Barva a vyvážení bílé - 2.Vyvážení bílé - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

4. července 2006, 00.00 | Vyvážení bílé (white balance) je funkce, která nemá obdobu u klasických
fotoaparátů. Tento pojem zavedly televizní kamery a později se dostal i do
digitální fotografie. Právě možnost vyvážení bílé je jedna z obrovských výhod
digitálních fotoaparátů. Obdobou vyvážení bílé na filmových fotoaparátech je
výměna typu filmu nebo použití konverzních filtrů - v praxi a terénu velmi nepohodlná činnost.

::Barva a vyvážení bílé - 1. Barva a její obraz v PC
::Barva a vyvážení bílé - 2.Vyvážení bílé

Bílá barva
Když se díváte na bílý papír, nedíváte se na žádnou "jeho" bílou. Díváte se na světlo, které na papír dopadá a papír ho odráží. A bílý je proto, že odráží vše - čili nemění spektrum světla, které na něj dopadá. Osvítí-li bílý papír bílé světlo, papír je bílý. Osvítí-li bílý papír žluté světlo, papír je žlutý. Takže osvítí-li bílý papír denní světlo, jakou má vlastně "bílý" papír barvu? Z fyzikálního hlediska má barvu světla, které na něj dopadá. A denní světlo má dramaticky rozdílnou barvu! A přesto vždy a bez váhání řekneme, že papír je bílý!

Bílý papír není ve skutečnosti bílý. Bílá totiž znamená, že odráží světlo beze změny. Má tedy vždy barvu dopadajícího světla.

Příčina tohoto nedorozumění je v tom, že lidský mozek je silně tolerantní na bílou. Rodiče nám mnoho let říkali, že papír je "bílý", a tak mozek automaticky upraví signál z očí tak, aby se papír bílý jevil. Proto nelze jednoznačně říci, co je to bílá. Vnímání bílé se totiž mění v závislosti na tom, jak se mozek podle okolních podmínek "překalibroval" a pro kalibraci použil zkušenosti o barvách předmětů nashromážděných během celého života.

Abychom "bílý" papír viděli i ve žlutém světle bílý, mozek musí vykorigovat žlutou barvu světla, která se od papíru odráží. Vždyť přeci my víme, že papír JE BÍLÝ!

Běžné zdroje světla (které považujeme za bílé) ve skutečnosti nejsou bílé. Mají svojí barvu - přesněji řečeno své spektrum. Nejběžnějším zdrojem světla je slunce, které vytváří denní světlo, často však přes mraky, mlhu, smog atd. Změna barvy denního světla (jeho spektra) je během dne velmi dramatická a závisí na čase, počasí, nadmořské výšce atp. Denní světlo je například při zamračeném dni trochu do modra v porovnání s poledním sluncem a naopak ranní nebo večerní sluneční světlo je silně oranžové až červené. Běžná žárovka je velmi červená, fotografický blesk je trochu do modra a zářivky jsou zelené.

Barevná teplota (Color Temperature)
Již Max Planck zjistil, že spektrum světla, které vyzařuje těleso je ovlivněno jeho teplotou. Proto se často barva světla vyjadřuje právě teplotou, na kterou je absolutně černé těleso třeba zahřát, aby vyzařovalo právě hledanou barvu. Absolutně černým tělesem se nemá na mysli nic složitějšího, než že těleso žádné záření neodráží - jen samo svítí. Teplota světla se potom dá měřit v Kelvinech (ºC = K - 273).

Teplota v K	Typický zdroj světla
1200-1500	Svíčka
2500-3200	Běžná žárovka (40-200W)
3000-4000	Východ a západ slunce
4000-5000	Zářivka
5000-6000	Sluneční světlo (slunný den), fotografický blesk
6000-7000	Zamračený a mlhavý den
7000-8000	Fotografie ve stínu slunce
8000-11000	Modré nebe bez slunce (hory)

 

Takto nějak by člověk viděl barvy jednotlivých zdrojů světla, kdyby byl mozek nakalibrován na sluneční světlo 5 500 K a dále by již bílou nekorigoval.

Mired
Občas je možné se setkat s jednotkou Mired (M, Micro Reciprocal Degree). Udává také barvu světla a s barevnou teplotou v Kelvinech je svázána jednoduchým vztahem:

Mired  = 1.000.000 / Barevná teplota v K

Má-li tedy modré světlo z jasného modrého nebe barevnou teplotu 10 000 K, má mired = 100. Fotografický blesk s typickou barevnou teplotou 5 500 K má mired 180 atp.

