|
|
Библиотека Интернет Индустрии I2R.ru |
||
Обработка изображений в цифровой фотографииКак получить оптимальный результат в цифровой фотографии, что делать, если при съемке допущена ошибка? Сначала нужно проанализировать результаты.«Новая технология диктует новые правила. То, чем вчера занимались только супер-профессионалы, сегодня делает каждый. Добро пожаловать в цифровой век! Кому нужны чемоданы ч/б пленок, ворохи выцветших потертых снимков?! Перед вами цифровая вечность! Почувствуйте себя творцом!» — кричат нам компании-лидеры рынка цифровой фотографии. И вот уже в руках фотолюбителей и профессионалов замелькали новенькие камеры. Налицо почти всеобщая эйфория: нажал на кнопку — получи результат. «Шу-шу… мегапикселей, шу-шу… оптический зум», — нахваливает свою продукцию менеджер-продавец. Как тут удержаться неискушенному потребителю? Брать, и брать не раздумывая! Но как только вожделенный продукт оказывается в руках, выясняется, что есть у модной технологии и проблемы, только о них «забыли» предупредить. И все чаще пользователь слышит: «Мы не знаем; работа в этом направлении ведется». К сожалению, индустрия развивается так быстро, что у производителей попросту нет времени решать текущие проблемы потребителей — они озабочены захватом новых рынков. А что же делать нам? Ведь не выбросишь аппарат стоимостью в несколько сотен, а то и тысяч долларов! Да, цифровые технологии обеспечивают в большинстве случаев на порядок более высокий результат, нежели традиционные (особенно в руках непрофессионалов), но всегда есть ситуации, когда хочется что-то поправить. И хотя предела совершенству нет, это не значит, что к нему не стоит стремиться. Как получить оптимальный результат в цифровой фотографии, что делать, если при съемке допущена ошибка, — вот вопросы, ответы на которые мы попытаемся дать. Эта (и последующие) статья будет интересна не только поклонникам цифровых технологий, но и всем, кто связан со сканированием и обработкой изображений. Как ни странно, но с точки зрения обработки изображений с приходом «цифры» ничего не изменилось (имеется в виду не технология получения снимков, а методы их обработки). Вспомните, как выглядела раньше оцифровка фотоматериалов: съемка, проявка, печать, сканирование. Цифровая фотография совместила все этапы, так что получение графического файла стало занимать меньше времени, но проблемы обработки остались, ведь в современных сканерах и цифровых фотоаппаратах используется общая элементная база (матрицы ПЗС, аналого-цифровые преобразователи). Впрочем, это и серьезное преимущество — одинаковые проблемы будут иметь одинаковые решения, так что все, о чем будет идти речь далее, верно и для традиционной фотографии, если нас интересует преобразование обычных снимков в цифровую форму. Две технологии настолько близки, что порой кажется — глубокой разницы между ними нет. Но это только иллюзия. И прежде чем окончательно перейти в «цифровую плоскость», давайте в последний раз взвесим все аргументы «за» и «против» двух технологий. Современный уровень традиционной фотографии чрезвычайно высок. С некоторыми оговорками можно утверждать: процесс получения обычных пленочных и печатных материалов обеспечивает не только широчайший тоновый диапазон, но и точную цветопередачу изображений. По крайней мере, для этого существуют все необходимые средства (кстати, по большей части цифровые, т. к. единственным аналоговым этапом в современной технологической цепочке осталась пленка). Вот основные достоинства традиционной фотографии:
По мере распространения цифровой фотографии два последних преимущества нивелируются (уже сегодня непонятно, почему отпечаток с цифрового носителя в лаборатории стоит вдвое дороже обычного). А вот первые два — это действительно серьезные аргументы. «Мегапиксельная гонка», развернутая ведущими производителями, вселяет надежду, что года через полтора полупрофессиональная «цифра» (не говоря уж о профессиональных моделях) в ценовой категории до 1000 долл. с лихвой покроет возможности 35-мм пленки. А многих вполне устраивает и сегодняшнее разрешение цифровиков. Что же еще нужно счастливому фотографу? Сущая мелочь — широкий тоновый диапазон. Имеется в виду диапазон яркостей экспонируемой сцены, т. е. фиксация деталей в глубоких тенях и ярких светах одновременно. Казалось бы, пустяк, но нет! Здесь-то и кроется ключевое отличие двух технологий. 