[E] Strach przed histogramem

Jednym z najbardziej kluczowych elementów technicznej jakości zdjęcia jest poprawna ekspozycja. Ale co to znaczy prawidłowo naświetlić fotografowaną scenę? Na pewno każdy, kto choć kilka razy spróbował robić zdjęcia, spotkał się z sytuacją, gdy zdjęcie było "za ciemne" lub "za jasne". W pierwszym wypadku ciemne elementy (np. cienie) były zwyczajnie czarne. W drugim - jasne elementy wypadły wprost jako białe. Mówimy wówczas, że mamy do czynienia z niedoświetleniem (za mało światła padło na matrycę aparatu) lub prześwietleniem (światła wpadło zdecydowanie za dużo). O prześwietleniu i niedoświetleniu współczesne aparaty potrafią od razu informować użytkownika - zazwyczaj takie obszary "migają" podczas wyświetlania zdjęcia na ekranie aparatu.

Nic nie miga, wszystko gra?

Jeśli aparat nie raportuje żadnych prześwietlonych czy niedoświetlonych miejsc, czy oznacza to już prawidłową ekspozycję? W zasadzie można by tak stwierdzić, jednak prawdziwą odpowiedź dać nam może histogram. Wielu użytkowników aparatów cyfrowych spotkało się na pewno z tajemniczym wykresem, wyświetlanym czasem podczas podglądu, a czasem "na żywo" podczas robienia zdjęcia. Ma on zazwyczaj kształt "górki", przesuniętej w prawo lub w lewo. Warto się dowiedzieć, co ten wykres przedstawia, bo dostarcza on więcej informacji, niż... sam podgląd. Dzieje się tak dlatego, że wyświetlacze większości aparatów cyfrowych potrafią kłamać - podbijają kolory i jasność lub przeciwnie, wyświetlają obraz ciemniejszy, niż został zarejestrowany. Ponadto na odbiór wyświetlanego na małym ekraniku zdjęcia mają wpływ także warunki zewnętrzne. Przy ostrym świetle obraz może wydawać się wyblakły, a w ciemności - zbyt kontrastowy. Dlatego zamiast podglądowi, warto poznać histogram i ufać jego wskazaniom.

Do sedna

Ale co tak naprawdę prezentuje histogram? Przyjrzyjmy się poniższemu zdjęciu:

Histogram, naniesiony na tę fotografię, został podzielony na trzy części: pierwsza (oznaczona kolorem ciemnoróżowym) to obszar tak zwanych cieni (tony ciemne). Centralną część zawierają tony średnie, zaś po prawej stronie, na białoszarym tle, mamy światła, czyli tony jasne. Histogram pokazuje, ile poszczególnych tonów jest na zdjęciu. I tak, na powyższym przykładzie widzimy, że najwięcej mamy tonów jasnych i średnich, zaś prawie nie ma tonów ciemnych. Zgadza się to z odbiorem fotografii - jest ona jasna, ciemne obszary są niewielkie. To cały sekret histogramu - prawda, że nie ma w tym nic tajemniczego?

Matryca prawdę Ci powie

"No dobrze" - powie ktoś - "ale dlaczego histogram jest przydatny?". Aby sobie na to pytanie odpowiedzieć, musimy wrócić do poprawnej ekspozycji i zahaczyć krótko o sposób, w jaki działa matryca cyfrowego aparatu fotograficznego. Jak zapewne wszystkim wiadomo, matryca składa się z dużej liczby elementów światłoczułych (posłużę się w dalszym opisie sporymi uproszczeniami, więc proszę o wyrozumiałość - nie chodzi w tym wypadku o szczegóły techniczne). Światło, padając na te elementy, wzbudza prąd elektryczny, tym większy, im jaśniejsze jest światło. Każdy element światłoczuły ma dwie granice swojego działania - dolną, gdzie przestaje rozpoznawać, czy jakieś światło do niego dotarło, oraz górną, dla której generuje maksymalne napięcie prądu (i mimo rosnącej jasności nie wygeneruje tego napięcia więcej). Co z tego wynika dla fotografa? Po pierwsze, niedoświetlenie w cieniach to sytuacja, gdy dostarczamy tak mało światła, że matryca przestaje odróżniać je od całkowitej ciemności. Prześwietlenie w światłach to z kolei dostarczenie tak dużej porcji światła, że matryca zwraca już tylko maksymalne napięcie. Efektem jest utrata jakichkolwiek informacji - niedoświetlone cienie to po prostu czarne obszary, a wypalone światła - białe "dziury".