Barva světla během dne
Logickou otázkou je, proč se během dne tak dramaticky mění barva světla, když na Zemi svítí stále stejné Slunce. Odpověď leží v zemské atmosféře a v jejím vlivu na barvu světla:

1. V poledne při jasném a slunném počasí přezáří silné slunce modře svítící oblohu a je tedy dominantním zdrojem, který ovlivňuje barvu světla. Barevná teplota slunce 5 200 K se sečte se slabým světlem modré oblohy (7 000 K) a na předměty svítí světlo blízké barevné teplotě 5 200 K-6 000 K. Tato barevná teplota je tedy nejpřirozenější bílá v lidském slova smyslu.

2. Jsou-li slunce i obloha zastíněny mraky, barva slunce i oblohy se sečte a na předměty svítí světlo blízké barevné teplotě 6 000 K-7 000 K. Toto světlo je tedy namodralé relativně k případu 1).

3. Objekty ve stínu nejsou ozářeny přímo sluncem a relativní síla světla z oblohy silně stoupne. Protože je ale obloha mnohem více modrá než slunce, fotografie ze stínu jsou osvětleny barevnou teplotou kolem 7 000 K-9 000 K. Stejná situace nastane, když objekt sice není ve stínu, ale slunce je zastíněno malým mrakem. Současně si všimněte blahodárného vlivu měkkého světla na prokreslení lidského obličeje, kde nevznikají hluboké stíny pod nosem, vlasy, bradou atp.

4. Zemská atmosféra vlivem malých částic v ní pohlcuje modré složky světla. Proto slunce pro pozorovatele červená tím více, čím delší trasu urazí světlo atmosférou. To je důvod oranžovo-červených západů a východů slunce.

Vyvážení bílé (White Balance)
Představte si, že vyfotografujete svojí přítelkyni ve světle běžné žárovky (která má silně červené světlo). Fotoaparát zaznamená správně barvy (odraz červené barvy od pleti vaší přítelkyně) a minilab Vám udělá fotografii. Vy si ale fotografii prohlížíte na denním světle a váš mozek je nakalibrován na den. Fotografie vám tím přijde nepřirozeně červená!

Aby se to nestalo, musíte před fotografováním přítelkyně v červeném světle žárovky dát fotoaparátu příkaz: "Teď budeš fotit v červeném světle, které ale budeš považovat za bílé!" Fotoaparát si překalibruje senzory a vyrovná červené světlo žárovky snížením svojí citlivosti na červenou. Tím vznikne fotografie, kde pleť vaší přítelkyně bude mít přirozenou barvu, jako kdyby byla osvícena denním světlem. Neboli - fotoaparát se překalibroval jako mozek, čili si vyvážil bílou (provedl White Balance).

Praktické metody vyvážení bílé
Vyvážení bílé na digitálních fotoaparátech v zásadě funguje 5 možnými způsoby (ne každý fotoaparát má ale všechny možnosti):

1. Automaticky
2. Přednastavené zdroje světla
3. Ručně na konkrétní teplotu světla
4. Vyvážení na střední šedou
5. Dodatečně v počítači ze souboru RAW

1. Automatické vyvážení bílé (AWB)
Pro nepoučené uživatele je u všech fotoaparátů k dispozici plně automatický režim vyvážení bílé (Automatic White Balance, AWB). Pracuje obvykle v rozsahu cca 3 000 - 7 000 K a provádí se až při zpracování dat ze senzoru a na základě rozboru obsahu fotografie. V principu se ve fotografii hledají světlá místa jako reference bílé a současně se zkoumá celkový barevný nádech fotografie. Podle výsledku se provede barevná korekce - tedy vyvážení bílé. Pro běžné fotografie a za standardních světelných podmínek je to přijatelná volba, její základní nevýhodou ale je, že vyvážení bílé kolísá snímek od snímku a dá se snadno zmást u fotografií s jednou dominantní barvou.

Automatické vyvážení bílé (AWB) pracuje na principu hledání průměrné barevnosti. Pracuje dobře u běžných scén (snímky z pláže), u snímků se silným barevným nádechem ale generuje nepřirozené, umělé barvy.

2. Přednastavené zdroje světla
Většina fotoaparátů nabízí možnost vyvážení bílé na několik přednastavených druhů světel - od červených (žárovka) až po modré (stín). Druh světla se nastavuje podle toho, jaké světlo ve scéně převládá. Míchá-li se více světel dohromady nastavuje se převládající světlo v místě hlavního objektu. Tato metoda sice není moc přesná, ale oproti automatickému vyvážení bílé má jednu velkou výhodu - snímky pořízené na jednom místě (např. obřadní místnost) budou barevně stálé. Případná drobná barevná nepřesnost je u všech snímků stejná a buď si jí nikdo nevšimne, nebo se dá snadno v PC hromadně korigovat.

