О RAW-формате и балансе белого

23.09.09 | pell | 184 комментария

Широко известен популярный довод в пользу съёмки в RAW-формате: «Снимай в RAW, исправишь баланс белого задним числом!» В данной статье аргументируется это высказывание и демонстрируются незамысловатые приёмы умелого использования технических средств, позволяющих воспользоваться некоторыми преимуществами съёмки в RAW.


Что нужно знать о зрении

Зрительный аппарат человека возник не на пустом месте — в его устройстве сконцентрирован опыт многих тысячелетий эволюции. Наше зрение развивалось в непростых условиях — кроме суточных колебаний освещённости от «темно» до «светло» меняется и спектральный состав освещения от тёплого красного у костра до холодного голубого в тени в солнечный день.

Изменение освещения предъявляет жёсткие требования к зрению. В самом деле, наш далёкий пращур наблюдал по большей части свет, отражённый от земли и травы, стволов деревьев и листвы, плодов и ягод, мамонтов и кузнечиков, и т.д. Суточные или погодные вариации освещения изменяют и свет, отражённый от различных поверхностей. А человеку для выживания надо получить информацию о именно наблюдаемом предмете, сведения, «очищенные» от колебаний освещения — было бы обидно перепутать из-за смены времени суток смородину с волчьей ягодой. Не сказать, что смертная эта обида продлится долго, но приятного всё равно мало.

Чтобы не вляпываться каждый раз в неприятное, природа снабдила наше зрение механизмами, позволяющими видеть предметы одинаково в различных условиях освещения.

Любознательный читатель может получить дополнительные подробности в открытых источниках, поиск по ключевым словам «color constancy».


Что нужно знать о RAW-формате и JPEG

При съёмке в RAW-формат цифровой фотоаппарат — это измерительный прибор. Как линейка или весы, только другой и более сложный.

Свет, отражаемый и излучаемый фотографируемыми объектами, собирается объективом и проецируется на сенсор, состоящий из множества светочувствительных элементов — сенселей (от англ. sensel — sensor element, элемент сенсора). Каждый сенсель под воздействием света накапливает электрический заряд. Чем больше света попало на сенсель за время выдержки, тем больший заряд накоплен. Величина этого заряда и записывается в RAW-файл.

Для того, чтобы сделать цифровую камеру цветной, над каждым сенселем расположен светофильтр одного из трёх основных цветов — красный, зелёный или синий (RGB от англ. Red — красный, Green — зелёный и Blue — синий). Таким образом, одни сенсели «видят» картинку в зелёном свете, другие в красном, третьи — в синем. Сведя эти данные воедино, можно узнать, сколько зелёного, красного и синего света упало на ту или иную часть сенсора.

Примечание для любознательных. Дополнительные подробности о цифровых сенсорах можно получить в открытых источниках, поиск по ключевым словам «фильтр Байера». Существует также и принципиально другой тип сенсора без цветных светофильтров, поиск по ключевым словам «foveon x3».

Изображение, выводимое на монитор, состоит из пикселов (от англ. pixel — picture element, элемент изображения). Цвет каждого пиксела описывается цветовыми RGB-компонентами — красная, зелёная и синяя.

Важно различать RGB-компоненты изображения и RAW-RGB-величины. Первое — это «рецепт» воспроизведения цвета монитором, второе — результат измерения пропущенного через светофильтры света. Это величины различной физической природы. Прибегая к аналогии, можно сравнить RAW-RGB-величины с удлинением упругого элемента пружинных весов, а RGB-компоненты изображения — с комплектом гирек, потребным для набора заданной наперёд массы.

Примечание для любознательных. RAW RGB никогда не может совпадать с RGB-пространством устройства воспроизведения. Это не ограничение технологии цветовоспроизведения аддитивным RGB-синтезом, но свойства зрительного аппарата человека. Невозможно сделать камеру, не нуждающуюся в преобразовании RAW-RGB-данных для точного цветовоспроизведения.

RAW-файл содержит RAW-RGB-величины. JPEG — (кодированные специальным алгоритмом) RGB-компоненты изображения. RAW-файл содержит результаты измерения падающего на сенсор света. JPEG — «рецепт» воспроизведения изображения. В этом ключевое отличие RAW-формата от JPEG.


Рецепт приготовления JPEG’а из RAW

Наше зрение компенсирует изменения освещения, сенсор камеры такой возможностью не обладает — RAW-RGB-величины измеряются единообразно вне зависимости от освещения, давления, стоимости барреля зелёных попугайчиков на валютно-фондовой бирже Сингапура и прочих факторов. В числе прочего это означает, что один и тот же предмет, снятый в различных условиях, может описываться разными RAW-RGB-значениями — если поменялось освещение, то изменится и отражённый от предмета свет. Может некрасиво получится, если не предпринять никаких действий — снимали одно и то же, а цвет на фотографиях разный.

