Expozice - 2. Měření expozice - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

16. března 2006, 00.00 | Automatické měření expozice je jedna z nejužitečnějších funkcí současných fotoaparátů. Digitální fotoaparáty ji rozšířily ještě o velmi užitečný histogram. Bohužel ale ani nejdokonalejší měřící systémy nemohou uhádnout záměr fotografa a tak znalost způsobů měření, jeho limitů a kompromisů je více než užitečná.

::Expozice - 1. Expoziční základy
::Expozice - 3. Expoziční režimy
::Expozice - 4. Dynamický rozsah a kontrast scény
::Expozice - 5. Praktická expozice

Úkolem měření expozice je buď automaticky nebo ručně nastavit takovou trojici hodnot:

1. expoziční čas,
2. clona,
3. ISO citlivost,

které povedou nejen k dobře exponovanému snímku, ale též k snímku zvládnutému dobře technicky i výrazově. Zejména se jedná o ostrost snímku, využití dynamického rozsahu, minimální šum a práci s hloubkou ostrosti.

Díky automatickému měření expozice se můžeme plně soustředit na obsah a kompozici snímku, což je extrémně užitečné zejména v reportážní praxi. Bohužel však není možné ponechat expozici na automatice vždy. Automatická expozice pracuje dobře ve většině, zdaleka ne však ve všech světelných a snímacích podmínkách. Často také rozhodne špatně třeba o použití blesku.

U této makrofotografie automatické měření zcela selhalo. Dominantní černá plocha s lesknoucí se larvou stále larvu beznadějně přepalovala. Nepomohla ani maximální kompenzace -2 EV. Nakonec bylo nutné exponovat v manuálním režimu 1/15 s, f/11, ISO200, ohnisko 105 mm a automatiku zcela ignorovat.

U digitálních fotoaparátů je správná expozice několikanásobně důležitější než u barevného negativního filmu. Negativní film má příjemnou "S" křivku kontrastu, zatímco digitální senzory mají tvrdě ohraničenou lineární křivku. Problém je tedy v tom, že vše, co je černější nebo bělejší než koncové body přímky, prostě "neexistuje". Poměrně úzký a z obou stran (černá i bílá) tvrdě omezený dynamický rozsah digitálních fotoaparátů tak silně komplikuje automatické korekce expozice např. na minilabech či při hromadném zpracování v PC.  Spoléhat na ně je tak velmi ošidné a záchrana špatně exponovaných digitálních dat může být buď velmi pracná nebo v horším případě nemožná.

Typické situace, kdy bude třeba automatice pomoci, jsou např. fotografie Měsíce či Slunce a jeho západů či východů, fotografie na sněhu, studiové fotografie, fotografie interiérů, koncertů, makrofotografie, silně kontrastní fotografie, fotografie v protisvětle či jakékoliv fotografie s dominantní převahou výrazně barevných, světlých či naopak tmavých tónů.

Jak měření expozice pracuje
Většina moderních fotoaparátů má několik režimů měření expozice. Liší se v podstatě plochou, kterou z celkové scény berou v úvahu pro měření. Různé režimy se hodí při různých situacích. Nejuniversálnější poměrové (zónové či maticové měření - různí výrobci používají různé názvy) pracuje na principu rozdělení celé fotografie na určitý počet zón. Canon používá např. 35 zón, Nikon 1005, Olympus 49 atd. V každé zóně je zjištěn průměrný jas v EV jednotkách (barva se zcela ignoruje a pracuje se pouze s černobílým jasem) a připojí se další údaje jako poloha zaostřovacího bodu, vzdálenost objektu, svislé/vodorovné fotografování atp. Následně jsou údaje porovnány s databází uvnitř fotoaparátu a fotoaparát se snaží odhadnout správnou expozici pro nalezenou scénu.

