Tava pirmā digitālā kamera

3. turpinājums

 

Esam tikuši skaidrībā par optiku, matricu, tās izšķiršanas spēju, megapikseļu mārketinga dabu. Bet kādi vēl procesi notiek kameras iekšienē, veidojot digitālu attēlu? Kādēļ vienas kameras attēls atšķiras no citas kameras attēla? Cik būtiski ir izvēlēties pareizo faila tipu, saglabājot attēlu? Datorgrafikā ir daudz dažādu grafisko failu tipu, taču digitālajās kamerās izmanto tikai trīs no tiem: RAW, TIFF un JPEG.

 

Analogais attēls -> digitālais attēls

Optiskā sistēma uz matricas projicē analogu attēlu. Kā tas kļūst digitāls? Matricas sensori satur fotodiodes, kas ienākošo fotonu enerģiju pārvērš elektriskajā lādiņā. Šis elektriskais lādiņš tiek konvertēts voltos un pastiprināts, lai tālāk to apstrādātu ADC konverters (ADC – analog digital converter). ADC sagrupē atlasīto pikseļu analogo voltāžu spilgtuma līmeņos un katram līmenim piešķir bināru vērtību (bit), kas satur nulles un vieniniekus. Vienu bit ADC klasificē kā 0 (melns) vai 1 (balts), divus bit sagrupē četrās (2²) grupās – 00 (melns), 01 (pelēks), 10 (pelēks) un 11 (balts). Lētākajās digitālajās fotokamerās iebūvēts 8 bit ADC konverters, kas pieļauj 255 toņu pārejas (2⁸) robežās no 00000000 (melns) līdz 11111111 (balts).

Minimālo nepieciešamo ADC bitu daudzumu nosaka matricas sensoru aktīvais diapazons (DR – dynamic range). Ja sensora DR ir 1000:1, lai nezustu informācija, ADC vajadzētu būt vismaz 10 bit (2¹⁰ = 1024 spilgtuma līmeņi). Teorētiski ideālākais lielums ir 10 bit ADC, jo 12 vai 14 bit ADC vairāk ģenerētu trokšņus, nevis tonālo informāciju. Taču praksē tomēr izmanto 12 bit konverteru, lai ADC būtu kāda rezerve, lietojot toņu līknes (tonal curves) lineāriem datiem, dažādiem kļūdu gadījumiem un lai mazinātu posterization efektu, kad ļoti maigās toņu pārejās kļūst redzamas to robežas.

Digitālo spoguļkameru matricām ir sensori ar augstu DR, un tām tiek iebūvēts 10 vai 12 bit ADC. Tādas kameras ir spējīgas RAW formātā saglabāt 10–12 bit uz pikseli. Turpretī kompaktkamerām sensori ir ar mazāku DR un RAW formāts sanāk līdzīgs JPEG, un tas ir 8 bit uz pikseli.

 

Aktīvais diapazons (Dynamic range)

Cik svarīgs ir kameras DR? Tieši DR nosaka attēla detaļu daudzumu ēnās un gaišajās vietās. Tehniski tas būtu iespējami lielākā signāla attiecība pret mazāko iespējamo signālu, ko ADC var ģenerēt. Maksimāli lielākais signāls ir tieši proporcionāls sensora pilnai kapacitātei, savukārt mazākais signāls ir vienāds ar trokšņu līmeni, kad sensors nedod nekādu signālu (trokšņu līmeņa griesti).

Ja fotografē JPEG formātā, attēlam tiek piemērots kontrasts, toņu līknes un DR tiek apgriezts, kas nenotiek, fotografējot RAW formātā, kad viss matricas DR attēlā saglabājas.

DR ir atkarīgs no matricas sensora (pikseļa) fiziskā izmēra. Jo fiziski lielāka matrica, jo lielāks ir sensors un attiecīgi lielāka tā ietilpība, uzkrājot fotonus. To var salīdzināt ar dažādu izmēru ūdens glāzēm – mazākās glāzītes ātri pārpildīsies, savukārt lielākas vēl varēs turpināt uzkrāt ūdeni.

Kas notiek, kad sensors pārpildās? Fotoni turpina plūst, taču sensors tos vairs nespēj uzņemt. Tēlaini runājot, ja objekts ir kontrastains un sensori mazi, attēla gaišajās vietās tie ātri pārpildās un attiecīgie attēla laukumi veidojas pārāk gaiši, bez detaļām, bet fotoni no ēnām vēl nav paguvuši nokļūt līdz sensoriem un attēla ēnainie laukumi ir bez detaļām. Lielāki sensori gaišākajās vietās tik ātri nepiepildās un fotoniem no ēnām ir laiks nokļūt līdz sensoriem, līdz ar to detaļas saglabājas gan gaišajās vietās, gan ēnās.

