak 256 tingkat seperti ilustrasi berikut ini :

1-bit-8-bit

Ilustrasi perbedaan gambar 1 bit, 2 bit, 5 bit dan 8 bit

Jadi berapa bit yang dianggap cukup?

imagingintrofigure4

Saat ini teknologi sensor minimal adalah 8 bit, yaitu setiap pikselnya akan mampu membedakan terang gelap (tonal) dalam gradasi 2 pangkat 8 atau 256 tingkat, dari yang hitam total sampai putih terang. Hasil dari sensor 8 bit sudah dianggap mencukupi untuk kebutuhan dasar fotografi digital. Sensor 12 bit lebih mantap lagi karena mampu membedakan 4096 tingkat tonal dan sensor 14 bit bahkan bisa merekam 16.384 tingkat tonal terang gelap. Saat kita membahas sensor 8 bit, 12 bit dan 14 bit itu pada dasarnya kita baru membahas bit-depth saja, yang menentukan seberapa halus transisi terang hingga gelap dari cahaya yang ditangkap setiap pikselnya seperti ilustrasi di atas. Tapi bit-depth tidak secara langsung berhubungan dengan dynamic range sensor. Mengapa?

DRDynamic range (DR) artinya rasio dari tingkat terang maksimum yang bisa ditangkap sensor, dibanding dengan tingkat minimumnya (gelap). Untuk melihat dynamic range sensor aktual, tinjaulah histogram dari foto yang sudah diambil. Histogram adalah grafik sebaran terang gelap dari setiap piksel dalam rentang paling gelap (di sebelah kiri) dan paling terang (sebelah kanan). Lihatlah apakah kurva histogram begitu mudah ‘menabrak’ batas kanan (daerah terang) walaupun mata kita melihat obyek itu tidak terlalu terang? Bila iya maka besar kemungkinan sensor kita punya dynamic range yang rendah. Tapi untuk tahu dynamic range sensor dalam ukuran lab biasanya kita mencari info dari pengujian pihak lain seperti DxO mark. Satuan DR adalah stop, sensor kecil biasanya bisa membedakan terang gelap sekitar 5 stop. Kamera DSLR punya sensor yang DR-nya sekitar 11 stop.

DR eye

Mata manusia? Luar biasa, bisa 24 stop. Jadi walau ada sensor kecil yang umpama dibuat punya bit-depth 14 bit sekalipun, dynamic range-nya tetap akan di kisaran 5 stop karena pikselnya yang terlalu kecil sangat mudah menjadi penuh/jenuh saat kena cahaya. Bila kita pakai kamera DSLR atau yang sensornya besar, maka bit-depth nya sudah bisa 12 bit atau bahkan 14 bit, maka kita bisa maksimalkan hasil foto di tempat kontras dengan memilih file RAW saat memotret. Dengan file RAW, data yang direkam masih utuh dengan bit-depth yang banyak, sehingga lebih leluasa saat diedit, tidak seperti JPG yang memang dibatasi 8 bit saja.

hist_examplehist

Bila dianalogikan, dynamic range adalah seperti penggaris. Makin tinggi DR sensor maka ibarat penggaris yang panjang. Bit-depth adalah angka yang tertulis di penggaris itu. 8 bit artinya angka yang disebelah paling kiri penggaris adalah 0, di ujung kanan adalah 255. Kalau 12 bit artinya penggaris itu diberi angka  dari 0 sampai 4096. Mudah-mudahan jadi lebih kebayang ya..

Color depth

Clipboard-1Jangan dipusingkan lagi dengan kedalaman / kekayaan warna yang juga dinyatakan dalam bit. Warna adalah bahasan lain yang tak kalah rumit, dalam fotografi tugas kamera adalah menangkap warna dan menyimpan data yang seakurat aslinya. Tugas monitor adalah menampilkan warna dengan sebaik-baiknya dan tugas printer adalah mencetak foto berwarna semaksimal mungkin dengan jumlah tinta yang ada. Pencampuran warna dasar RGB bisa membuat kombinasi warna beragam saat ditampilkan di monitor, sedangkan warna dasar CMY juga menghasilkan kombinasi beragam warna di percetakan. Di kamera yang membuat sensor bisa melihat warna adalah color filter yang terletak di depan sensor, setiap piksel kebagian jatah satu filter entah itu R, G atau B. Secara teori, walau satu piksel hanya merekam satu warna, tapi berdasarkan teknik interpolasi (ditemukan oleh Bruce Bayer dari Kodak) maka setiap piksel semestinya bisa merekam warna yang seasli mungkin. Teknik ini masih ada kelemahan, tapi kita tidak sedang membahas soal ini, singkatnya selain Bayer ada juga cara lain di sensor lain seperti Foveon di kamera Sigma dan X-Trans di kamera Fuji.

