Цифровая обработка фотографий
Цифровая обработка фотографий
Несмотря на широчайшие возможности цифровой фотографии, она как и обычная фотосъемка одинаково плохо реагирует на неверно подобранную экспозицию или неправильно выбранный фокус. Главная проблема цифровой фотографии в том, что информация, не захваченная при экспонировании, безнадежно утрачивается. Никакие математические операции восстановить ее не смогут — если вы не вписались в рабочий диапазон аппарата, то снимок испорчен. Широта возможного тонового диапазона цифровой камеры зависит от конструктивных особенностей, в первую очередь от свойств светочувствительной матрицы и аналого-цифрового преобразователя. Сама физическая природа полупроводниковых приборов накладывает серьезные ограничения на их возможности, и сегодня диапазон тонов “цифры” намного уже, чем у пленки, что не оставляет фотографу права на ошибку (в случае неверно установленных параметров экспозиции детали в тенях при цифровой съемке теряются).
Существует также ряд особенностей, присущих опять-таки именно цифровой фотокамере — проблема преобразования информации об изображении, а любые цифровые преобразования, как известно, приводят к потерям. История жизни цифрового снимка — это история постоянных искажений исходных данных. Дабы избежать неоправданных потерь качества, рассмотрим цифровую фотографию с точки зрения получения, преобразования и сохранения информации. Цифровая съемка предполагает пять основных этапов, несущих потенциальную опасность исказить или вовсе утратить драгоценные данные:
1. Экспонирование. С него начинается процесс преобразования информации.
2. Оцифровка. Во время экспонирования свет, отраженный объектами сцены, проходит через оптическую систему камеры и попадает на светочувствительную матрицу. Под действием света ячейки матрицы вырабатывают электрический ток. Сигналы подвергаются оцифровке, результат которой напрямую зависит от качества электроники и выбранного режима работы аппарата. На обработке сказываются многие факторы: фоновый ток матрицы, тепловые шумы, интерполяция пространственного Байеровского фильтра, баланс белого, гамма-коррекция (а еще есть функции подавления шумов, повышения резкости, увеличения чувствительности и т.д.). Повлиять на оцифровку мы можем лишь отчасти. Основные факторы лежат в области технических решений, реализованных на аппаратном уровне.
3. Сохранение данных. Зафиксированное изображение следует сохранить в памяти цифровой камеры, проблема сводится к выбору подходящего графического формата. Практически все камерыпредлагают как минимум два метода: форматы, использующие сжатие с потерями, и без них. Если стремиться к идеалу, то, безусловно, любые потери нежелательны, но зачастую они столь незначительны, что ими можно пренебречь, получив значительный выигрыш в числе снимков, помещающихся в память камеры.
4. Коррекция (редактирование). После получения снимка большинство пользователей желают, как правило, слегка его поправить: осветлить/затемнить, повысить резкость, исправить цветовой баланс и т.д. На том этапе традиционно применяются различные пакеты растровой графики (Adobe Photoshop или простенький редактор, поставляемый с камерой). Но недостаточное понимание процессов редактирования приводит к последствиям более грозным, чем ошибки на всех предыдущих этапах вместе взятые.
5. Вывод на печать. Последняя возможность испортить изображение, даже если до сих пор все сделано правильно. Иногда в этом вина не столько пользователей, сколько разработчиков, но поверьте: всегда есть способ и эту ответственную процедуру выполнить с минимальными потерями. Практически повлиять на результат съемки можно только одним способом — настройкой соответствующих параметров цифровой камеры. И если о первых трех мы уже имеем какое-то представление, то на 4-ом пункте остановимся более подробно.
Гистограммы
Самый простой и наглядный способ оценки качества цифрового изображения — анализ его гистограммы. Вид и характер статистического графика позволяют делать объективные выводы. Они активно применяются для определения параметров экспозиции и проведения тоновой коррекции полученных фотографий. Подробное описание и классификация гистограмм будут представлены ниже. Гистограмма — столбчатая диаграмма, отображающая количество пикселей изображения (по вертикали), имеющих заданный уровень яркости (по горизонтали). Поскольку пикселей может быть очень много, гистограмма при отображении.
