Баланс білого у цифрових камер: проблеми і проблеми

1. Теорія: cпектральная чутливість сенсорів
2. Інструментарій: Rawanalyze
3. Практика: баланс білого при денному освітленні
4. Практика: докладний опис проблем
5. Шум в червоному каналі
6. Кліппінг, невидимий на камерної гистограмме
7. Більш холодне освітлення
8. лампи розжарювання
9. Це змова? Нас кидають?
10. Як жити далі?

Сучасні цифрові камери дали фотографу прекрасні засоби миттєвої послекадровой діагностики:

• Знятий кадр можна подивитися на екранчику камери.
• Камера люб'язно покаже гистограмму (яркостную, а для більшості хороших сучасних камер - і поканально).
• Не менш люб'язно будуть підсвічені перетримані і недоекспоновані ділянки.

Прийнято вважати, що ці діагностичні засоби - хороші і дійсно дозволяють оцінити помилку експозиції, Пересвет, недосвет і інші проблеми.

Насправді, це звичайно все не так:

1. Одноканальна гістограма в кращому випадку обчислюється за формулою яскравості (лінійної комбінацією RGB, причому ваги R і B невеликі, тому Пересвет в цих каналах на гістограмі швидше за все буде не видно), а в гіршому - це просто гістограма по зеленому каналу. В обох випадках вона не дає можливості діагностувати Пересвет в одному з каналів.
2. Всі засоби діагностики: миготливі області помилковою експозиції, гістограма (в тому числі, Поканальная гістограма), та й сама показується картинка схильні до впливу встановленого в камері балансу білого.

Проілюструю останнє твердження. Три послідовних кадру з одним і тим же сюжетом (кут моєї кімнати, освітлення 5000K) але з різними настройками балансу білого з точки зору камери виглядають так, як показано на малюнку зліва (баланс білого: 10000K, автомат, лампа розжарювання).

Як ми бачимо, відрізняється і гістограма і загальний вигляд картинки (наскільки його можна розгледіти), хоча в RAW-даних зображення практично (наскільки це можливо при зйомці з рук) однакові.

Ця особливість цифрових камер робить вбудовані засоби діагностики марними без спеціальної їх налаштування, що я намагаюся обгрунтувати нижче. Все що написано далі не відноситься до фотографів, що знімають в JPEG, для них камера відображає фінальний результат і гістограма, превью і області пересвета - реальні (все що ні влізло - вже вбито JPEG-конверсією). Якщо ж ви знімаєте в RAW і орієнтовані на максимальне використання можливостей камери, то подальший текст - для вас.

Все камерні гістограми в цьому тексті зроблені на камері Canon 1D mk III зі стандартними настройками контрасту і колірним простором встановленим в Adobe RGB.

Теорія: cпектральная чутливість сенсорів

Якщо подивитися на криві спектральної чутливості сенсора сучасної цифрової камери (їх мало хто публікує, але можна знайти дані для Kodak , Dalsa і навіть для Sony ). На зображенні зліва наведені криві квантової ефективності з документації на Kodak KAF-10500 (використовується в Leica M8). Сенсори різних камер мають різні криві чутливості, вони залежить як від складу напівпровідника сенсора, так і від спектрів пропускання застосованих байеровскіх фільтрів.

Уявімо собі, що ми знімаємо сіру карту при якомусь фіксованому висвітленні. Поканально відгук буде твором спектра освітлювача і чутливості (якщо бути зовсім точним, то інтегралом по довжині хвилі від синього до червоного).

Інструментарій: Rawanalyze

Для отримання картинок без накладеного балансу білого зазвичай використовують dcraw -r 1 1 1 1, однак значення пікселів в отриманому результаті буде смасштабіровани, що ускладнює інтерпретацію результатів.

Значно краще дану проблему вирішує програма Rawnalyze , Яка дозволяє подивитися RAW as is, гістограми, погратися з балансом білого і так далі. Гістограми там отрісовиваємих неідеально (лінійний масштаб по горизонталі), що робиться з рівнем чорного - просто неясно, але це засіб - краще на сьогоднішній день

Rawnalyze дуже любить впасти на ряді операцій (робота з виділенням), це лікується шляхом роботи в максимізувати вікні (автор знає про проблему і начебто в останніх версіях її вирішив).