24bits

Kita akan bahas bahwa untuk mendapatkan satu warna, apapun, kita cukup bermodal 3 informasi yaitu merah-hijau-biru. Kok bisa? Saat warna merah dibuat gradasi 8 bit (256 tingkat warna merah) dan demikian juga warna hijau dan biru, kita akan memiliki kekayaan warna sebanyak 16.777.216 warna (gampangnya disebut 16 juta warna) didapat dari 256x256x256.  Jadi dengan modal 3 warna dasar RGB yang punya gradasi 8 bit, kita punya menghasilkan kekayaan warna sebanyak 24 bit, atau (8 bit x 3 warna). Inilah bit depth, dan bukan cuma dibahas di sensor tapi juga di teknologi display atau layar termasuk ponsel. Dulu, ponsel warna hanya punya gradasi 4 bit per warna, atau 12 bit total warna (atau 4.096 variasi warna). Lalu meningkat jadi 6 bit per warna, atau 18 bit total warna (atau 262.144 variasi warna). Ponsel kini sudah umum punya kekayaan warna sebanyak 16 juta warna.

_4357468_orig

Bagaimana dengan 16 bit? Anda bercanda? 16 bit itu artinya 65.536 gradasi warna untuk merah, 65.536 gradasi warna untuk hijau dan 65.536 gradasi warna untuk biru. Total kekayaan warna yang dihasilkan adalah… awas kalkulator anda bisa hang 🙂 Ya kira-kira adalah 281 miliar warna, dapatkah mata kita membedakannya? Memakai resolusi warna 16 bit hanya akan menambah berat proses kerja alat dan tidak berdampak pada perbedaan yang terlihat di mata. Tapi lingkup kerja 16 bit warna juga tetap dilakukan oleh mereka yang sehari-hari adalah praktisi imaging, grafis dan editing foto yang memberi keleluasaan saat melakukan proses manipulasi warna. Tentunya mereka bekerja dengan komputer yang bertenaga tinggi ya..

Jadi apa kesimpulan tulisan saya ini? Mungkin tidak ada dampak apapun terhadap gaya fotografi anda selama ini, dan malah membuat anda tambah pusing. Tapi setidaknya saya hendak memberi wawasan bahwa :

  • megapiksel makin tinggi, ukuran piksel makin kecil, dan dampaknya adalah kemampuan piksel dalam menangkap cahaya menurun
  • dynamic range (DR) sensor terbatas, apalagi sensor kecil, tak peduli berapa tinggi bit-depth sensornya sensor kecil akan selalu kesulitan menangkap detail yang lengkap di area kontras
  • sensor dengan DR lebih tinggi (misal 12 stop) lebih mempu menangkap detail area gelap dan area terang dalam kondisi foto kontras tinggi
  • bit-depth sensor berhubungan dengan kuantisasi (pengukuran sinyal keluaran sensor), tidak secara langsung berhubungan dengan dynamic range sensor
  • sensor saat ini umumnya 12 bit atau 14 bit, dianggap sudah cukup untuk mengatasi kontras tanpa membuat prosesor kamera macet karena terlalu banyak data yang diproses
  • warna dihasilkan dari kombinasi 3 warna dasar, dalam setiap piksel foto dihasilkan dari teknik interpolasi 3 warna dasar RGB, yang masing-masing punya kedalaman 8 bit, sehingga total kekayaan warna untuk setiap piksel adalah 24 bit (16 juta warna)
  • JPG adalah kompresi file gambar, khususnya dia mengkompres warna sehingga untuk keleluasaan editing foto disarankan memilih file RAW di kamera saat memotret

 

About the author: Erwin Mulyadi, penulis dan pengajar yang hobi fotografi, videografi dan travelling. Sempat berkarir cukup lama sebagai Broadcast Network TV engineer, kini Erwin bergabung menjadi instruktur tetap untuk kursus dan tour yang dikelola oleh infofotografi. Temui dan ikuti Erwin di LinkedIn dan instagram.