Для тонкой настройки общей яркости гистограммы чаще всего недостаточно, поэтому строят гистограммы для каждого канала: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каналы, полутоновые изображения в градациях серого хранят информацию о распределении одного компонента цветовой модели RGB. Максимуму интенсивности в канале отвечают области высокого содержания соответствующего компонента. Для удобства описания областей гистограммы диапазон тонов делят на три части тени
(области низкой яркости, shadows), света (области высокой яркости, highlights) и средние тона (области средней яркости, midtones). Многие производители осознают важность адекватного использования тонового диапазона и потому внедряют функцию отображения гистограммы будущего снимка в электронный видоискатель. Конечно, при съемке информация о распределении уровней яркости намного важнее, но, как будет показано ниже, и при дальнейшей обработке на компьютере она может быть достаточно эффективна.
Тоновый характер изображения
Для объективного определения тонового характера изображения необходимо мысленно найти центр равновесия его гистограммы. Если положение точки равновесия смещено в сторону теней, то мы имеем дело с темным изображением, если в сторону светов — со светлым, если ярко выраженного смещения нет — со средним по тону. Положение точки равновесия можно искать как на глаз, так и по вычисленному параметру гистограммы Mean — среднему значению яркости. Если оно менее 100, то изображение темное, если более 150 — светлое. Конечно, нельзя слепо полагаться на указанные рекомендации, но в 95% случаев этого достаточно, чтобы точно определить тоновый характер и сделать соответствующие выводы, например, о необходимой коррекции.
1. Гистограмма темного изображения. Имеет ярко выраженное смещение тонов в сторону теней. То есть изображение считается темным, если основная масса пикселей имеет низкие уровни яркости. Здесь характерен широкий и высокий пик в левой части графика. Но это не означает, что в нем не должно быть пикселей высокой яркости, наоборот, качественный снимок темной тональности чаще всего будет иметь на диаграмме “cэкспоненциальный” хвост в области ярких значений, медленно сходящий на нет к концу тонового диапазона. Темный тоновый характер изображения на гистограмме не означает, что изображение обязательно нужно осветлять: возможно это его истинная тональность — все зависит от сюжета.
2. Гистограмма светлого изображения. Если мы имеем дело со светлой картинкой, то в ее гистограмме будет широкий и высокий “холм” в области света, определяющий основную массу пикселей изображения и экспоненциальный спад в тенях. Вот только этот темный хвост может не достигать минимального уровня яркости — фотографии светлой тональности совершенно необязательно будет иметь глубокие тени.
3. Гистограмма среднего по тону изображения. Если большинство пикселей имеют среднюю яркость или равного соотношения светлых и темных пикселей, то будет среднее по тону изображение. Обычные изображения в большинстве своем средние по тону.
4. Гистограмма с “проваленными” тенями. Характерная особенность такого изображения — срез края диаграммы слева в теневой области. Создается впечатление, будто часть графика в тенях оторвана. Такая гистограмма означает, что либо экспозиция была выставлена неверно либо неправильно выполнено сканирование изображения. Однако если вы обладаете камерой с хорошей, т.е. достаточно “умной”, автоматикой или сами вручную можете профессионально выставить правильно все параметры, то надеемся не часто будете встречаться с такой гистограммой. Гораздо чаще с ней могут повстречаться те, кто привык получать свои изображения путем сканирования обычных фотоснимков. Если в ходе этого процесса была неправильно выбрана точка черного (а это самый темный тон в изображении), тогда и образуется характерный срез в тенях, что в свою очередь указывает на потерю деталей в темной области изображения. В данном случае уже никакие цифровые алгоритмы не помогут, и, следовательно, лучше отсканировать фотоснимок еще раз.
5. Гистограмма “вылета” в светах. Мы можем столкнуться с противоположной проблемой, которая возникает при избыточной экспозиции. Соответствующая гистограмма приведена на.
Срез справа в области высоких яркостей свидетельствует об утраченных деталях в светах. Утрата деталей — худшее, что может случиться с цифровым снимком.
