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 тд.). 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 камеры

предлагают 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 тд. На этом этапе традиционно применяются различные пакеты растровой графики (АdоЬе 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 обычно нормируется. 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.
Дтя 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, mid tones).
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.

Гистограмма цифрового изображения.

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 «экспоненциальный» 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.

Гистограмма темного изображения.

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.

Гистограмма светлого изображения.

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.

Гистограмма среднего по тону изображения.

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 к 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 фоте снимок еще раз.

Гистограмма с "проваленными" тенями.

5. Гистограмма «вылета» в светах. Мы можем столкнуться с противоположной проблемой, которая возникает при избыточной экспозиции. Соответствующая гистограмма приведена на рис. Срез справа в области высоких яркостей свидетельствует об утраченных деталях в светах. Утрата деталей — худшее, что может случиться с цифровым снимком.

Гистограмма "вылета" в светах.

6. Гистограммы изображений с зеркальными бликам и источниками света в кадре. Не удивляйтесь, что во многих ваших снимках есть легкий всплеск в области максимальных яркостей, повторяющий в миниатюре гистограмму со срезом в светах. Это следствие зеркальных бликов на поверхности запечатленных объектов. Такой же эффект дают и фотоизображения источников света. Только в последнем случае размер всплеска больше, а сам он несколько шире. 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 поместить их в доступный тоновый диапазон, и они естественным образом срезаются в области светов — возникает особый пик, который не следует учитывать при качественном анализе гистограмм. Что касается источников света в кадре, то в подавляющем большинстве случаев автоматика неверно отрабатывает эту ситуацию, поэтому именно здесь необходимо уделять большое внимание дополнительной проработке деталей в области тени и света.

Гистограмма изображении с зеркальными бликами.

7. Гистограмма изображения с узким тоновым диапазоном. При недостаточной экспозиции часто возникают изображения, подобные приведенному на рис., 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. Такая гистограмма свидетельствует о возможном недостаточном контрасте, но 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.
Если вы столкнулись с такой гистограммой, то лучше выполнить повторную съемку или сканирование, а если это невозможно, цифровая коррекция — единственный и не худший выход.

Гистограмма изображения с узким тоновым диапазоном.

8. Гистограмма изображения, обработанного цифровыми методами. Гистограмма (внизу слева) свидетельствует о проведенной коррекции фотографии цифровыми методами. При перераспределении уровней яркости некоторые значения оказываются практически неиспользованными, в результате получается «просевшая» либо «линейчатая» 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.

Гистограмма изображения, обработанного цифровыми методами.

9. Оптимальная гистограмма. Как же все-таки должна выглядеть оптимальная гистограмма фотоизображения?
Она должна с максимальной эффективностью использовать тоновый диапазон, плавно спадать до нуля к краям тонового диапазона (срезов ни в светах, ни в тенях был. не должно), быть относительно плавной, без разрывов. И главное, тоновый характер, определенный по гистограмме, должен отвечать ожидаемой тональности изображения. На этом рисунке представлена фотография, соответствующая 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 полезно.

Оптимальная гистограмма.

Оптимальный снимок

Еще раз напомню: чтобы получить оптимальный снимок, надо эффективно использовать всем каналы доступного тонового диапазона и отсутствие срезов и вылетов на краях, что гарантирует сохранение всех деталей сцены.
Все вышеперечисленное касается основ работы с фотоизображениями. Не научившись читать и понимать гистограмму изображения нельзя, получить качественные распечатки своих фотографий Однако ниже мы приводим ряд более простых советов, которые помогут вам получить отпечатки — никогда не записывать результаты работы в формате JPEG. При каждом сохранении алгоритмы сжатия, входящие в состав этого формата, необратимо модифицируют изображение и после десятка подобных операций артефакты JPEG могут стать еще более заметными. Поэтому промежуточные результаты редактирования лучше сохранять в формате Adobe Photoshop, а итоговое изображение — в формате TIFF.

