Ekspozycja na światła - praca z histogramem

Matryca to nie klisza

Lustrzanki cyfrowe różnią się coraz mniej od analogowych protoplastów. Ilośd danych reje-

strowanych „cyframi” dorównuje już analogowemu małemu obrazkowi. Analogowi fotogra-

fowie coraz chętniej sięgają po cyfrowe zamienniki ulubionych aparatów. Przesiadając się na

cyfrówki, przenoszą na nie swe techniki fotograficzne i nawyki. Świetnie! Niestety, materiały

światłoczułe zachowują się inaczej niż krzemowe matryce stosowane w dSLRach. Zdają się o

tym zapominad zarówno twórcy aparatów, implementując żywcem przeniesione z analogów

systemy pomiaru światła, jak i użytkownicy, traktując matrycę jak film.

Cyfrak rejestruje liniowo

Matryca w aparacie cyfrowym zachowuje się inaczej niż chemiczny materiał światłoczuły.

Obraz na matrycy jest rejestrowany liniowo, sposób widzenia człowieka można przybliżyd

funkcją logarytmiczną (podobnie zachowuje się slajd).

Co to znaczy liniowo? Różnica jednego stopnia przysłony np. f/2,8 a f/4 (1 EV) to dwa razy

więcej światła wpuszczanego przez obiektyw. Sygnał rejestrowany przez matrycę jest dwa

razy silniejszy. Ludzkie oko zaobserwuje zmianę natężenia światła, nie będzie ona jednak

postępowad liniowo.

Rys. 1. Zanim obraz z matrycy zostanie zapisany w JPGu, lub wywołany w programie graficz-

nym, musi nastąpid korekta liniowego zapisu informacji. Walory zdjęcia są poddawane trans-

formacji, która przypomina czerwoną krzywą z rysunku 1.

Na rysunku oś Y wyskalowana jest w EV i prezentuje średni zakres dynamiki tonalnej matrycy

współczesnego dSLRa – mniej więcej 6 EV. Czerwona linia wyznacza na osi X ilośd walorów,

rejestrowanych przez matrycę (w procentach). Miejsca przecięcia się czerwonej krzywej z

kolejnymi wartościami EV, wyznaczają na osi X ilośd procentową walorów konwertowanych z

postaci liniowej.

Rys. 2. To samo zdjęcie wywołane z RAW z korektą tonalności logarytmiczną (u góry) i linio-

wą (na dole).

Dane cyfrowe, są poszatkowane na wartości dyskretne – nieciągłe. Z matrycy wypływają in-

formacje o jasności obrazu dla poszczególnych pikseli zamienione już na liczby całkowite 1, 2,

3…256. Obraz na kliszy fotograficznej jest ciągły – oprócz wartości całkowitych istnieją war-

tości pośrednie między nimi 2,54, 234,21 itd.

Z matematycznego punktu widzenia wartości dyskretne i korekta logarytmiczna mają cieka-

we cechy. Do najwyższej umieszczonej strefy, 6EV (świateł) należy aż 50% wszystkich walo-

rów zwracanych z matrycy. Do strefy 5 EV (delikatnych półtonów) należy 25% wszystkich

walorów rejestrowanych przez matrycę. Do strefy 4EV (średnich półtonów) należy 12,5%. Do

strefy 3EV (ciemnych półtonów) 6,7%. Do strefy 2EV (cieni) tylko 3,4%. Strefa 1 to już symbo-

liczne 2%.

Cyfrowy (dyskretny) zapis danych w lustrzance odbywa się z rozdzielczością 10-12 bi-

tów/piksel, innymi słowy, każdy piksel może (liniowo) przyjąd jedną z 1024-4096 wartości.

Dla matrycy o rozdzielczości 12 bitów do każdego zakresu EV będzie więc należed odpowied-

nio:

EV Typowa charakterystyka aparatu cyfrowego np. Canon 20d

(4096 wartości)*

6EV

2048

5EV

1024

4EV

512

3EV

256

2EV

128

1EV

64

*Co ciekawe, w przypadku Nikonów d70/70s/50/40, najwydajniejszy obszar - świateł - jest

stratnie kompresowany w RAW. Cały zakres dynamiki tonalnej dla tych aparatów wynosi

więc tylko 9,5 bita (~800 walorów).