 

Sensora linearitāte

Matricas sensori ir lineāras ierīces. Ja gaisma kritīs divkārtīgi, sensora atdeve arī būs dubulta. Ja sensors pārsniegs savu ietilpību, tā atdeve būs apgriezta. Savukārt cilvēka acis redz nelineāri. Divreiz palielinoties gaismai ēnās, mēs to uztversim labāk nekā spilgtā gaismā. Mūsu redze pastiprina sliktu apgaismojumu un kompensē spilgtu gaismu.

Skatoties uz lineāru attēlu, mums tas šķiet pārāk plakans un ēnas pārāk gaišas, tādēļ, izmantojot toņu līkņu liekumu attēla tumšākajās vietās, mēs pietuvinām digitālo attēlu savai redzei. Šo līkņu liekuma koeficientu sauc par gammu. Tās var veidot pēc savas acs, taču ir definēti divi gammu koeficienti: 1,8, ko pamatā izmanto Macintosh tipa datoros un 2,2 – Windows datoros. Arī krāsu profili sRGB un Adobe RGB ir balstīti uz gammu 2,2.

 

RAW, TIFF un JPEG – kāda ir atšķirība?

Bieži pat ļoti populāros un profesionālos izdevumos var lasīt, ka JPEG ir formāts ar informācijas (datu) zudumiem, bet RAW un TIFF - bez. Šī apgalvojuma iespaidā daudzās digitālajās fotokamerās trūkst iespējas attēlu saglabāt RAW formātā (RAW nav – toties ir TIFF!). Daži ražotāji pat tādā gadījumā, kad kamerā ir gan RAW, gan TIFF, iesaka attēlus saglabāt TIFF kā labāk savietojamā formātā, kam nevajag papildu konvertāciju. Visi šie apgalvojumi ir kļūdaini pašā saknē.

Īstenībā vienīgais formāts bez datu zudumiem ir RAW! Datu zuduma pakāpe, saglabājot attēlus JPEG (maksimālā kvalitātē) vai TIFF formātā, 99 procentiem amatieru sižetu būs līdzīga. Tā kā TIFF faila saglabāšanas laiks ir daudz ilgāks par JPEG, tā lietošana digitālajās fotokamerās vispār nav praktiska. Turklāt TIFF formāts aizņem 5–8 reizes lielāku vietu datu nesējā.

TIFF formāta piekritēji tūlīt metīsies apgalvot, ka JPEG failā nav iespējams labot ekspozīcijas, krāsu līdzsvara kļūdas un tas nesatur informāciju par smalkām detaļām, it īpaši attēla ēnās. Jā, tā ir taisnība, bet tikai vienā procentā gadījumu. Reālos apstākļos atšķirība ir tik niecīga, ka, pat uz aklo testējot, monitorā praktiski nav redzamas atšķirības. Un, piemēram, no 8 Mpx faila drukājot 10x15 cm bildīti, ir pilnīgi vienalga, vai tas ir JPEG vai TIFF formāta fails.

Ja gribam būt pavisam precīzi – visas ciparu kameras fotografē RAW formātā, tikai ne visu informāciju ieraksta failā. RAW formāts ir vienkārši katra gaismas jutīgā matricas sensora digitalizēts analogā spilgtuma signāls, kas izgājis vien pirmreizējo (kalibrējošo) kameras firmware apstrādi (ADC), dažreiz arī bojāto pikseļu programmatūras remontu (remapping). Tas ir melnbalts datu masīvs, kura sākuma koordinātas reizēm pat nesakrīt ar galīgā attēla koordinātām (SuperCCD un līdzīgām matricām). Taču tie jau ir digitāli dati, kam ir sava vērtība (8, 10, 12 vai 16 bit) un toņu gradācijas ierobežojumi (attiecīgi 255, 1024, 4096 vai 65536) uz katru pikseli atkarībā no kameras parametriem.

