Histogram...i jego tajemnice

[JK]

No dobrze. Krótko mówiąc, histogram przedstawia informację o rozkładzie jasności zdjęcia. Histogramy mogą być wyświetlane dla każdego koloru niezależnie (histogram RGB), albo może to być jeden wspólny jakoś uśredniony histogram dla wszystkich składowych koloru. Taki uśredniony histogram zazwyczaj przedstawia coś zbliżonego do luminancji. Często przyjmuje się tu wzór: 0.299 * R + 0.587 * G + 0.114 * B, choć współczynniki mogą się nieco zmieniać. Taka metoda prezentacji histogramu przeszła już chyba do historii, bo jest mało precyzyjna, a w dobie wyświetlaczy kolorowych mało przydatna.

Najlepszą formą histogramu jest oczywiście wyświetlenie rozkładu jasności dla każdej składowej koloru, czyli osobno dla R, G i B. Jak taki histogram czytać? Oś pozioma histogramu przedstawia wszystkie poziomy jasności, jakie mogą się znaleźć na zdjęciu. W przypadku obrazu o 8-mio bitowej głębi koloru (np. format JPEG) będą to liczby z zakresu 0-255. Jest ich więc 256 i w konsekwencji histogram składa się z 256 kresek lub słupków, w zależności od rozdzielczości wyświetlacza i sposobu graficznej prezentacji. Dla uproszczenia przyjmijmy, że jest to 256 pojedynczych linii, których wysokość jest zależna od ilości elementów zdjęcia (sensorów lub pikseli), które mają taką właśnie wartość jasności. Program który sporządza histogram, zlicza kolejno wszystkie elementy zdjęcia, które mają jasność 0, następnie wszystkie, które mają jasność 1 i tak dalej, aż do momentu, w którym policzy ilość elementów mających jasność 255. W efekcie otrzymamy 256 różnych liczb całkowitych, które informują nas, ile elementów o każdej jasności znaleziono na zdjęciu. Następnym krokiem jest graficzna prezentacja tych wyników i tu napotykamy na pewien kłopot. Trzeba tak przeskalować policzone wartości, żeby dało się je jakoś wyświetlić. Dlaczego kłopot? Dlatego, że jeśli na zdjęciu występuje bardzo dużo elementów o jednej jasności, to pionowa linia, która odpowiada tej jasności może być tak wysoka, że wszystkie inne linie staną się mało widoczne. Stosuje się różne metody wyświetlania: obcinanie, przeskalowanie i wiele metod pośrednich. Wszystko to zmierza jednak do tego, żeby na histogramie przedstawić te 256 liczb całkowitych, w proporcjach, możliwie najlepiej oddających rozkład jasności zdjęcia. W sposób, który pozwoli szybko ocenić jasność tego, co zarejestrowaliśmy na zdjęciu. Dla uproszczenia przyjmijmy, że programista zrobił to prawidłowo i wysokości poszczególnych pionowych kresek dobrze odzwierciedlają proporcje ilości elementów o poszczególnych stopniach jasności.

Dlaczego mówimy tu o jasności, a nie o kolorze. Przyczyna jest prosta. We współczesnych cyfrowych urządzeniach nie są rejestrowane kolory jako takie, ale stopnie jasności trzech składowych R, G i B. Kolor powstaje ze złożenia takich trzech wartości i jest informacją o charakterze wynikowym. Gdybyśmy chcieli wyświetlić histogram dla wszystkich kolorów, to w przypadku 8-mio bitowego JPEGa taki histogram musiał by mieć 16777216 różnych pionowych linii. Nie ma takiego wyświetlacza, na którym można by to wyświetlić. Jeśli jednak wyświetlimy trzy niezależne histogramy dla trzech składowych R, G i B, to takich pionowych linii będzie już tylko 3 * 256, czyli da się to wyświetlić nawet na LCD aparatu. Dostaniemy wtedy niezalezne informacje o rozkładzie jasności każdej z trzech składowych koloru.

Nasuwa się pytanie, jak takie informacje wykorzystać? W fotografii cyfrowej można wykorzystać histogram do podjęcia różnych decyzji. Pierwszą i najważniejszą z nich jest decyzja o poprawności ekspozycji. Jeśli histogram dla jakiejkolwiek składowej koloru "dotyka" prawej strony obszaru przeznaczonego na jego wyświetlenie (ramka ograniczająca histogram), to oznacza, że na zdjęciu są elementy o jasności równej 255. Z wartością 255 jest ten problem, że nie wiadomo, czy są to elementy naświetlone poprawnie, czy elementy prześwietlone, czyli "obcięte" do wartości 255 (w 8-mio bitowym obrazie nie mogą występować wartości większe niż 255, czyli zamiast wszystkich wartości większych, wstawiana jest wartość 255). Jeśli te elementy są naświetlone poprawnie, to wszystko jest OK - wartość 255 jest wtedy dopuszczalna, ale jeśli zostały "obcięte", to będą one zmieniały wynikowe kolory składane z wartości R, G i B. Właśnie dlatego lepiej jest unikać jasności 255 na zdjęciach. Co oznacza słowo unikać? Oznacza ono, że jeśli histogram dotyka prawej strony ramki, to warto zmniejszyć ilość światła docierającego do matrycy tak, żeby był widoczny odstęp histogramu od ramki po prawej stronie, czyli żeby jasności 255 na zdjęciu nie było. Jeśli na żadnym histogramie składowych R, G i B nie wystąpi wartość 255, to mamy pewność, że zdjęcie nie zostało przepalone, czyli w jasnych miejscach zdjęcia nie będzie przebarwień.