CCD czy CMOS lubią światło jeszcze z innego powodu. Im mniej elektronów pada na sensor,

tym mniej dokładny pomiar. Nawet niewielkie różnice w ilości „schwytanych” fotonów lub

przypadkowych elektronów na matrycy powodują duże różnice pomiarowe. Stosunek sy-

gnał/szum w cieniach jest zdecydowanie niekorzystny dla cieni. Jaki z tego wniosek? Matryca

lepiej rejestruje światła jak cienie. Potencjał, jaki tkwi w światłach jest wręcz nieporówny-

walny z cieniami, a my spróbujemy to wykorzystad.

Pomiar od czapki

Niestety, producenci aparatów jak się wydaje nie dostrzegają tego problemu. Systemy po-

miarowe mniej lub bardziej skutecznie chronią przed kompletnym prześwietleniem świateł.

Dobrze! Matryca w przeciwieostwie do chemicznego materiału światłoczułego, nawet po

delikatnym prześwietleniu „strajkuje” natychmiastowo odmawiając dalszej rejestracji sygna-

łu. Nie usprawiedliwia to jednak tego, że strategia naświetlania często prowadzi do wykorzy-

stania tylko gorszej, ciemnej połowy zakresu tonalnego. Zupełnie, jak gdyby inżynierowie nie

zmienili algorytmu wyznaczania poprawnej ekspozycji po „wyrwaniu” światłomierza z analo-

ga.

Korekta na światła

Jeżeli fotografowana scena nie przekracza pojemności tonalnej matrycy (~6EV) warto ekspo-

zycję dobrad ręcznie, tak by jak najlepiej wykorzystad wysoki zakres tonalny, światła i półto-

ny. Określenie zakresu tonalnego jest proste. Wystarczy spojrzed na histogram fotografii.

Histogram z „potencjałem” wygląda tak, jak na rysunku 3, jest sporo pustego miejsca po

prawej stronie pomiędzy zboczem, a ramką wykresu. Jeżeli lewa strona zbocza nie „włazi” na

lewą ramkę – zdjęcie jest poprawne, ale może byd lepsze. Jeżeli przy lewej krawędzi wykresu

dane bardzo piętrzą się, zdjęcie prawdopodobnie jest niedoświetlone.

Zdjęcia nie zawierające źródeł światła i przedmiotów błyszczących – odbijających źródła

światła prawie zawsze kwalifikują się do kategorii „z potencjałem”. Krajobraz „ze słoocem w

plecy”, sceny w domu czy na ulicy, większośd fotografii w studio.

Na rysunku 3 prezentuję histogram jednego ze zdjęd, które spełnia powyższe kryterium. Da-

ne wypełniają lewą stronę wykresu, po prawej jest sporo miejsca, które za chwilę wykorzy-

stam.

Jak zmienid ekspozycję by „przesunąd” histogram w prawo? Jak pisałem wyżej Matryca do-

brze reaguje w światłach, jednak nie toleruje prześwietlenia. Należy więc zwiększyd ekspozy-

cję tak by prawy skraj danych na wykresie zaczynał się jak najbliżej prawej krawędzi (naświe-

tlanie na światła), uważając jednak by po prawej stronie została odrobina wolnej przestrzeni

(unikanie prześwietlenia).

W większości przypadków sprawdza mi się zakres + 0,7-1,3EV korekty względem odczytu

światłomierza. W tej granicy znalazła się korekta pomiaru omawianego zdjęcia +1,3 EV. Do

kontroli poprawności ekspozycji należy używad funkcji wbudowanego histogramu.

I tu kolejne ostrzeżenie. Canony na histogramie prezentują luminancję zdjęcia (jego jasnośd),

a Nikony tylko kanał zielony. W obu wypadkach w specyficznych warunkach, mimo korzyst-

nego wydawało by się wykresu, może nastąpid prześwietlenie jednego z kanałów koloru. W

scenie z dominującym jasnym kolorem nieba późnym popołudniem (ze słoocem w plecy)

zbyt agresywne przesunięcie histogramu w prawo na podstawie oceny luminancji, jak i kana-

łu zielonego da prześwietlenie kanału niebieskiego.

Moim zdaniem, 90% zdjęd naświetlonych na światła będzie lepiej odwzorowywad rzeczywi-

stośd od zdjęd naświetlanych automatycznie (przy zachowawczym naświetlaniu na szarośd

50%). Te 90% zdjęd posiada prawdziwe „światła”, które są gaszone/ściągane do niższych

stref niezbyt fortunnym dobraniem algorytmów kalkulacji ekspozycji. Zdjęcia te nie będą

wymagad specjalnych korekt. Pozostałe 10% to zdjęcia, w których w wyniku naświetlania „na

światła” cienie staną się szarościami. Podczas wywoływania takich zdjęd w PhotoShopie lub

innym programie graficznym, bardzo prosto można przywrócid cieniom ich miejsce z pomocą

suwaków jasnośd i kontrast, lub po wywołaniu z pomocą krzywej lub funkcji poziomy. Próbu-

jąc korekcji obrazu po wywołaniu należy pamiętad o zachowaniu 16 bitowej głębi koloru na

kanał!