Tālāk šai informācijai ir divi ceļi: viens – datu nesējā tiek ierakstīts RAW fails, kas satur precīzi šos datus, otrs: dati tiek nogādāti kameras procesoram, kur tiek apstrādāti pēc pilnas programmas (kamerā uzstādītiem parametriem):

·         katra galīgā pikseļa RGB krāsu tonis tiek interpolēts no trīs krāsu veidojošo sensoru informācijas;

·         tiek izveidots krāsu līdzsvars (white balance);

·         izveidots kontrasts, krāsu piesātinājums (saturation), toņu līkne (tone curve);

·         attēla asināšana (sharpening) vai izpludināšana (bluring);

·         uzņemtais attēls tiek konvertēts 8 bit toņu gradācijā uz pikseli;

Un tikai pēc tam tie tiek ierakstīti datu nesējā TIFF vai JPEG formātā. Turklāt, rakstot JPEG formātā, tie tiek kompresēti pēc kamerā uzstādītās kompresijas pakāpes.

JPEG un TIFF formātam ir tikai 8 bit toņu gradācija uz pikseli (TIFF var būt arī 16 bit toņu gradācija, taču kameru programmatūra nodrošina tikai 8 bit), bet RAW formātam parasti ir 10–12 bit toņu gradācija uz pikseli. Līdz ar to, apstrādājot RAW, mēs varam daudz lielākā amplitūdā labot pieļautās ekspozīcijas kļūdas, izvilkt detaļas ēnās un iegūt tās gaišajās vietās, kur JPEG un TIFF formātā tās būtu neatgriezeniski zudušas. Fotografējot RAW formātā, var pilnībā aizmirst par tādiem kameras uzstādījumiem kā krāsu līdzsvars, attēla asināšana, kontrasts. To visu varēs veikt RAW konvertera programmatūrā, kas darbojas tieši tāpat kā kameras procesors.

Cik īstenībā lielas ir šīs briesmas no attēla informācijas zudumiem? Atšķirība starp JPEG -> Photoshop un RAW -> RAW konverters -> Photoshop ir praktiski nemanāma, ja objekts ir mazkontrastains, pareizi eksponēts, ir uzstādīts pareizs krāsu līdzsvars. Atšķirība kļūst pamanāma tad, ja objekts ir kontrastains, ir pieļautas ekspozīcijas kļūdas un kļūdaini uzstādīts krāsu līdzsvars. Tad RAW formāta lietošana kļūst lietderīga.

 

RGB un nesaskaitāmie biti

Kādēļ visu laiku tiek pieminēta 8 bit toņu gradācija, ja tie ir tikai 255 krāsu toņi? Tāda fotogrāfija ne pēc kā neizskatīsies. Jāpatur prātā, ka šie 8 bit ir uz vienu pikseli, bet galīgā attēla pikselis veidojas no trim pamatkrāsu pikseļiem – 8 bit sarkanas (red) + 8 bit zaļas (green) + 8 bit zilas (blue) = 24 bit jeb 16777216 krāsu toņu gradācijas. RGB attēls veidojas pēc adiatīvās (saskaitošās) metodes, kad, pamatkrāsām sajaucoties un papildinot citai citu attiecīgos daudzumos, veidojas visas pārējās krāsas un to toņi.

JPEG failu nav iespējams iegūt smalkākā toņu gradācijā kā 24 bit, taču TIFF formātam tāda iespēja ir – konvertējot no RAW formāta uz TIFF, iespējams norādīt 16 bit uz pikseli. Rezultātā sanāk 16 bit (R) + 16 bit (G) + 16 bit (B) = 48 bit jeb 281474976710656 krāsu toņu gradācijas RGB attēls. Un atkal šis variants nav praktisks – vienkāršam cilvēkam pilnīgi pietiek ar 16 miljoniem toņu gradāciju, arī datoru monitori spēj parādīt tikai 32 bit krāsu gradāciju.

Kādēļ vajadzīga šī milzīgi lielā toņu gradācija? Matemātiskās funkcijās neiedziļināšos, bet tā nepieciešama, lai līdzīgi kā RAW formātā datormākslinieki varētu veikt manipulācijas, kas ar 24 bit attēlu nebūtu iespējamas. Pēc manipulācijām attēls tiek saglabāts 24 bit gradācijā, lai neaizņemtu tik daudz vietas.

Uzmanību! 8 bit attēls, pārkonvertēts par 16 bit attēlu, paliks tāds pats kā 8 bit, tikai aizņems vairāk vietas uz datu nesēja.

 

Elmārs RUDZĪTIS,

aģentūras f64 fotogrāfs

 

Turpinājums sekos.