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). В традиционной фотографии недоэкспонированный кадр может быть эффективно оцифрован с помощью оборудования соответствующего класса (например, сканера с широким динамическим диапазоном). Здесь пленка имеет неоспоримое преимущество. В ближайшее время ситуация вряд ли изменится, так что в цифровой фотографии нужно особенно четко контролировать процесс экспонирования (хотя и в традиционной фотографии это никогда не было второстепенным вопросом). Самый простой и наглядный способ оценки качества цифрового изображения — анализ его гистограммы. Вид и характер статистического графика позволяют делать объективные выводы. Подробное описание и классификация гистограмм будут представлены ниже. Экспозиция — важный, но не единственный фактор, влияющий на результат в «цифре». Наряду с технологическими вопросами на передний план выходит 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 в ракурсе процессов получения, преобразования и сохранения информации. Этапы обработки цифрового изображенияЦифровая съемка предполагает пять основных этапов, несущих потенциальную опасность исказить или вовсе утратить драгоценные данные:
Практически повлиять на результат съемки можно только одним способом — настройкой соответствующих параметров цифровой камеры. Рассмотрим установки, определяющие качество цифрового снимка. 1. Экспозиция. Параметры экспозиции, как и в традиционной фотографии, задаются выдержкой и диафрагмой, именно они определяют количество света, приходящее на светочувствительную матрицу. От правильного выбора этих характеристик зависит главное — сможет ли камера зафиксировать сюжет. Экспозиция определяет фактический тоновый характер снимка, что важно учитывать при последующей коррекции. Поскольку нас интересуют цифровые преобразования, мы не станем подробно обсуждать установку выдержки или диафрагмы — большинство аппаратов имеют отличные автоматические функции. В ситуациях, когда автомат не справляется со сложными условиями съемки, профессионалы прибегают к брекетингу (съемке одной сцены с разными параметрами экспозиции). Пример дан на рис. 1. Обратите внимание: сначала изображение получилось слишком темным (в тенях часть деталей утеряна), затем слишком светлым (на потолке образовались области плоской засветки), и только последний вариант эффективно уложился в доступный тоновый диапазон.    Рис. 1. Ручной брекетинг. Примеры недостаточной, избыточной и нормальной экспозиции. Оценить качество экспозиции трудно, для этого надо как минимум видеть готовый результат. Многие делают выводы, глядя на экран компьютера — такая оценка субъективна и зависит от множества факторов (далеко не все знают, как правильно откалибровать монитор). Но существует и объективный метод анализа изображений — использование гистограмм, графиков распределения тонов в изображении — увы, далеко не все камеры имеют подобные функции. К счастью, гистограмму графического изображения можно посмотреть в любом растровом редакторе, например, Adobe Photoshop (команда Image, Histogram). 2. Чувствительность. По аналогии с традиционной фотографией в «цифре» есть возможность изменения чувствительности при съемке. Установка чувствительности цифровой камеры в некотором смысле парадокс — ведь не меняется же сама CCD-матрица или ее физические свойства! За что же тогда отвечает этот параметр? В традиционной фотографии чувствительность пленки определяет рабочие диапазоны освещенности (измеряется в единицах ISO). Пленка с чувствительностью в 100 единиц годится для съемки в солнечную погоду, но неважно ведет себя при съемке вечером или в сумерках — для этого существуют пленки 400, 800 и 1600 единиц. Большие значения этого параметра достигаются за счет увеличения размеров светочувствительных кристаллов в фотоэмульсии, соответственно, увеличивается зернистость снимков. Теоретически, можно всегда пользоваться пленкой с малой зернистостью, но тогда для съемки темных сцен потребуются слишком длинные выдержки, что недопустимо при экспонировании движущихся объектов. В цифровой фотографии увеличение чувствительности означает включение электронных схем усиления сигнала. При этом вместе с сигналом мы получаем и увеличение нежелательных шумов (аналога зернистости), особенно заметных в областях теней и однородного цвета. Несмотря на такое сходство обоих видов фотографии, пленка имеет значительное преимущество в качестве. Большинство современных цифровых аппаратов при чувствительности более 320 единиц часто дают неприемлемый результат, а полупроводниковая природа светочувствительной матрицы не позволяет надеяться на скорое исправление этого недостатка. 