Histogram jest naszą bronią w walce o dobrą ekspozycję. Dzięki niemu widać jak na dłoni, czy nie zbliżamy się do niedoświetlenia, jak na zdjęciu poniżej:

Teoretycznie zdjęcie nie jest jeszcze całkiem niedoświetlone, bo histogram nie dotyka lewej krawędzi (i nie ma tam "górki"). Jednak ewidentnie wszystkie tony przesunęły się w lewo, czyniąc zdjęcie ciemnym - zbyt ciemnym. To samo mówi nam intuicja - śnieg powinien być biały, a nie ciemnoszary). Gdyby aparat wskazał nam taki histogram podczas wykonywania powyższego zdjęcia, należałoby np. zwiększyć czas otwarcia migawki lub szerzej otworzyć przysłonę, ewentualnie zwiększyć wartość ISO - wszystko to po to, aby zarejestrować więcej światła i "popchnąć" histogram w stronę jasnych tonów. Popatrzmy jednak, co się stanie, gdy "przedobrzymy":

Histogram rzeczywiście przesunął się w obszar świateł, ale posunęliśmy się za daleko - odblask na śniegu jest już w zasadzie tylko białą plamą, bez żadnych szczegółów. Popatrzmy na pierwsze zdjęcie - tam histogram miał dla najjaśniejszych świateł jeszcze mały fragment (całkiem skrajny prawy obszar), dzięki czemu można było rozróżnić fakturę śniegu nawet w najjaśniejszym miejscu fotografii.

Rozpiętość tonalna

Analizowane wyżej zdjęcie charakteryzowało się względnie niewielką rozpiętością tonalną - wprawdzie istniały tam i jasne światła, i ciemne cienie, ale tak naprawdę cieni było bardzo niewiele i nie zawierały zbyt istotnych szczegółów. Dzięki temu zdjęcie miało dość sporą tolerancję na prześwietlenie/niedoświetlenie - drobne błędy można by naprawić podczas obróbki, "wyciągając" informacje z cieni lub ze świateł. Nie zawsze jednak jest tak dobrze, czasem bowiem rozpiętość tonalna jest tak duża, ze zajmuje praktycznie wszystkie tony:

Mamy tutaj typową turystyczną fotografię, wykonaną w okolicach południa. Jak widać na histogramie, praktycznie mamy tutaj wszystko - i cienie, i tony średnie (tych jest najwięcej), i światła. Praktycznie cały zakres jest zajęty, co sprawia, że trzeba dość dokładnie ustawić ekspozycję w aparacie, aby zarejestrować wszystkie tony. Na pokazanym przykładzie prawie się udało - choć lepiej byłoby przesunąć histogram jeszcze nieco bardziej w prawo (dlaczego tak jest - za chwilę).

Czasem zdarza się, że jedna ze stron histogramu dominuje - wybranych tonów jest zdecydowanie więcej niż innych. Dwa szybkie przykłady to poniższa przewaga świateł (i to jasnych):

oraz zdjęcie, gdzie liczą się przede wszystkim tony ciemne:

Najbardziej kłopotliwym wariantem jest jednak taki, gdzie matryca okazuje się być zwyczajnie zbyt ograniczona, aby móc zarejestrować wszystko, co znajduje się na fotografowanej scenie. Takie sceny zawierają zarówno dużo świateł, jak i dużo cieni - jeden z takich przykładów można zobaczyć poniżej:

Histogram pokazuje wyraźnie - zarówno w cieniach, jak i w światłach zabrakło nam miejsca na dane. W obu przypadkach są tam "górki", które mówią, że część informacji została zgubiona - dla nich matryca albo nie odróżniła sygnału od braku sygnału, lub padające światło generowało tylko maksymalną wartość. Widać to na samym zdjęciu - rzeźba nie zawiera prawie żadnych szczegółów, a światła z tyłu są tylko jasną plamą. W takich sytuacjach mamy w zasadzie trzy wyjścia:

1. Wybrać, na czym nam bardziej zależy i ten fragment naświetlić prawidłowo (np. w powyższym przykładzie wybrałbym figurę i naświetlił mocniej; uzyskałbym szczegóły na figurze, jednocześnie jeszcze bardziej wypalając światła)
2. Wykonujemy serię zdjęć z różnymi ekspozycjami i łączymy je w programie do tworzenia obrazów HDR (o czym pewnie jeszcze kiedyś napiszę kilka słów)
3. Stosujemy różne "sztuczki" w celu wyrównania rozmieszczenia tonów (w przykładzie powyżej moglibyśmy np. doświetlić czymś figurę, co skróciłoby czas naświetlania, przez co jasne obszary nie byłyby prześwietlone, a figura zyskałaby wymagane szczegóły; w innych przypadkach można stosować np. filtry połówkowe, które przyciemną część kadru i zlikwidują zbyt duże różnice w jasności)

Histogram kolorowy

Czasem aparaty pozwalają wyświetlić osobne histogramy dla poszczególnych kanałów kolorów - czerwonego, zielonego i niebieskiego. Warto skorzystać z tej możliwości, bo czasem zdarza się (szczególnie przy fotografowaniu np. kwiatów - czerwonych maków czy róż), że histogram jasności (czyli ten standardowy) wygląda prawidłowo, a po rzuceniu okiem na histogramy kanałów widać, że histogram koloru czerwonego jest silnie prześwietlony. Skutkuje to zazwyczaj plamami czystego koloru na samym zdjęciu - fotografowany mak jest niby naświetlony prawidłowo, ale jego płatki pozbawione są jakichkolwiek szczegółów, faktury itp. To ewidentny przykład prześwietlenia jednego z kanałów.

W prawo!

Napisałem wcześniej, że warto przesuwać histogram w prawo tak bardzo, jak się da - należy się teraz kilka słów wyjaśnienia. Zasadniczo porada ta dotyczy przede wszystkim osób, które zdecydowały się stosować format RAW swojego aparatu - pliki JPG należy w zasadzie od razu naświetlać prawidłowo, aby nie musieć nic korygować w komputerze. RAWy i tak trzeba zawsze "wywołać", więc dodatkowy zabieg korygujący nie stanowi tu problemu. W czym zatem rzecz i dlaczego przesuwamy histogram w prawo?

Najpierw mała dygresja dotycząca formatu RAW - każdy, kto się z nim spotkał, na pewno poznał jeden z głównych argumentów "za" - chodzi oczywiście o duże możliwości "ratowania" niepoprawnie naświetlonego pliku. Dzięki dużo (naprawdę dużo) większej ilości danych niż w pliku JPG, z pliku RAW da się odzyskać wiele pozornie niewidocznych szczegółów. Da się zwykle uratować cienie, czasem można przywrócić szczegóły w światłach (ale tutaj aparaty są zwykle bardzo mało tolerancyjne). Prześledźmy to na przykładzie - sfotografowałem ten sam obiekt z różnymi czasami naświetlania. Pierwsza ekspozycja to ekspozycja prawidłowa (chociaż zdjęcie wydaje się nieco za jasne). Mamy pełne detale z cieniach, a biały napis nie jest prześwietlony:

Po skróceniu czasu otrzymamy obraz silnie niedoświetlony:

Dzięki możliwościom, które daje format RAW, dało się jednak podnieść jasność tego obrazu o prawie 3EV, co spowodowało wyrównanie ekspozycji ze zdjęciem pierwszym. Pozornie odnieśliśmy sukces, bo wydaje się, że szczegóły są te same, więc nawet tak niedoświetlony obraz udało się uratować. Zerknijmy jednak na zbliżenie fragmentu, zaznaczonego na pierwszym obrazie czerwoną ramką:

Różnica jest spora, prawda? Obraz górny, pochodzący z pierwszego zdjęcia, jest praktycznie pozbawiony szumu. Obraz forsownie rozjaśniony szumy ma już spore - może nie kolosalne, ale na pewno widoczne (w praktyce te szumy po wydrukowaniu zdjęcia w zasadzie by zanikły, ale nie o to chodzi w naszym przykładzie). Dlaczego tak się stało?

Matryca w drugim przypadku zarejestrowała dużo mniej światła (bo czas był krótszy przy takich samych pozostałych nastawach), a co za tym idzie, powstałe ładunki elektryczne były dużo mniejsze i dużo bardziej zbliżone do "zera", czyli ciemności. Programowe wzmocnienie ich o 3EV spowodowało, że ujawniły się szumy - dlaczego szumy, a nie jednolita szarość? Bo matryca ciągle jest pod napięciem - dla głębokich cieni są to bardzo małe wartości, ale przez to stają się one podatne choćby na... temperaturę. Nagrzana matryca szumi bardziej niż matryca zimna (dlatego naprawdę długie ekspozycje zwiększają poziom szumu). W efekcie detale w głębokich cieniach mieszają się z losowymi, małymi prądami wynikającymi z nagrzewania się matrycy i w ten sposób powstaje szum.

"Sztuczka" z programowym rozjaśnianiem niedoświetlonego zdjęcia jest w zasadzie tym samym, co zwiększanie ISO w aparacie przed zrobieniem zdjęcia. Przeważnie fotografowie unikają dużych wartości ISO, bo wiedzą, że wiążą się one z podniesieniem szumu - jednocześnie część tych fotografów nie dba o ekspozycję myśląc, że bezkarnie da się ją naprawić przy wywołaniu RAWa. Tymczasem obie drogi prowadzą do tego samego wzmocnienia szumów, a jedyną przewagą rozjaśniania RAWa jest to, że można je zrobić wygodnie w domu.

Skoro wiemy już, że ciemne obszary słabiej przechowują szczegóły (bo zaczynają się one mieszać z szumem), należy dbać o to, by jak najwięcej detali znalazło się bliżej prawego końca histogramu. Stąd w fotografii cyfrowej naświetlamy "na prawo", czyli staramy się "dotknąć" prawej strony histogramu - owszem, czasem droga ta prowadzi do dziwnie jasnego zdjęcia, ale zmniejszenie jasności podczas wywoływania RAWa jest proste i nie powoduje - jak rozjaśnianie - degradacji obrazu i powstania szumów, więc jest też bezpieczne.

Naświetlanie "do prawej" wiąże się z jednym zasadniczym problemem - bardzo łatwo przekroczyć prawą stronę i prześwietlić światła. Odzyskanie szczegółów w światłach jest bardzo trudne, a najczęściej niemożliwe, zatem należy tutaj zachować szczególną precyzję i lepiej niedoświetlić o 1EV, niż o tę samą wartość prześwietlić.

I to chyba na tyle

Mam nadzieję, że udało mi się przekazać trochę informacji na temat działania i wykorzystania histogramu w praktyce. Jest to bardzo przydatne narzędzie, zwłaszcza jeśli chcemy dbać o prawidłową ekspozycję tworzonych zdjęć - a jest to zawsze rzecz nie do przecenienia. Nie ma nic gorszego, niż konsternacja przed komputerem, gdy okazuje się, że 90% zdjęć nadaje się do kosza lub czasochłonnej obróbki tylko dlatego, że nie chciało nam się obejrzeć histogramu i skorygować ekspozycji...