To była podstawowa informacja zawarta w histogramie. Nasuwa się jednak pytanie co będzie, jeśli nasz histogram "dotknie" do ramki z lewej strony? Będzie to oznaczało, że na zdjęciu są elementy o jasności równej 0. Nie będzie to jednak miało większego znaczenia dla zdjęcia. Problemem może się stać dopiero zbyt duża ilość elementów o niskiej jasności. Dlaczego? Dlatego, że im niższą jasność mają poszczególne składowe koloru, tym mniej wynikowych kolorów może powstać z tych składowych. Jeśli jasność wszystkich składowych koloru będzie się mieściła w przedziale 0-3, to z takich informacji mogą powstać tylko 64 różne kolory. Jeśli ta jasność będzie się mieściła w przedziale 0-10, to różnych kolorów będzie już 1331. Widać z tego, że w drugim przypadku kolory mogą być oddane o wiele dokładniej. Między innymi dlatego, w cieniach częściej niż w światłach obserwujemy kolorowy szum.

Widać z tego, że zbyt duża ilość elementów o niskiej jasności też nie jest zbyt korzystna. Co więc robić jeśli takich elementów o niskiej jasności jest zbyt dużo. Odpowiedź jest prosta - zwiększyć ilość światła docierającego do matrycy, żeby zarejestrowana jasność tych elementów była większa. Nie zawsze jest to możliwe, bo musimy ciągle uważać na przepalenia, pamiętając, że przepalenia (czyli dosunięcie histogramu do prawej strony ramki) są o wiele bardziej groźne dla jakości zdjęcia, niż elementy o jasności równej 0. Założyliśmy, że histogram jest opracowywany dla obrazka o 8-mio bitowej głębi koloru, ale matryce rejestrują obrazy 12-to, czy 14-to bitowe. Mamy więc możliwość "wyciągania" cieni (rozjaśniania) w procesie obróbki na komputerze. Najważniejsze jest więc to, żeby nie przepalić żadnej składowej koloru. Jeśli robimy zdjęcia w RAWach, to cieniami można zająć się później.

W przypadku fotografii cyfrowej nie warto się sugerować 18% szarością. Nie warto przykładać wielkiej wagi do wskazań światłomierza znanych z fotografii analogowej. Jeśli tylko można, to warto "dosuwać" histogramy do prawej strony ramki, czyli dopuszczać do matrycy możliwie dużo światła, uważając jednak żeby nie przepalić, czyli unikając jasności równej 255. Jeśli zdjęcie zostanie zarejestrowane jako zbyt jasne, zawsze można je przyciemnić i to bez straty jakości. Im jaśniejsze (ale nie przepalone) będzie zdjęcie, tym dokładniej zostaną oddane kolory na tym zdjęciu.

Czy histogram może informować o kontrastach na zdjęciu? Czasem może, ale najczęściej te dane nie są wiarygodne i nie zawsze mogą być świadomie wykorzystywane. Niektórzy przyjmują, że jeśli na histogramie występuje tzw. "pik" to zdjęcie jest zbyt kontrastowe. Nic bardziej mylnego. Jeśli robimy letnie zdjęcie z dużą ilością czystego jasnego nieba, to na histogramie dla koloru niebieskiego zapewne zobaczymy duży "pik", ale nie świadczy to o tym, że zdjęcie jest zbyt kontrastowe, tylko o tym, że jest na nim dużo elementów o jasnych niebieskich składowych. To, że histogram jest "płaski" wcale nie świadczy o tym, że zdjęcie jest mało kontrastowe, bo na histogram składają się elementy z całego zdjęcia, a więc położone w różnych miejscach tego zdjęcia. W ogólnym przypadku nie da się z histogramu wyciągać wniosków na temat kontrastowości zdjęć, bo na histogram wpływa zarówno kontrast ogólny, jak też tak zwany mikro-kontrast utożsamiany z ostrością zdjęcia.

To na tyle. Z tego wywodu warto zapamiętać tylko to, że w fotografii cyfrowej korzystne jest takie naświetlanie, żeby histogramy wszystkich składowych koloru były możliwie maksymalnie dosunięte do prawej strony, ale żeby ramki z prawej strony nie "dotykały", czyli żeby żadna ze składowych koloru nie była przepalona. Reszta jest już tylko mało istotnym dodatkiem, możliwym do poprawienia w NXie, PSie lub w czymś podobnym.