3. Фокусировка (резкость). Оптическая система — важнейшая часть фотоаппарата. От того, насколько в фокусе находятся важные детали сцены, впрямую зависит качество снимка. Недостаточная резкость сцены определяется сугубо оптическими эффектами, поэтому независимо от причины (качества объектива или неверного определения дальности) результат одинаков. Никакие цифровые методы не создают деталей из ничего. Нельзя из сильно расфокусированного снимка получить нормальный. Но и слегка расфокусированный снимок ненамного лучше. Как правило, изображение поддается коррекции, если нерезкость не превышает одного пикселя. Поэтому далее мы будем говорить о случае, когда все оптические возможности камеры эффективно использованы. Повышение резкости — полезная операция практически для всех изображений. Чтобы компенсировать проблемы объектива и субъективно улучшить качество изображения, производители большинства камер обязательно включают ее в свои аппараты. Причем имеются в виду именно цифровые методы. Обычно для повышения резкости используются либо высокочастотные фильтры на сверточных масках, либо фильтры нерезкого маскирования. Первые приводят к усилению контраста всех мелких деталей изображения, включая шумы, поэтому на аппаратном уровне обычно имеют ограниченное применение. Основным способом повышения резкости является метод нерезкого маскирования. Выбор, перед которым стоит пользователь цифровой камеры, таков: повышать резкость во время съемки или делать это при обработке на компьютере. Все зависит от того, чего вы хотите: если нет желания связываться с компьютерной обработкой — доверьтесь фотоаппарату, стандартные средства дают довольно приличный результат. Если собираетесь доводить изображение вручную, лучше функцию повышения резкости выключить и выполнить ее самостоятельно в растровом редакторе, подобрав оптимальные параметры вручную. Некоторые аппараты повышают резкость, даже когда соответствующие установки выключены, поэтому целесообразно внимательно исследовать сделанные снимки. Кстати, аппаратная функция повышения резкости иногда приводит к сомнительным результатам, если снимки сохраняются в формате JPEG, в котором сжатие происходит за счет небольших потерь высокочастотной информации, в частности, резких контуров объектов. 4. Учет условий освещения (цветовой баланс). Определение условий съемки в цифровых аппаратах сводится к настройке под так называемую цветовую температуру, обуславливающую цветность, которую приобретают все объекты сцены под действием внешнего освещения. Ошибки приводят к покраснению или посинению лиц на цифровом снимке. И хотя большинство аппаратов имеют алгоритмы автоматического определения цветовой температуры, эта функция по-прежнему остается ахиллесовой пятой современной цифровой фотографии. Автоматика хорошо отрабатывает освещение однотипными источниками, но при комбинированном освещении (дневной или искусственный свет, лампы накаливания, вспышка) она просто беспомощна. Проблема настройки цветового баланса столь велика, что ей будет посвящена отдельная статья. Мы рассмотрели основные установки, определяющие результат в цифровой фотографии, но главная сложность состоит не в том, как правильно их задать, а в том, что делать, если в конечном изображении что-то не так. Естественно, сначала надо понять, в чем проблема, поэтому перейдем к цифровым методам анализа. Анализ гистограммОсновным способом анализа изображений традиционно являются гистограммы. Они активно применяются для определения параметров экспозиции и проведения тоновой коррекции полученных фотографий.  Рис. 2. Общий вид гистограммы Гистограмма — столбчатая диаграмма, отображающая количество пикселей изображения (по вертикали), имеющих заданный уровень яркости (по горизонтали). Поскольку пикселей может быть очень много, гистограмма при отображении обычно нормируется (рис. 2). Для тонкой настройки общей гистограммы яркости 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 соответствующей составляющей. Гистограмма служит источником как количественной, так и качественной информации. Общий ее вид о многом поведает профессионалу. Она может использоваться для анализа тонового характера изображения, определения тоновых дефектов и даже условий съемки. Для удобства описания областей гистограммы диапазон тонов делят на три части (рис. 2): 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. Определение тонового характера изображенияОдна из целей работы с гистограммой — определение тоновых особенностей кадра: общей его тональности, усредненного уровня его светлоты (темной, светлой и средней). 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 (рис. 2). 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.  Рис. 3. Определение тонового характера изображения по гистограмме На рис. 3 приведен пример определения фактического тонового характера по его гистограмме. Судя по положению центра равновесия, обозначенного красным цветом, мы имеем дело со средним по тону изображением со смещением в область теней. Исходя из гистограммы, можно сделать вывод о неэффективном использовании тонового диапазона вследствие недостаточной экспозиции. Но левая часть графика указывает на наличие деталей в теневых участках изображения, а значит, непроработка теней и недостаточный контраст при печати могут быть исправлены средствами тоновой коррекции. Трудно поверить, но все эти выводы были сделаны исключительно по гистограмме. Нужно только знать, как ее интерпретировать. Рассмотрим типичные виды гистограмм. 