Если вы открыли в редакторе ваше изображение, обнаружили какие-то из описанных нами отклонений от идеальной гистограммы и пришли к выводу о необходимости его коррекции, но с тонкими настройками Photoshop незнакомы, то в этом случае воспользуйтесь командой автоматической коррекции. Для этого в разделе Image (Изображение) главного меню необходимо указать пункт Adjust (Настройки) и из появившегося списка выбрать команду AutoLevels (Автоуровни).

Строка меню, (впивающая диалоговое окно AutoLevels (автоурони) в графическом редактoрe Photoshop.

Самый простой способ ручной коррекции — регулировка яркости и контрастности. Диалоговое окно, в котором можно осуществить изменение этих величин, вызывается командой Brightnes/ Contrast (Яркость/Контрастность). Она находится в том же списке, что и команда AutoLevels (Автоуровни). Но при этом следует помнить, что применение команды модифицирует все изображение, поэтому, например, попытавшись добавить яркости теням, вы рискуете испортить светлые участки кадра.
Для более тонкой настройки этих параметров воспользуйтесь командой Levels (Уровни) из того же списка. Здесь по горизонтальной оси гистограммы откладывается шкала яркости. На самом левом ее краю находится белая точка, на самом правом — черная, а в середине помещаются оттенки серого цвета. Для RGВ-изображения работу с уровнями проще и лучше всего вести в совмещеином RGB-канале.

Установка яркости и контрастности  в специально предназначенном для этого диалоговом окне программы Photoshop.

Вертикальная ось гистограммы соответствует количеству пикселей. Самая нижняя точка соответствует нулю — то есть полному отсутствию пикселей такой яркости. Самая верхняя точка соответствует максимальному количеству пикселей. В диалоговом окне Levels есть также две специальные шкалы. Одна — для входящих уровней (Input), она используется для регулирования яркости и усиления контрастности. Вторая — для уровней на выходе (Output) — применяется для ослабления контрастности. Сразу под гистограммой находятся три движка входящих уровней: белый справа, черный слева и серый посередине. На шкале уровней на выходе находятся только черный и белый движки.

Окно "Уровни" предоставляет необходимый набор средств для непосредственной работы с гистограммой изображения.

В снимке с низкой контрастностью пиксели оказываются сгруппированными в центре гистограммы, обычно в достаточно узкой области. Черные и белые пиксели в изображении отсутствуют, что придает последнему мутный, тусклый и скучный вид. Гистограмма будет иметь одну и ту же характерную форму как для черно-белых, так и для цветных снимков. Чтобы устранить эту проблему, поступите следующим образом. Убедитесь, что в изображении, с которым вы работаете, ничего не выделено, а затем передвиньте белый движок к основанию «холма» гистограммы справа и такой же черный движок — слева. Здесь каждое, пусть даже едва заметное, движение достаточно сильно влияет на внешний вид снимка. Обратите внимание на результат своей работы. Черный «холм» растянулся к краям гистограммы и фотография выглядит более эффектно. Но внимательно следите за тем, чтобы коррекция не была чрезмерной. Иначе в теле гистограммы образуются вертикальные белые полосы и само изображение станет похожим на нарисованный плакат.
В высококонтрастных изображениях пиксели обычно образуют два пика по краям гистограммы. Изображения с чрезмерной контрастностью, большинство пикселей в которых смешены к правой или к левой границам шкалы яркости, оставляя при этом середину диапазона практически пустой, очень тяжело обрабатывать, а еще тяжелее правильно распечатать. Для решения этой проблемы воспользуйтесь шкалой Output, сместив треугольные движки к центру. Эго превратит исходные черные пиксели в темно-серые, а исходные белые — в светло-серые. Следите за тем, чтобы сдвиг был небольшим. Теперь фотография имеет более мягкий контрастный диапазон и с нее легче получить отпечаток.