Крім Rawnalyze будемо використовувати фотографії гістограм, які показує камера на задній стінці. Це та інформація, яка доступна нам в процесі зйомки.

Практика: баланс білого при денному освітленні

Найпростіший спосіб оцінити розмір проблеми - це зняти сіру карту (або просто білий аркуш паперу, краще без відбілювача) на сонячному світлі і подивитися на гістограму. Для експокоррекциі +2 (заганяємо сіру карту в 3-ю зону замість 5-й) і автобалансу білого, камера показує нам гістограму, наведену на зображенні зліва.

Все очікувано: вузькі піки в кожному з каналів, практично точно збалансовані. Колірна температура визначилася камерою як 5200K, що для московського весняного полудня і запиленого повітря більш-менш нормально. Гістограма, яку нам показує Adobe ACR (або будь-який інший стандартний конвертор) практично така ж.

Піки на гістограмі неідеальні, яскравість по полю все-таки досить сильно відрізняється, причин цьому декілька

• складно забезпечити повну рівномірність освітлення навіть за допомогою сонця: є відображення від стін, стель і інших предметів
• об'єктив, навіть хороший, все-таки віньетірует (дані кадри знімалися Canon 85 / 1.8 на f / 8)
• камера теж віньетірует: чим гостріше кут падіння променів на матрицю (а він гостріше до країв кадру), тим менше response

Давайте тепер подивимося на реальні дані, прямо в RAW (картинка зліва). Як ми бачимо, найкраще проекспонованим зелений канал, найгірше - червоний, а синій - посередині. Нічого цього не видно ні на камерної RGB-гістограмі, ні в RAW-конверторі, вони цю "помилку" виправляють за нас.

Практика: докладний опис проблем

На практиці ми маємо дві проблеми прямо при денному освітленні:

• Погана опрацювання червоного каналу (щодо зеленого), в меншій мірі це відноситься до синього.
• Кліппінг в зеленому каналі, який не буде видно засобами камери.

Обидві проблеми досить легко проілюструвати, камери цифрові, проявлення чекати не треба.

Шум в червоному каналі

Знімемо той же аркуш паперу, але з експокорекцією -3 (від среднесерого), це зона півтіней. Після цього злегка растянем канали, рівно це ми робимо, коли "тягнемо тіні". Дивимося що виходить по каналах на зображенні зліва (картинка піддана sharpen). Як ми бачимо, червоний канал (ліворуч) кардинально гірше зеленого (праворуч). Що, власне, не дивно, адже червоний канал недодержання нема на три, а на чотири стопа. Звичайно, щоб побачити різницю на сірій шкалі потрібна була досить сильна корекція, але при більш слабкому червоному каналі різниця буде ще більш відчутною.

Рівень шумів в каналах заздрості від способу обчислення балансу білого, округлений в конверторі, типу інтерполяції. Детально ця тема розглянута в окремій статті .

На жаль, ніякого легкого способу корекції цієї проблеми немає. Чутливість каналів можна збалансувати або фільтром на об'єктиві (для даної камери - фільтром Magenta CC30M), або таким же фільтром на освітлювачі (спалаху), але це все можна робити тільки при надлишку світла. Результат від застосування такого фільтра показаний в наступній статті .

Кліппінг, невидимий на камерної гистограмме

Раз камера виправляє гистограмму, цілком можлива ситуація, коли в RAW є клиппинг по одному з каналів, а камерна гістограма цього не показує. Власне, якщо знімати так, щоб гістограма притискалася до правого краю (ETTR: expose to the right), то клиппинг буде швидше нормою, ніж винятком. На зображенні праворуч показаний звичайний міський пейзаж, освітлений сонцем збоку. На фотографії задньої стінки камери кадр видно погано, тому кадр наведено окремо. З точки зору камери, гістограма хороша, ніякого пересвета немає (картинка праворуч).

Однак насправді зелений канал обрізаний, а червоний канал недодержання на щабель, що видно по гістограмі RAW-даних зліва.