Несмотря на широчайшие возможности цифровой фотографии, она как и обычная фотосъемка одинаково плохо реагирует на неверно подобранную экспозицию или неправильно выбранный фокус. Главная проблема цифровой фотографии в том, что информация, не захваченная при экспонировании, безнадежно утрачивается. Никакие математические операции восстановить ее не смогут — если вы не вписались в рабочий диапазон аппарата, то снимок испорчен. Широта возможного тонового диапазона цифровой камеры зависит от конструктивных особенностей, в первую очередь от свойств светочувствительной матрицы и аналого-цифрового преобразователя. Сама физическая природа полупроводниковых приборов накладывает серьезные ограничения на их возможности, и сегодня диапазон тонов “цифры” намного уже, чем у пленки, что не оставляет фотографу права на ошибку (в случае неверно установленных параметров экспозиции детали в тенях при цифровой съемке теряются).
Существует также ряд особенностей, присущих опять-таки именно цифровой фотокамере — проблема преобразования информации об изображении, а любые цифровые преобразования, как известно, приводят к потерям. История жизни цифрового снимка — это история постоянных искажений исходных данных. Дабы избежать неоправданных потерь качества, рассмотрим цифровую фотографию с точки зрения получения, преобразования и сохранения информации. Цифровая съемка предполагает пять основных этапов, несущих потенциальную опасность исказить или вовсе утратить драгоценные данные:
1. Экспонирование. С него начинается процесс преобразования информации.
2. Оцифровка. Во время экспонирования свет, отраженный объектами сцены, проходит через оптическую систему камеры и попадает на светочувствительную матрицу. Под действием света ячейки матрицы вырабатывают электрический ток. Сигналы подвергаются оцифровке, результат которой напрямую зависит от качества электроники и выбранного режима работы аппарата. На обработке сказываются многие факторы: фоновый ток матрицы, тепловые шумы, интерполяция пространственного Байеровского фильтра, баланс белого, гамма-коррекция (а еще есть функции подавления шумов, повышения резкости, увеличения чувствительности и т.д.). Повлиять на оцифровку мы можем лишь отчасти. Основные факторы лежат в области технических решений, реализованных на аппаратном уровне.
3. Сохранение данных. Зафиксированное изображение следует сохранить в памяти цифровой камеры, проблема сводится к выбору подходящего графического формата. Практически все камерыпредлагают как минимум два метода: форматы, использующие сжатие с потерями, и без них. Если стремиться к идеалу, то, безусловно, любые потери нежелательны, но зачастую они столь незначительны, что ими можно пренебречь, получив значительный выигрыш в числе снимков, помещающихся в память камеры.
4. Коррекция (редактирование). После получения снимка большинство пользователей желают, как правило, слегка его поправить: осветлить/затемнить, повысить резкость, исправить цветовой баланс и т.д. На том этапе традиционно применяются различные пакеты растровой графики (Adobe Photoshop или простенький редактор, поставляемый с камерой). Но недостаточное понимание процессов редактирования приводит к последствиям более грозным, чем ошибки на всех предыдущих этапах вместе взятые.
5. Вывод на печать. Последняя возможность испортить изображение, даже если до сих пор все сделано правильно. Иногда в этом вина не столько пользователей, сколько разработчиков, но поверьте: всегда есть способ и эту ответственную процедуру выполнить с минимальными потерями. Практически повлиять на результат съемки можно только одним способом — настройкой соответствующих параметров цифровой камеры. И если о первых трех мы уже имеем какое-то представление, то на 4-ом пункте остановимся более подробно.
Гистограммы
Самый простой и наглядный способ оценки качества цифрового изображения — анализ его гистограммы. Вид и характер статистического графика позволяют делать объективные выводы. Они активно применяются для определения параметров экспозиции и проведения тоновой коррекции полученных фотографий. Подробное описание и классификация гистограмм будут представлены ниже. Гистограмма — столбчатая диаграмма, отображающая количество пикселей изображения (по вертикали), имеющих заданный уровень яркости (по горизонтали). Поскольку пикселей может быть очень много, гистограмма при отображении.