Специально для исправления этого несоответствия работы цифрового фотоаппарата нашему зрению придумана операция балансировки белого (или серого), называемая часто ББ (аббрев. от «баланс белого») или WB (от англ. «white balance»). Как наше зрение компенсирует изменение освещения, приводя воспринимаемый цвет объекта к некоторой постоянной величине, так и ББ изменяет цветовые компоненты пикселов, приводя их к стандартному освещению. Вкратце алгоритм работы ББ таков — RAW-RGB-значения преобразуются в значения, которые были бы измерены, если бы сюжет был освещён светом, соответствующим стандартным условиям наблюдения.

Примечание для любознательных. Существуют и другие методы компенсации изменения освещения, например, конверсионные светофильтры. Одним из преимуществ цифровой фотографии является возможность отказа от их использования.

Понимание механизма ББ столь важно для цифрового фотографа, что автор считает необходимым дать дополнительные пояснения. Допустим, вам нужно сфотографировать некий предмет. Если у вас есть возможность поместить его в стандартное освещение, то вы сразу получите RAW-RGB-величины, характеризующие оттенок предмета при его наблюдении в стандартных условиях. Если же вы снимаете при другом освещении (а это почти всегда так), то камера измерит другие RAW-R’G’B’ величины. Алгоритм ББ по данным характеристикам освещения и RAW-R’G’B’-величинам восстанавливает RAW-RGB-величины, как будто вы снимали в стандартном свете. Почти магия — поменять лампочки после съёмки!

Примечание для любознательных. В настоящее время de facto стандартное освещение — это источник CIE D50, эмулирующий дневной солнечный свет. Дополнительные сведения доступны в открытых источниках, поиск по ключевым словам «standard illuminant».

Стоит отдельно остановиться на двух вопросах: откуда пошло название «баланс белого» и каким образом задаются характеристики освещения, необходимые для работы алгоритма ББ. Ответ можно дать одновременно, освещение — это и есть белый цвет: адаптированный на источник освещения глаз воспринимает его (источник) белым. Соответственно, алгоритм ББ приводит заданный цвет — цвет освещения — к стандартному белому. Иными словами, балансирует соотношения RAW-RGB-величин так, чтобы результат балансировки для RAW-RGB-величин, отвечающих белому при съёмке, совпадал с RAW-RGB-величинами, отвечающими стандартному белому свету. А характеристики освещения, как легко догадаться, — это цвет источника освещения или, что то же самое, описание белого цвета в условиях съёмки.

Примечание для любознательных. Следует отметить, что в общем случае сформулированная выше задача компенсации изменения освещения неразрешима. Нас спасает то, что мир устроен по большей части одинаково, характеристики окружающих нас предметов за редкими исключениями схожи. Потому алгорим ББ даёт достаточную для практических применений точность.

Существует несколько способов задать цвет освещения, основные:
• задать вручную цветовую температуру и tint источника света;
• сфотографировать объект того же цвета, что и освещение;
• автоматические алгоритмы, вычисляющие ББ по данным снимка;
• предустановленные значения из некоторого набора (например, «солнечно», «пасмурно», «тень», «лампы дневного света», «лампы накаливания», «вспышка» и т.п.)

После балансировки белого производится преобразование перебалансированных RAW-RGB-величин в RGB-компоненты изображения. RAW-конвертеры и камеры делают это по-разному, используя различные алгоритмы.

Примечание для любознательных — все камеры снимают в RAW, а потом преобразуют RAW в JPEG. Или не преобразуют, в зависимости от настроек и ПО камеры. В некоторых камерах не предусмотрена запись RAW данных на карту памяти, это программное ограничение.

Итак, вот рецепт приготовления JPEG’а из RAW:
• сначала балансировкой белого освещение задним числом приводится к стандартному;
• потом перебалансированные RAW-RGB-данные конвертируются в RGB-компоненты изображения;
• JPEG-сжатие.

Аналогичный (кроме последнего пункта) рецепт применяется и при конвертации RAW в TIFF и иные форматы.


Автоматизированное управление ББ

Итак, для успешной конвертации RAW следует предъявить как собственно RAW-данные, так и описание источника освещения — баланс белого. Откуда добывать первое, знает каждый владелец поддерживающей RAW-формат цифровой камеры, не поленившийся внимательно ознакомиться с инструкцией. А вот со вторым пунктом списка подчас возникают проблемы — автомат не всегда корректно определяет ББ, и лица знакомых окрашиваются в разноцветные оттенки красивых синюшных и желтушных тонов. Вот только убедить моделей в красоте психоделических оттенков не всегда удаётся. Чтобы порадовать далёкого от высокой духовности друга, придётся решать задачу возможно более точного цветовоспроизведения. И в этом нам поможет ряд технических спецсредств, как то:
• автоматическое вычисление ББ (Auto WB);
• предустановленные значения ББ;
• серая карта (или дешёвый её заменитель);
• эксподиск (или дешёвый его заменитель);
• цветовая мишень;
• колорметр.