Якщо поміняти настройки балансу білого або контрасту на камері, то показується гістограма теж зміниться (це ми обговорювали вище), хоча самі RAW-дані залишаться тими ж самими.

Таким чином, навіть триканальна камерна гістограма не дає реальної інформації про характер експонування каналів: недодержка або перетримці.

На відміну від самого факту недодержка / перетримки, боротися з неправильним інформування фотографа можна, налаштовуючи камеру.

Більш холодне освітлення

При більш холодному освітленні нічого принципово не змінюється. C точки зору камери, синій канал більш експонований (картинка зліва), а насправді ступінь його опрацювання менше ніж у зеленого каналу (картинка праворуч). Якщо білий баланс камери встановлено по реального висвітлення, а не в Auto (або, як часто роблять, в сонячне світло), то показання камери ще більше розійдуться з реальністю. Ширші піки на гистограммах пояснюються тим, що забезпечити в тіні таку ж рівномірність освітлення, як і на прямому сонці, не вдалося.

Власне, нічого принципово не змінилося, та й не повинно було: гістограма, який показується камерою різко відрізняється від реальності.

лампи розжарювання

У випадку з лампами розжарювання ми маємо зворотну картину: камера може показати Пересвет, хоча його насправді немає. В якості піддослідного об'єкта я взяв червону ляльку, яка лежала на білій табуретці і все це - під 60-ватної лампочкою (картинка зліва). Температура світла 3200K на думку камери і 2800К на думку Adobe ACR. Гістограма на камері (картинка праворуч) показує сильний Пересвет, зверніть увагу на дві речі: експокоррекция +2, чорний ореол навколо ляльки - це блимає то, що камера порахувала Пересвіту.

Реальна ж гістограма RAW-даних показує, що ніякого пересвета немає, є запас ще десь в полстопа і це незважаючи на корекцію +2.

По всій видимості, одна з причин отримання стійко поганих кадрів при штучному освітленні - це банальна недодержка. Якщо експонувати так, як рекомендував камерний завмер - це, для даного прикладу, на 2-2.3 стопа менше реально потрібної експозиції (і, як наслідок, здорово зіпсована картинка).

Це змова? Нас кидають?

На відміну від плівкових камер, спектральна чутливість сенсора визначається на заводі. Виробники камер змушені задати поканально чутливість таким чином, щоб і на денному світлі і при світлі лампи розжарювання виходив би не дуже поганий результат. У цьому сенсі, завищення чутливості зеленого - вимушений вибір, що дозволяє отримати розумні кольору людського обличчя при штучному освітленні (це додатковий колір, його мало і якщо там ще буде суцільний шум за рахунок недодержка - буде зовсім погано). Поважаючий себе фотограф, втім, зобов'язаний коригувати цю особливість при зйомках при денному світлі. Preview теж бажано робити таким, яким буде кадр після застосування балансу білого. Особливо з урахуванням функцій "друк прямо з камери" (або "друк всіх відібраних на карті").

Ситуація з гістограмами складніше. З одного боку, розумно, коли гістограма на камері і гістограма в RAW-конверторі - схожі. З іншого, фотографа звичайно має цікавити реальний стан речей в RAW-файлі. Правда друге фотографів (яких цікавить) - меншість і їм доступний нескладний спосіб обдурити камеру. Як наслідок, виробники вибрали шлях, що влаштовує більшість.

Як жити далі?

Про всяк випадок нагадаю, що проблем у нас дві:

1. Діагностичні засоби камери проводять діагностику з урахуванням установок балансу білого, хоча для зйомки в RAW це не потрібно.
2. Поканально розбаланс чутливості, що призводить до зайвого шуму в слабких каналах.

Перша проблема легко лікується такими установками камери, коли поканальні коефіцієнти балансу білого рівні (або практично рівні) один одному. Це називається UniWB, простий метод настройки камери буде присвячена наступна стаття.

Друга проблема лікується або коригуючими фільтрами на об'єктиві, або ними ж на джерелі світла. Звичайно, цей метод можна застосовувати тільки при надлишку світла. Демонстрації користі таких фільтрів при денному світлі присвячена окрема стаття .