Для тонкой настройки общей яркости гистограммы чаще всего недостаточно, поэтому строят гистограммы для каждого канала: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каналы, полутоновые изображения в градациях серого хранят информацию о распределении одного компонента цветовой модели RGB. Максимуму интенсивности в канале отвечают области высокого содержания соответствующего компонента. Для удобства описания областей гистограммы диапазон тонов делят на три части тени
(области низкой яркости, shadows), света (области высокой яркости, highlights) и средние тона (области средней яркости, midtones). Многие производители осознают важность адекватного использования тонового диапазона и потому внедряют функцию отображения гистограммы будущего снимка в электронный видоискатель. Конечно, при съемке информация о распределении уровней яркости намного важнее, но, как будет показано ниже, и при дальнейшей обработке на компьютере она может быть достаточно эффективна.
Тоновый характер изображения
Для объективного определения тонового характера изображения необходимо мысленно найти центр равновесия его гистограммы. Если положение точки равновесия смещено в сторону теней, то мы имеем дело с темным изображением, если в сторону светов — со светлым, если ярко выраженного смещения нет — со средним по тону. Положение точки равновесия можно искать как на глаз, так и по вычисленному параметру гистограммы Mean — среднему значению яркости. Если оно менее 100, то изображение темное, если более 150 — светлое. Конечно, нельзя слепо полагаться на указанные рекомендации, но в 95% случаев этого достаточно, чтобы точно определить тоновый характер и сделать соответствующие выводы, например, о необходимой коррекции.
1. Гистограмма темного изображения. Имеет ярко выраженное смещение тонов в сторону теней. То есть изображение считается темным, если основная масса пикселей имеет низкие уровни яркости. Здесь характерен широкий и высокий пик в левой части графика. Но это не означает, что в нем не должно быть пикселей высокой яркости, наоборот, качественный снимок темной тональности чаще всего будет иметь на диаграмме “cэкспоненциальный” хвост в области ярких значений, медленно сходящий на нет к концу тонового диапазона. Темный тоновый характер изображения на гистограмме не означает, что изображение обязательно нужно осветлять: возможно это его истинная тональность — все зависит от сюжета.
2. Гистограмма светлого изображения. Если мы имеем дело со светлой картинкой, то в ее гистограмме будет широкий и высокий “холм” в области света, определяющий основную массу пикселей изображения и экспоненциальный спад в тенях. Вот только этот темный хвост может не достигать минимального уровня яркости — фотографии светлой тональности совершенно необязательно будет иметь глубокие тени.
3. Гистограмма среднего по тону изображения. Если большинство пикселей имеют среднюю яркость или равного соотношения светлых и темных пикселей, то будет среднее по тону изображение. Обычные изображения в большинстве своем средние по тону.
4. Гистограмма с “проваленными” тенями. Характерная особенность такого изображения — срез края диаграммы слева в теневой области. Создается впечатление, будто часть графика в тенях оторвана. Такая гистограмма означает, что либо экспозиция была выставлена неверно либо неправильно выполнено сканирование изображения. Однако если вы обладаете камерой с хорошей, т.е. достаточно “умной”, автоматикой или сами вручную можете профессионально выставить правильно все параметры, то надеемся не часто будете встречаться с такой гистограммой. Гораздо чаще с ней могут повстречаться те, кто привык получать свои изображения путем сканирования обычных фотоснимков. Если в ходе этого процесса была неправильно выбрана точка черного (а это самый темный тон в изображении), тогда и образуется характерный срез в тенях, что в свою очередь указывает на потерю деталей в темной области изображения. В данном случае уже никакие цифровые алгоритмы не помогут, и, следовательно, лучше отсканировать фотоснимок еще раз.
5. Гистограмма “вылета” в светах. Мы можем столкнуться с противоположной проблемой, которая возникает при избыточной экспозиции. Соответствующая гистограмма приведена на.
Срез справа в области высоких яркостей свидетельствует об утраченных деталях в светах. Утрата деталей — худшее, что может случиться с цифровым снимком.
