Обработка изображений в цифровой фотографии. Анализ гистограмм
Основным 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 (be0a2f), 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 изображения
Одна 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!