Problém přednastavených druhů světel je také v tom, že názvy se vztahují ke zdroji světla bez ohledu na barvu okolních světlo odrážejících předmětů. Budete-li s bílým světlem 5 500 K fotografovat ve žlutě vymalovaném pokoji, všechno bude žluté. Proto typické názvy přednastavených zdrojů světel není třeba brát moc dogmaticky. Např. typický přednastavený druh světla žárovka (Tungsten, ) bude fungovat na většinu červených zdrojů - třeba západ slunce, svíčku či oheň.

Ikona	Popis	Teplota v K
	Žárovka, halogen (Tungsten)	3200
	Zářivka (Fluorescent)	4000
	Slunný den (Sunny and daylight)	5200
	Zamračený den (Cloudy and hazy days)	6000
	Blesk (Flash)	6000
	Stín (Shade)	7000

Typické možnosti druhů světel dnešních DSLR a jejich hrubá barevná teplota.

3. Ručně na konkrétní teplotu světla
Znáte-li barevnou teplotu okolního světla v K (u fotografických osvětlovacích jednotek bývá uváděna v dokumentaci), prostě ji na fotoaparátu nastavíte a tím se bílá vyváží. Rozsah možných barevných teplot bývá často 2000 až 10 000 K. Problém nastává v okamžiku, kdy do teploty světla promluví i barva okolního prostředí (žlutá místnost). V tu chvíli již barevná teplota samotného zdroje světla neplatí.

4. Vyvážení na střední šedou
Pokud ukážete fotoaparátu něco, co je zaručeně barevně neutrální (nemusí to být zrovna bílé - barevně neutrální je i šedá a navíc se neleskne a nehrozí přeexpozice), fotoaparát si zjistí barevný nádech a o stejnou hodnotu bude další fotografie korigovat. V praxi se opět používá oblíbená 18% střední šedá tabulka, kterou je třeba umístit nejlépe do těsné blízkosti hlavního objektu. Tato metoda je naprosto přesná a poskytuje překvapivě věrné výsledky. Měření na střední šedou je však třeba opakovat, když se změní světelné poměry na scéně (rozsvítí se žárovka, roztáhnou žaluzie, změní se počasí atp.).

Pokud ukážete fotoaparátu něco zaručeně nebarevného (šedého), má šanci zcela přesně vykorigovat barvu okolního světla. Pro vyvážení bílé se proto dá s výhodou opět použít 18% šedá tabulka.

5. Dodatečně v počítači ze souboru RAW
Skutečnost, že vyvážení bílé probíhá až výpočtem z hotové fotografie, umožní odložit vyvážení bílé až do PC. Podmínkou ale je uložit na kartu surová data ze senzoru, tzv. RAW data. Vyvážení bílé stejně jako další zpracování fotografie (kontrast, ostrost, saturace barev atd.) potom provedete až v počítači. Bílou je však vhodné i nadále na scéně vyvážit, protože většina fotoaparátů ukládá společně s RAW i náhledový JPEG a vyvážení bílé se tak projeví v uvedenému JPEG obrázku. Případná chyba ale není kritická, protože RAW umožní vyvážit bílou kdykoliv jinak.

Praktické ukázky
Demonstrovat vliv vyvážení bílé na výslednou fotografii je nejlepší ve dvou extrémních světelných případech - jednak v silně modrém stínu (objekt je osvětlen převážně modrou oblohou) a jednak ve světle halogenové žárovky (ta je silně červená). Jako objekt je nejlepší lidská tvář, protože lidský pozorovatel je mimořádně citlivý na pleťovou barvu a jakékoliv její nepřirozené barevné posuny snáší velmi nelibě. Naopak u abstraktních obrázků (akvárium, exotická krajina, květiny atp.) snese v podstatě cokoliv, protože neví jak to má být barevně správně.

Snímáno venku za jasného dne ve stínu	Snímáno ve světle halogenů

Ukázka vyvážení bílé pro 2 různé barvy světla (ve stínu jasného dne a halogen). První řádek ukazuje vyvážení na středně šedou, čili zcela přesně. Všimněte si jak nepřesně vyvážila bílou automatika a jak volba "žárovka, " odpovídá reálným halogenům jen velmi hrubě.