Nagroda jest oczywista. Więcej detali w cieniach, lepszy stosunek sygnału do szumu.

Zaletą „rozciągania” histogramu jest też zwiększenie dynamiki tonalnej. Zdjęcia po przenie-

sieniu na papier tracą kontrast pięciokrotnie w stosunku do tych oglądanych na monitorze.

Wykorzystując maksymalnie dostępną dynamikę, osiągamy żywsze kolory, ciekawsze, przy-

kuwające uwagę odbitki. Więcej „wykorzystanych” walorów to również delikatniejsze, bar-

dziej miękkie przejścia tonalne w gradientach.

Zdjęcie wzorca IT 8.7/2

Wykonałem też zdjęcia wzorca kalibracyjnego IT 8.7/2 z ustawieniem ekspozycji przez świa-

tłomierz i „na światła”.

Gołym okiem nie widad ogromnych różnic po sprowadzeniu obu wzorców do wspólnego

mianownika. Szary pasek z dołu wzorca przepuściłem przez Q-13 stepchart Imatestu. Wyniki

widad na poniższych wykresach.

Rys. 9. Wykres SFR dla ekspozycji -ze światłomierza.

Rys. 10. Wykres SFR dla ekspozycji na światła.

Różnica dynamiki tonalnej zdjęd wzorca kalibracyjnego jest niewielka, jednak widoczna na

wykresach. Dla wysokiej jakości odstępu sygnału od szumu, zakres dynamiki tonalnej naświe-

tlania na światła wynosi 6,72EV, a „na światłomierz”, 6,58EV.

Krzywe w aparacie - „po ptokach”

Świadomośd tego, czym skutkuje niedoświetlenie zdjęd cyfrowych prowadzi do jeszcze jed-

nego wniosku. Wniosku dotyczącego głównie Nikonów.

Światłomierz w Nikonach d100 jak i d70 ma tendencję do silnego niedoświetlania kadru.

Użytkownicy systemu szybko wymyślili jak korygowad tą wadę, szczególnie uciążliwą w przy-

padku wykonywania zdjęd do formatu JPEG. Nikon pozwala na wprowadzenie do pamięci

aparatu własnej krzywej korekcyjnej, która jest nadawana obrazowi po zarejestrowaniu

przez matrycę. Krzywa likwidująca niedoświetlenie „przesuwa” histogram w prawą stronę,

zmieniając częśd półtonów w światła. Nie ma w stosowaniu takiej krzywej nic złego, chod

patrząc z punktu widzenia wydajności matrycy, większej w światłach, efekt działania krzywej

to tylko wybór mniejszego zła. Krzywa stosowana jest po zarejestrowaniu obrazu, a więc jest

już PO PTOKACH, bo matryca pracowała najintensywniej w cieniach i półtonach.

Histogram prezentowany przez Nikona d70 uwzględnia aktualnie wybraną krzywą użytkow-

nika, mimo, że surowe dane z matrycy są zarejestrowane inaczej (zazwyczaj ciemniej). Warto

pamiętad o tym w przypadku fotografowania do formatu RAW, gdzie takie zachowanie może

wprowadzad w błąd użytkownika i jest niewskazane z punktu widzenia strategii naświetlania

na światła. Tylko niektóre programy do wywoływania RAW uwzględniają osadzone krzywe

korekcyjne (Nikon Capture i jedna z mutacji interfejsu użytkownika dla dcraw). Adobe Came-

ra RAW z którego korzystam ignoruje krzywą. Ja radzę sobie z problemem, włączając krzywą

Custom tylko i wyłącznie w przypadku robienia zdjęd w JPGu, wracając zaś do normalnego

trybu pracy, staram się pamiętad o wyłączeniu tej funkcji (przestawienie wyboru krzywej na

pozycję „Normal”. Nie „Auto”!).

Stosując technikę naświetlania na światła, uzyskujemy najwyższą możliwą jakośd, płacąc za

to jedynie pożegnaniem z automatami mierzącymi światło w archaiczny, analogowy sposób.

Histogram, to najlepszy przyjaciel cyfrowego fotografa.