Средства эти отличаются как стоимостью и доступностью, так и типичными сценариями использования. Ловкий фотограф владеет различными техсредствами и умело применяет их согласно обстановке, а при необходимости и изготавливает заменитель из подручных материалов. Ниже рассмотрены основные принадлежности для автоматизации вычисления ББ — серая карта и эксподиск, а также приводятся основные сведения о более продвинутых техниках управления цветом — цветовых мишенях и колорметре.


Автоматическое вычисление ББ (Auto WB)

Как показывает практика, в дневном свете автоматическое вычисление ББ зачастую даёт неплохой результат. При искусственном освещение картина далеко не столь радужная. Изучите особенности работы автоматики ваших камер, чтобы знать, когда можно использовать Auto WB.


Предустановленные значения ББ

Современные камеры, как правило, предоставляют выбор предустановленных значений WB. Типичный набор обычно включает:
• Daylight — дневной свет, солнечный день;
• Cloudy — облачно, дневной свет в облачную погоду;
• Shadow — тень, дневной рассеянный свет в глубокой тени (например, от здания);
• Tungsten — лампы накаливания;
• Fluorescent — лампы дневного света;
• Flash — фотовспышка.

Следует изучить применимость этих предустановок и применять их согласно условиям съёмки. Ещё раз повторю мысль о необходимости вдумчивого изучения инструкции и освоения функций фотоаппарата.


Серая карта

Серая карта — это лист специального материала со специально подобранной отражающей способностью. Правильная серая карта отражает 18% падающего света. Важный момент — серая карта отражает 18% любого света во всём воспринимаемом глазом спектральном диапазоне. Если выполнено последнее условие, то спектральный состав падающего на карту и отражённого света одинаков, отличаются только интенсивности. Таким образом, серая карта всегда того же цвета, что и освещение. Собственно, это и есть решение задачи измерения ББ — сфотографируй серую карту, получишь RAW-RGB-данные того, что глаз воспринимает белым, т.е. описание белого цвета в условиях съёмки.

Примечание для любознательных. То, что серая карта отражает именно 18% света, полезно для замера экспозиции — выдержки и диафрагмы. Дополнительные сведения можно получить в открытых источниках, поиск по ключевому слову «экспонометрия».

Правильные серые карты делает фирма X-Rite, а продаются они в правильном нью-йоркском магазине B&H.

Краткая инструкция по применению:
• использовать точечный (spot) или частичный (partial) экспозамер;
• ручная фокусировка, чуть расфокусировать;
• минимальное ISO;
• положить карту так, чтобы хорошо освещалась и не бликовала;
• снять в RAW;
• измерить серой пипеткой по снимку серой карты ББ и применить ко всем RAW в серии.

А вот заподснял в ванной зверя:



Согнал его с насиженного места, заклеил пластырем боевые раны, и сразу же зафотографировал на месте серую карту:



Ткнул пипеткой в центр оной, вычислил ББ. Применив оный к котокадру, получил демона стиральной машины:



Серая карта помогает при:
• съёмках в искусственном свете при использовании ламп одного типа (лампы разного типа могут давать сильно отличающийся свет);
• предметной съёмке;
• постановочном портрете;
• и вообще, съёмке в стабильном или хорошо контроллируемом освещении.

Дешёвые заменители серой карты рекомендуется искать в текстильных (обрезки серой ткани) и строительных (серый материалы под окраску) магазинах. Внимание! Использовать в качестве серой карты офисную бумагу не рекомендуется — у неё очень неровные спектральные характеристики.

Примечание. Современные камеры как правило предоставляют возможность вычисления ББ по серой карте (Custom WB) непосредственно во время съёмки. Творчески используя эту функцию, вы сможете упростить отбор фотографий — кадры с правильным ББ смотрятся лучше даже на миниатюрах.


Эксподиск или полиэтиленовая крышечка

Эксподиск — это матовое стекло, надеваемое на переднюю линзу объектива. Эксподиск «размазывает» изображение по всей поверхности кадра, усредняя световые характеристики. Правильные эксподиски делает компания ExpoImaging, а продают их в том же нью-йоркском магазинчике B&H. Экономные парни при виде ценника $99,95 за (пусть даже и богато орнаментированный) аналог пластиковой крышечки от трёхлитровой банки улыбаются и экономят деньги — в ближайшем хозмаге за сто баксов крышечек полный багажник отсыпят, хватит всем фотографам на селе!