Kompromisy
U venkovních scén bývá obvykle dominantní jedna barva světla daná počasím a denní dobou. U vnitřních scén ale bývá běžné mixování několika druhů (barev) světel. Běžné jsou kombinace venkovního světla (okno) s umělým světlem (žárovky) či kombinace umělých světel (žárovky) s fotografickým bleskem. Barva světla se v takovém případě mění místo od místa - např. u okna převládá vliv venkovního světla, v rohu převládá vliv umělého světla.

Vyvážení bílé je potom rozumné provést v místě kde se nalézá hlavní objekt (obličeje fotografovaných osob), případný barevný posun na pozadí je menší zlo než barevný posun v místě hlavního zájmu.

Kompromisy vyvážení bílé jsou naprosto typické například na svatbách. Na novomanžele se obvykle svítí bleskem (5 500 K), protože celkové množství světla je nedostatečné. Na pozadí bývají různé často i barevné žárovky obřadních síní (3000K). Je však logicky lepší vyvážit bílou podle popředí (převládá blesk) než podle pozadí (převládají žárovky).

Kdy přiznat barvu
U řady scén platí, že úplným potlačením barevného nádechu čili 100% vyvážením bílé by scéna ztratila svojí typickou atmosféru. Částečný barevný posun je potom výrazový prostředek a hraje v atmosféře a náladě snímku svojí roli. Barevný posun může být i velmi silný, přičemž posuny do červených (teplých) barev vnímá lidský pozorovatel mnohem přirozeněji než posuny do studených modrých barev. Je to vliv ohně a červené barvy zapadajícího slunce jako typických a přirozených zdrojů světla.

Pozor také na automatické vyvážení bílé při použití barevných filtrů s cílem zabarvit fotografii do určitého odstínu. Tím, že bílá se vyvažuje až na základě rozboru obrazu ze senzoru, tak jde proti účinku filtru, jinými slovy snaží se účinek filtru eliminovat.

Je spousta scén, kde je barevný nádech žádoucí a je součástí snímku. Technicky perfektní vyvážení bílé by barevné ladění potlačilo a snímku naopak uškodilo.

Limity vyvážení bílé - opět klasické filtry!
Při vyvažování bílé je třeba si uvědomit, že vyvážení probíhá až při zpracování obrazu ze senzoru a sice umělým zesilováním či zeslabováním jednotlivých barevných složek RGB obrazu. Červené světlo (západ slunce, žárovka, oheň) tak exponuje červené buňky senzoru mnohem více, než modré a zelené buňky. Vyvážení bílé následně zesílí zelený a modrý kanál obrazu tak, aby červený nádech byl eliminován. Díky červenému světlu však hrozí přeexponování červeného kanálu obrazu a díky potřebě zesílení modrého a zeleného kanálu roste v těchto kanálech šum.

Proto i u digitálních fotoaparátů a pro náročnější snímky je rozumné opravit barvu světla opticky ještě před objektivem a sice konverzními filtry zcela stejně jako u klasické fotografie. V praxi je nejčastějším problémem snímání v červeném světle umělých zdrojů (žárovky/halogeny), které opraví modrý konverzní filtr např. typu 80A. Oprava nemusí být zcela přesná - zbytek se bez problémů doladí digitálním vyvážením bílé. Srovnání jednotlivých RGB kanálů na přibližně stejnou úroveň konverzními filtry však velmi účinně zabrání přeexpozici jednotlivého kanálu a velmi zvýší kvalitu obrazu jako celku.

Modrý konverzní filtr koriguje červené světelné zdroje.
Typ 80A zvedá barevnou teplotu z 3 200 K na 5 500 K,
typ 80B zvedá barevnou teplotu z 3 400 K na 5 500 K a
typ 80C zvedá barevnou teplotu z 3 800 K na 5 500 K.

Bracketing vyvážení bílé
Podobně jako u expozičního bracketingu je bracketing vyvážení bílé postup, kdy fotoaparát automaticky uloží více fotografií (obvykle 3), každou s jiným nastavením vyvážení bílé. Tím máte šanci  v PC vybrat tu, která je z hlediska barev nejlepší. Jaké je výchozí barevné nastavení a jaký je krok na obě stany od výchozího nastavení je obvykle možné volit v menu.

Bracketing vyvážení bílé ale není moc praktický nástroj. Není to totiž nic jiného, než z jedné fotografie spočítané a na kartu uložené tři barevné varianty! Navíc velikost tří JPEG fotografií bude velmi podobná velikosti RAW souboru a z RAW souboru je možné provést libovolné vyvážení bílé až dodatečně v PC. Lze tak doporučit spíše RAW než bracketing vyvážení bílé.