Изображение и его гистограмма до проведения тоновой коррекции

Изображение и его гистограмма после проведения тоновой коррекции

Для того чтобы осветлить изображение, в окне Levels смешайте средний серый полутоновый движок шкалы Input до тех пор, пока изображение не станет достаточно ярким. Это не изменяет черную и белую точки снимка. Чтобы затемнить изображение, смещайте этот же движок влево, и изображение потемнеет и потеряет свой размытый вид. Задумывались ли вы, почему часто приходится осветлять изображения, но редко затемнять? Для глаза важны детали: если их не видно или они плохо различимы, то возникает ощущение дискомфорта. Избыточное же осветление может приводить к неестественному контрасту, но элементы фотографии будут хорошо различимы. Поэтому зритель благосклонно воспримет небольшой перебор по свету, в отличие от его недостатка. Вывод: не бойтесь перестараться с осветлением. Весьма удобным и наглядным инструментом, позволяющим по раздельности регулировать как тени, так и светлые участки кадра, является команда Curves (Image - Adjust - Curves) (Изображение - Настройки - Кривые). Она представляет освещенность снимка в виде графика — наклонной прямой. Если «приподнять» левый нижний край этого графика, тени изображения станут светлее, а если «опустить» правый верхний уменьшится яркость светлых участков кадра. С помощью этой команды можно также скорректировать погрешности, допущенные при балансе белого. Для этого в поле Channels необходимо выбрать цветовой канал (красный, синий или зеленый) и отрегулировать его насыщенность. Альтернативный метод — воспользоваться командой Color Balance, в которой регулировка цветового баланса осуществляется не в виде графика, а с помощью чистовых значений (рис. 306). При этом в секции Tone Balance (Баланс тона) следует выбрать, какие именно части кадра корректируются (в случае теней это Shadows (Тени), если имеются в виду участки со средней освещенностью, то это Midtones (Средние тона), если речь идет о светлых участках, то выбрать следует Highlites (Высоты)). Флажок Preserve Luminosity (Сохранение яркости) говорит о том, что яркость будет сохранена без изменений. Если его отключить и насыщенность всех трех цветовых каналов изменять одинаково, то тем самым можно регулировать освещенность, а не цвет, отдельных частей изображения.

Диалоговое окно "Кривые" в графическом редакторе Adobe Photoshop.

Диалоговое окно  "Баланс цвета", с помощью которого производится регулировка цветного изображения.

Все вышеперечисленное является лишь малой частью того объема возможностей, которые фирма Adobe заложила в свое детище. Но для непрофессионала на первых шагах лучше всего воспользоваться командой Variations, сочетающей в себе все основные функции по коррекции кадра. Пользователь может одновременно модифицировать как яркость различных по освещенности участков кадра, так и цветовой баланс. Для управления цветовой насыщенностью кадра следует всего лишь выбрать пункт Saturation и довести его хотя бы до черно-белого изображения. Шкала Fine-Coarse (гладко-грубо) позволяет выбрать тонкую и грубую регулировку.

Тонкая и грубая регулировка изображения с помощью шкалы Fine-Coarse.

И поскольку уже была затронута тема черно-белых фотографий, опишем метод, позволяющий наиболее правильно перевести цветную фотографию в этот разряд. Откройте вкладку Channels и вызовите красный, зеленый и синий каналы, чтобы посмотреть, как изображения в них отличаются друг от друга. Если ваш кадр был снят с помощью цифровой камеры, то здесь скорее всего была Байеровская схема получения цвета, при которой 25% пикселей приходятся на синий канал, 25% на красный и 50% на зеленый. Таким образом, зеленый канал кадра подвергнется наименьшим искажениям при многочисленных преобразованиях изображения в фотоаппарате и на компьютере. Поэтому самая богатая тональная гамма будет у зеленого, а красный слой окажется самым светлым. Выберите красный канал и откройте окно Levels. Теперь представьте, что снимок состоит только из оттенков красного, и передвижением только этого ползунка постарайтесь найти оптимальное качество картинки. Ту же самую процедуру следует проделать с синим и зеленым каналами. Затем вернитесь к полному изображению каналов и выберите Image - Mode - Grayscale. На вопрос «Discard color information?» ответьте Ок  и тем самым получите черно-белое изображение хорошего качества.

Процесс перевода цветного изображения в черно-белое.