{ 15 comments… add one }
  • dimas December 19, 2015, 3:28 am

    kalo canon 650d Pixel size 18.5 µm² sama canon 700d Pixel size 13.5 µm² bagusan mana? terus kokbisa lebih kecil 700d. padahal kan itu upgrade dari 650d? mohon bantuannya

  • fajri September 29, 2015, 11:36 pm

    a colour image has a size 0,72MB,with resolution 800×600,what is the valve of pixel-depth of the image.

    what is the size of image( in kB) with resolution 360×240 and pixel depth i5 bit.

    tolong bantuanya kang,,

  • fajri September 29, 2015, 11:32 pm

    what is the size of a video clip (in GB)of 60 minute if the frame size is 640×480. The pixel-depth is 24 bit,and the frame rate is 24fps.minta bantuanya kang,ini tugas dari kampus.

  • Haikal August 5, 2015, 2:45 pm

    kalo ada Kamera 20mp bersensor full frame dengan kamera 20mp bersensor apsc, trus dynamic range nya juga beda mas? Kalo pake format raw?

  • Hermawan March 14, 2015, 3:01 pm

    Nice Post,..
    Tanya nih mas Erwin, kalo mau mengubah bit gambar seperti diatas gimana mas? Misalnya bit-depth = 8 bit ke 2 bit, ke 3, 4, 5 dst.

    • Erwin Mulyadi March 15, 2015, 9:07 am

      Contoh diatas saya cari di internet. Tapi kalau mau ubah/turunkan bit depth mestinya bisa di photoshop, tapi buat apa? 🙂

  • KangRossi January 11, 2015, 11:46 pm

    Mas Erwin mau nanya nih, ada kaitannya dgn resolusi & ukuran sensor.
    apabila sensor camera APS-C 20MP, di set ke 10MP atau bahkan 5MP, apakah hasilnya lebih baik krna ukuran pixelnya semakin besar?

    • Erwin Mulyadi January 13, 2015, 11:19 am

      Sensor 20 MP, di kamera pilih 5 MP, maka yg terjadi adalah proses resample, sama seperti kita kecilin gambar di photoshop. Hasil tidak lebih baik, berbeda dengan teknik pixel-binning (dipakai di beberapa kamera Fuji lama dan ponsel Nokia lumia tertentu). Tapi memilih resolusi yg lebih kecil bisa membantu memberi kesan lebih tajam apabila kita memakai lensa yg kurang tajam.

  • yadi June 18, 2014, 9:21 pm

    sprti yg dibilang mas erwin diatas yg mempengaruhi kualitas foto salah satunya adlh ukuran piksel,tp knp di hi iso kualitas gambar jg jd berkurang??apa ada hubungannya?
    mohon penjelasannya,saya msh newbie dbidang fotografi hehe..

    • Erwin Mulyadi June 19, 2014, 12:33 pm

      ISO tinggi kan pada dasarnya sinyal tegangan keluaran sensor itu dinaikkan, sehingga noisenya juga ikut naik. Makin banyak noise maka hasil foto juga makin jelek.

  • B.Peng June 10, 2014, 9:37 pm

    Cukup detail dan penjelasan tehnis mudah dipahami.
    Mas Erwin, dari penjelasan “Megapiksel makin tinggi, ukuran piksel makin kecil, dan dampaknya adalah kemampuan piksel dalam menangkap cahaya menurun” apakah dapat disimpulkan hasil foto D800/800E tidak sebagus D600/610 ? Terima kasih pencerahannya.

    • Erwin Mulyadi June 10, 2014, 9:58 pm

      Untuk sesama DSLR, apalagi sensor full-frame, perbedaan pixel size antara sensor 36 MP dan 24 MP tidak signifikan. Paling D800 akan sedikit kalah di ISO tinggi (lebih terlihat noisenya) dibanding D600. Tapi lucunya kamera modern punya teknik pengurang noise yg lebih baik, misal di D5200 yg pakai 24 MP masih oke dan setara dgn D5100 yg 16 MP.

      Yang lebih nyata terasa adalah di kamera dgn sensor kecil, makanya dulu kamera saku pada berlomba bikin sampai 16 MP, lalu sekarang sebagian justru kembali ke 10-12 MP saja.

Leave a Comment