Использовать эксподиск просто:
• включить точечный или частичный экспозамер;
• ручная фокусировка (и расфокусировать посильней);
• минимальное ISO;
• навести на источник освещения;
• снять в RAW;
• в RAW-конверетере вычислить ББ автоматом (или пипеткой);
• применить вычисленный ББ ко всей серии.

А вот напал с камерой на дерево каменное:



Дерево освещено единственной лампой накаливания; снял её, прикрыв объектив пластиковой крышечкой для банки:



По снимку лампочки вычислил ББ (включив пункт Auto White Balance в RAW конвертере), применил вычисленный ББ к дереву:



Для сравнения точный ББ по серой карте:



Для любителей сравнивать числа: ББ по крышечке от банки — 2850K, tint 0, ББ по серой карте — 2650K, tint +1. 200K разницы, конечно же, не так и мало, однако п/эт крышечка копеечной стоимости позволяет достаточно точно оценить цветовую температуру, а окончательная доводка ББ может быть выполнена и вручную.

Эксподиск или серая крышечка помогают при:
• невозможности использовать серую карту. Например, не очень разумно подбежать на пресс-конференции к директору и, прилепив ему на лицо серую карту, попросить не шевелиться буквально пару секунд, «я мигом, ББ поставить надо!»
• быстро меняющемся освещении;
• вообще, при репортажной съёмке эксподиск зачастую предпочтительней серой карты — не надо никуда класть мишень, потом её поднимать. Эксподиск всегда в кармане, надевается на объектив за пару секунд, за столько же снимается.


X-Rite ColorChecker Passport

Для более точной настройки цветопередачи современные цифровые технологии предоставляют возможность вмешиваться не только в регулировку ББ, но и в последующее преобразование перебалансированных RAW-RGB-величин в стандартное цветовое пространство. Обычно в этих целях используют стандартную цветную мишень — набор образцов с заранее известными спектральными характеристиками и специально программное обеспечение. Пожалуй, самым распространённым решением является комбинация X-Rite (Mini) ColorChecker 24 и Adobe DNG Profile Editor.

X-Rite Mini ColorChecker 24 — это цветная мишень размером с обычную банковскую карту:



Adobe DNG Profile Editor — это специальное ПО, которое позволяет по снимку X-Rite (Mini) ColorChecker 24 строить профиль Adobe DNG, описывающий преобразование RAW-RGB-величин в стандартное цветовое пространство и далее в RGB-компоненты изображения. Этот профиль доступен из ПО Adobe Camera RAW и Adobe Lightroom.

Недавно компания X-Rite выпустила X-Rite ColorChecker Passport — комплект, включающий серую карту, мишени Mini ColorChecker 24 и X-Rite Creative Enhancement Target и программное обеспечение, упрощающее создание профилей Adobe DNG, а также подключаемый модуль Adobe Lightroom, позволяющий производить все необходимые операции непосредственно в Lightroom.

Это очень мощный инструмент управления как ББ, так и вообще цветом при RAW-конвертации, но его рассмотрение не укладывается в узкие рамки этой статьи.


Колорметр

Ещё одним техническим средством автоматизации RAW-конвертации является колорметр. Колорметр — это устройство, непосредственно измеряющее цветовые характеристики освещения. Колорметры широко используются в плёночной фотографии, обычной их функцией является выдача рекомедации по использованию конверсионных светофильтров.

Конверсионный светофильтр — это окрашенный фильтр, изменяющий тональность изображения. Конверсионные светофильтры применяются преимущественно в плёночной фотографии для компенсации разницы между стандартным и имеющимся при съёмке освещением. В некотором смысле это аналоговый вариант балансировки белого.

Колорметр стоит недёшево, однако в некоторых условиях имеет ряд преимуществ перед серой картой — матовая полусфера собирает весь свет со всех направлений, учитывая все источники освещения.


Заключение

Выше приведены общие сведения о необходимости балансировки серого при RAW-конвертации и даны незамысловатые приёмы использования технических средств автоматизации получения адекватной цветопередачи при съёмке в RAW. Автор тщит себя надеждой, что приведённые сведения будут полезны цифровым фотографам и поспособствуют увеличению выхода годных фотографий.

В заключение отмечу особо, что, несмотря на возможность установить ББ задним числом, следует стремиться к установке возможно более точного ББ непосредственно при съёмке. Это облегчает как отбор фотографий, так и пакетную конвертацию всей серии в JPEG.

Вопросы и пожелания приветствуются!


© камрад pell