1. Гистограмма темного изображения. Имеет ярко выраженное смещение тонов в сторону теней (рис. 4). Ей характерен широкий и высокий пик в левой части графика. То есть изображение считается темным, если основная масса пикселей имеет низкие уровни яркости. Но это не означает, что в нем не должно быть пикселей высокой яркости, наоборот, качественный снимок темной тональности чаще всего будет иметь на диаграмме «экспоненциальный» хвост в области ярких значений, медленно сходящий на нет к концу тонового диапазона. Из того, что тоновый характер изображения по гистограмме темный, не следует, что изображение обязательно нужно осветлять: возможно, это его истинная тональность — все зависит от сюжета.  Рис. 4. Классическая гистограмма темного изображения. Красной стрелкой показан экспоненциальный спад в светах. 2. Гистограмма светлого изображения. В некотором смысле светлая картинка (рис. 5) — прямая противоположность темной. В ее гистограмме будет широкий и высокий «холм» в области светов, 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 иметь глубокие тени.  Рис. 5. Гистограмма светлого изображения 3. Гистограмма среднего по тону изображения. Изображение может быть средним по тону либо вследствие того, что большинство пикселей имеют среднюю яркость, либо из-за равного соотношения светлых и темных пикселей в целом. На рис. 6 мы явно имеем дело с первым вариантом. Большинство обычных изображений средние по тону.  Рис. 6. Классическая гистограмма среднего по тону изображения 4. Гистограмма с «проваленными» тенями. Характерная особенность — срез края диаграммы слева в области теней (рис. 7). Такое впечатление, будто часть графика в тенях оторвана. Чувства нас не обманывают: такая гистограмма — свидетельство неверно выбранной экспозиции или неправильно выполненного сканирования.  Рис. 7. Гистограмма с «проваленными» тенями (справа). Нормальное изображение (слева). Современные цифровые камеры хорошо отрабатывают проблему недостаточной экспозиции, так что, возможно, вы не так часто будете сталкиваться с такими дефектами. Значительно чаще такую гистограмму можно получить при сканировании. Если после оцифровки вы видите характерный срез в тенях, то, вероятнее всего, была допущена ошибка при определении точки черного (самого темного тона в изображении), в результате чего были утрачены детали в тенях. Естественно, цифровыми методами детали уже не вернуть, так что лучшим выходом было бы выполнить сканирование заново. Есть только одно оправдание для такой гистограммы — в оригинале изначально могло не быть деталей в этом тоновом диапазоне. Обычно тогда в изображении явственно проступает шум, и оператор может принять решение попросту «провалить» тени, тем самым спрятав дефект. На рис. 7 справа (тени «провалены») явно виден срез. Если посмотреть на область, выделенную белым пунктиром, то вместо складок на одежде в правом изображении мы увидим плоские черные пятна, тени же левого не такие глухие и содержат тоновые переходы. 5. Гистограмма «вылета» в светах. При избыточной экспозиции может возникать гистограмма, показанная на рис. 8. Срез справа в области высоких яркостей свидетельствует об утраченных деталях в светах. Яркая засветка привела к тому, что белые ткани одежды превратились в плоское пятно на изображении. Утрата деталей — худшее, что может случиться с цифровым снимком.  Рис. 8. Гистограмма с «вылетом» в светах 6. Гистограмма изображения с зеркальными бликами. Не удивляйтесь, что во многих ваших снимках есть легкий всплеск в области максимальных яркостей, повторяющий в миниатюре гистограмму со срезом в светах (рис. 9). Это не что иное, как следствие зеркальных бликов на поверхности запечатленных объектов. Зеркальный блик — область очень высокой яркости, возникающая в результате отражения света источника на блестящей поверхности. Зеркальные блики есть практически в любой сцене на стеклянных, металлических, гладких пластиковых объектах. Яркость их настолько велика, что никакие ухищрения не позволяют уместить их в доступный тоновый диапазон, и они естественным образом срезаются в области светов — возникает особый пик, который не следует учитывать при качественном анализе гистограмм.  Рис. 9. Гистограмма с зеркальными бликами 7. Гистограмма изображения с источниками света в кадре. Этот вид во многом похож на гистограмму с зеркальными бликами, с той лишь разницей, что вместо бликов фигурируют сами источники (рис. 10). Как и в предыдущем случае, в области светов есть всплеск, только его размер больше, а сам он несколько шире.  