Digitální filtry
Vyvážení bílé se v principu snaží barevnou korekcí jdoucí proti barvě okolního světla vykompenzovat barvu na bílou. Úmyslně špatným vyvážením bílé lze tedy způsobit barevný posun fotografie podobný účinku klasického barevného filtru. Úmyslně špatným vyvážením bílé např. na červený papír se tak způsobí posun fotografie do doplňkové barvy k červené čili do azurové (cyan). Pro různé hrátky a efekty je možné s výhodou použít nejrůznější barevné papíry a předměty. A i když se jedná jen o vypočítaný barevný posun, který v principu není problém zrealizovat i v PC, některé efekty jsou tak zajímavé, že se v PC špatně hledají a simulují.

Ideálním nástrojem na digitální simulaci barevných filtrů jsou obyčejné barevné papíry z papírnictví.
 

Původní obrázek snímaný s vyvážením bílé "Den".

Obrázek po vyvážení bílé na červený papír, což způsobí barevný posun do doplňkové světle modré barvy.

Obrázek po vyvážení bílé na fialový papír, což způsobí barevný posun do doplňkové žlutozelené barvy.

Úrovně automaticky (Auto Levels)
S vyvážením bílé souvisí i funkce Úrovně automaticky (Auto Levels) přítomná v Adobe Photoshopu (Shift+Ctrl+L) i v jiných editorech. Funkce Úrovně automaticky hledá nezávisle v každém barevném kanále R,G i B nejtmavší bod, který převede na černý a nejsvětlejší bod, který převede na bod s plnou hodnotou barvy (255). Protože funkce pracuje s každým kanálem samostatně, tak se každý kanál natahuje o jinou hodnotu. A protože se všechny kanály dotknou vlevo i vpravo hrany histogramu, původně nejtmavší bod obrázku (jakékoliv barvy) se stane černý a původně nejsvětlejší bod (opět jakékoliv barvy) se stane bílý. Tím se vlastně provede něco jako automatické vyvážení bílé (nejsvětlejší bod fotografie se převede na bílý).

Tato funkce sice může zlepšit kontrast a barevné podání fotografie, její účinek je ale zcela nevyzpytatelný. Proto by měla být používána jen výjimečně a rozhodně ne rutině na všechny fotografie. Nemůže v žádném případě nahradit správné vyvážení bílé při pořízení fotografie.

Funkce Úrovně automaticky roztáhne každý barevný kanál tak, aby vyplnil celý histogram.

Podvodní fotografie
Mimořádné nároky na vyvážení bílé klade povodní fotografie. Barva světla, které proniká pod vodní hladinu, se dramaticky mění s hloubkou, ve větších hloubkách je totiž přítomna již jen modrá složka světla. Pro zachycení barev je tak třeba svítit buď reflektory nebo blesky a opakovaně bílou vyvažovat. Jen tak se pod vodou dají zachytit věrné barvy tohoto pro suchozemce neznámého světa.

Barva světla se pod vodou s rostoucí hloubkou dramaticky mění - pár metrů pod hladinou bude již jen modrá složka. Správné svícení a vyvážení bílé je tak nezbytné.

Závěr
Jak již bylo řečeno v úvodu, rychlé a snadné vyvážení bílé a to klidně i pro každý snímek jinak je velkou výhodou digitálních fotoaparátů. U negativních barevných filmů bylo nutné buď střídat druhy filmů, používat konverzní filtry nebo opravit barvu až při vyvolávání fotografií.

I když u digitálních fotografií také není v principu problém doladit barvy až v PC, tak je to velmi pracné a zkušenosti ukazují, že je to mimořádně obtížné. Navíc digitální fotoaparáty často svádějí k okamžitému prohlížení fotografií na PC nebo TV a tam opět není na doladění špatně vyvážené bílé místo.

Proto je nutné věnovat vyvážení bílé dostatečnou pozornost již při snímání fotografií. Automatické vyvážení bílé se často mýlí a navíc produkuje barevně nestálé fotografie. V běžné praxi se jeví jako dostatečné pečlivé přepínání přednastavených druhů světel, pro náročné aplikace je k nezaplacení střední šedá tabulka a RAW formát.

V každém případě však jsou barevné chyby způsobené chybným vyvážením bílé mnohem zásadnější, než chyby způsobené odlišným zobrazením barev moderních monitorů a tiskáren. Je tedy nutné u vyvážení bílé začít a uvidíte, jak se vám odmění barevně stálými, přirozenými a vyrovnanými fotografiemi.