Рис. 10. Гистограмма с источниками света в кадре В большинстве случаев автоматика скверно отрабатывает съемку с источниками в кадре, поэтому здесь следует очень внимательно исследовать результат, особенно в области теней и светов, где возможна непроработка деталей. 8. Гистограмма изображения с узким тоновым диапазоном. При недостаточной экспозиции часто возникают изображения, подобные рис. 11, где доступный тоновый диапазон не используется полностью (остаются значительные области в районе высоких яркостей). Из-за этого снимок выглядит темным, хотя следовало бы ожидать средней тональности.  Рис. 11. Гистограмма изображения с узким тоновым диапазоном Такая гистограмма свидетельствует о возможном недостаточном контрасте, но главное, что происходит чаще всего, такое изображение содержит всю необходимую информацию о деталях (в области теней наблюдается схождение к левому краю). Последующая тоновая коррекция значительно улучшает его вид (рис. 12).  Рис. 12. «Просевшая» гистограмма изображения, обработанного цифровыми методами. Если вы столкнулись с такой гистограммой, то лучше выполнить повторную съемку или сканирование, а если это невозможно, цифровая коррекция — единственный и не худший выход. 9. Гистограмма изображения, обработанного цифровыми методами. Гистограмма на рис. 12 свидетельствует о проведенной коррекции фотографии цифровыми методами. При перераспределении уровней яркости некоторые значения оказываются практически неиспользуемыми, в результате получается «просевшая» (рис. 12) либо «линейчатая» (рис. 13) диаграмма. Всякий раз, сталкиваясь с таким графиком, можете быть уверены — что-то или кто-то изменил исходные данные. Ищите причину. В любом случае такая гистограмма исходного изображения свидетельствует о невысоком качестве оборудования или его драйверов.  Рис. 13 «Линейчатая» гистограмма изображения, обработанного цифровыми методами. 10. Оптимальная гистограмма. Как же все-таки должна выглядеть оптимальная гистограмма фотоизображения? Она должна максимально эффективно использовать тоновый диапазон, плавно спадать до нуля к краям тонового диапазона (срезов ни в светах, ни в тенях быть не должно), быть относительно плавной, без разрывов. И главное, чтобы тоновый характер, определенный по гистограмме, отвечал ожидаемой тональности изображения. На рис. 14 представлена фотография, отвечающая всем этим критериям. Кроме того, она имеет два массивных пика: один в тенях (ему отвечает объект), а другой в светах (фон). Изображения, у которых различным частям сцены можно сопоставить определенные пики на гистограмме, как правило, обладают более сильным контрастом, что в определенном смысле — полезное свойство.  Рис 14. Изображение с оптимальной гистограммой Еще раз напомню, что главное в оптимальном снимке — эффективное использование всеми каналами доступного тонового диапазона и отсутствие срезов и вылетов на краях, что гарантирует сохранение всех деталей сцены. Мы рассмотрели основные виды гистограмм цифровых фотоизображений. Надеюсь, что эти сведения помогут вам разобраться хотя бы с частью проблем современной цифровой фотографии. Проанализируйте свои старые снимки, и вы сможете сделать еще один, а то и два шага вперед. Профессионализм — это стабильность достижения результата. Для начала научитесь оценивать свою работу. Ну а что делать, если тоновый характер изображения не соответствует ожиданиям, как убрать цветовой сдвиг, какие инструменты тоновой коррекции и когда необходимо использовать, что делать с шумами в каналах, как удалить эффект красных глаз, как бороться с дисторсией — все это мы обсудим в следующий раз. Удачных вам снимков! Автор приглашает к сотрудничеству специалистов и всех заинтересованных. Если у вас есть наболевшие вопросы по обработке цифровых изображений, вы можете задать их по адресу alexm@avalon.ru или на конференции сайта www.publish.ru. Об авторе: Александр Миловский — преподаватель по специальности «ПО Дизайна» факультета переподготовки специалистов Санкт-Петербургского государственного технического университета. --- Хороший тон?В русском языке слово «тон» имеет несколько значений. С одной стороны существует понятие тона как тональности (светлоты, яркости) изображения, а с другой понятие цветового тона как основного свойства цвета — параметра цветовой модели, например, HSB. Для первого случая в английском языке используется слово tone, для второго — hue. Таким образом, тоновая коррекция (tonal adjustment) — это операция воздействия на уровни яркости изображения. Если вас смущает слово «тон», мысленно замените его словом «яркость» — это не будет большой ошибкой, зато поможет в понимании терминологии. Статьи по теме:
Автор: Александр Миловский |
|
 |
 |
2000-2008 г. Все авторские права соблюдены. |
|
 |
|