Příklad měření expozice pro 6 zón. Ve skutečnosti je zón mnohem více - od cca deseti po tisíc. Z původního obrazu (nahoře) vidí expozimetr pouze průměrný jas každé zóny (dole). Z těchto údajů se snaží odhadnout správnou expozici a určit vhodnou trojici hodnot 1.expoziční čas, 2.clona, 3.ISO. Automatika u tohoto obrázku bude fungovat dobře, protože obrázek je v průměru středně šedý.

18% střední šedá
Střední šedá je definována jako šedá, která odráží 18% dopadajícího světla. V 8bitové RGB representaci je vyjádřena jako {127,127,127}. Střední se jmenuje proto, že subjektivně leží ve středu stupnice mezi černou a bílou.

18% šedá tabulka by neměla chybět v žádné fotobrašně. Slouží k určování expozice na základě dopadajícího světla a k přesnému vyvážení bílé barvy.

Je to k nevíře, ale téměř každý dobře exponovaný snímek vede po zprůměrování všech zón na střední šedou. Měření expozice fotoaparátů tedy v principu probíhá tak, že hledají kombinaci expozičního času, clony a ISO citlivosti, která po zprůměrování jasů celé fotografie dá ve výsledku 18% střední šedou.

Limity automatického měření expozice
Automatika nemá ani ponětí o síle světla osvětlující scénu. Nemá ani ponětí o odrazivosti předmětů, které scénu tvoří. Jediné, co vidí a z čeho musí vycházet, je světlo odražené od předmětů scény a vstupující do objektivu. Nedokáže tak rozlišit slabé světlo dopadající na světlé předměty od silného světla dopadajícího na tmavé předměty. Jedinou šancí je předpokládat, že průměrná odrazivost světla všech předmětů tvořících scénu je průměrná - neboli předpokládat, že scéna je v průměru středně šedá.

Strategie měření na výslednou střední šedou tedy funguje velmi dobře pro scény, které mají vyvážený podíl světlých a tmavým míst. U nich se snadno exponuje tak, aby střední jas celé scény padl do středu jasových možností senzoru. Tato strategie však selže, pokud základní předpoklad vyváženého podílu světlých a tmavým míst ve scéně neplatí. Fotografujete-li uhlí, automatika snadno dojde k závěru, že fotografujete v průměru šedou scénu, ale ve slabém světle! Expozici zvýší a uhlí tak bude šedé! Stejně tak pokud fotografujete bílý sníh, automatika dojde k závěru, že fotografujete v průměru šedou scénu, ale v silném světle! Expozici ubere a sníh bude šedý - špinavý.

Důvod proč u tohoto obrázku automatika selhala je zřejmý. Rozdělení obrázku (1) na zóny s průměrným jasem ukáže velmi tmavý obrázek (2). Automatika v souladu se svým určením předpokládá, že průměr scény by měl být středně šedý a zóny zesvětlí (3). Výsledkem je sice středně šedá, ale subjektivně silně přeexponovaná fotografie (4).

Naštěstí běžné scény jako letní dovolená, skupiny lidí, krajina atp. předpoklad střední odrazivosti předmětů tvořících scénu dobře splňují. Na to, že scéna je v průměru středně šedá, se v 80% případů dá spolehnout. A pro zbývajících 20% jsou zde metody, jak pomoci.

Metody měření expozice
Konstruktéři fotoaparátů jsou si problému se střední šedou vědomi, a tak vybavují fotoaparáty dalšími pokročilými metodami jak expozici změřit, doladit či ověřit. Většina fotoaparátů tedy nabízí 3 někdy i 4 metody měření expozice:

	Maticové, poměrové či zónové (Evaluative, Multi-zone, Multi-segment, Matrix - různí výrobci používají různé názvy) Scéna je rozdělena do několika zón a porovnávána s databází známých snímků. Na základě nalezené shody je rozhodnuto o nejlepší expozici pro danou scénu. Do úvahy se většinou bere i aktivní zaostřovací bod, který označuje místo s nejdůležitějším obsahem. Kdy ho použít: V běžné každodenní praxi Kdy selže: V situacích, kdy nelze předpokládat, že průměrný jas scény je střední šedá. Dále u snímků v protisvětle, silně kontrastních scén a v situacích, kdy požadujeme speciální expoziční záměr (západy slunce, noční snímky atp.)
	Celoplošné se zdůrazněných středem (Center-weighted Average) Podobně jako maticové měření bere do úvahy celou plochu snímku avšak za nejdůležitější část se považuje střed snímku bez ohledu na zaostřovací bod. Okraje snímku tak promluví do expozice mnohem méně významně. Kdy ho použít: V situacích, kdy chceme řídit expozici podle hlavního objektu, který je jasově blízko středně šedé. To je typické u portrétů zejména v protisvětle nebo v jiných náročných světelných podmínkách. Běžný obličej či pleťová barva obecně je totiž velmi blízko střední šedé, a tak se dá k naměření expozice snadno použít. Kdy selže: Je dost riskantní při reportáži či běžné práci. Silně totiž závisí na jasu místa, kde expozici měříte.
Průměrná pleťová barva v černobílém podání je velmi blízko 18% střední šedé. Je tak možné měřit expozici na "pleťovku", v nouzi i na vlastní ruku. Celoplošné měření se zdůrazněným středem je k tomu velmi vhodné.
	Středové (Partial) Vyhodnocuje pouze malou oblast (cca 8% plochy) ve středu snímku bez ohledu na zaostřovací bod. Kdy ho použít: Výhradně k naměření jasu (EV hodnoty) konkrétního bodu scény. Kdy selže: Nevhodný pro běžnou práci.
	Bodové (Spot) Vyhodnocuje velmi malou oblast (bod, cca 1-3% plochy) ve středu snímku bez ohledu na zaostřovací bod. Kdy ho použít: Výhradně k naměření jasu (EV hodnoty) konkrétního bodu scény. Kdy selže: Nevhodný pro běžnou práci.

Měření dopadajícího světla na střední šedou
Jak již bylo řečeno, algoritmus expozimetrů současných fotoaparátů předpokládá, že scéna je v průměru středně šedá. Algoritmus tedy selže v okamžiku, kdy tento předpoklad není splněn. Nabízí se ale malý trik! Co přímo do scény umístit normalizovanou střední šedou tabulku a naměřit expozici na ní? Potom vlastně předpoklad šedé scény bude 100% dodržen a expozice musí být absolutně přesná!

Na tomto principu je založeno měření dopadajícího světla na střední šedou. Praktická práce s šedou tabulkou potom vypadá následovně:

• Do scény umístíme šedou tabulku tak, aby se neleskla! Tento požadavek je kritický a nejlépe ho splní naklápění tabulky vůči zdroji světla až lesky zmizí.
• Přepneme na bodové měření expozice a naměříme expozici ve středu tabulky. Tabulka však musí vyplňovat dostatečnou plochu fotografie (pro jistotu minimálně středový kruh), aby bodové měření zaručeně nebylo rušeno okolím tabulky.
• Pokud je tabulka příliš malá, tak dočasně prodloužíme ohnisko či se přiblížíme s fotoaparátem blíže k tabulce. Nesmíme jí ale stínit!
• Naměřené hodnoty buď uzamkneme, lepší je ale přepnout na manuální režim (M) a nastavit je ručně. Nejsme tak v časovém presu, za jak dlouho uzamčení expozičních hodnot fotoaparát zruší (cca 10-16 vteřin). Vrátíme případně zpět ohnisko.
• Tabulku ze scény odstraníme a exponujeme zjištěnými hodnotami ostrý záběr.

Dominantní světlé tóny (sníh) vedou při automatickém měření expozice na příliš tmavé fotografie. Vlevo ukázka při běžném měření, vpravo při měření na středně šedou. Žluté šipky označují místo měření expozice.

Vypadá to sice komplikovaně, ale není to tak hrozné, jak to vypadá. Navíc pokud pořizujete více podobných záběrů a dokud se nezmění světelné podmínky, bude zjištěné hodnoty možno ponechat. Měření podle šedé tabulky zajistí nejen expozičně správné ale i vyrovnané výsledky a presentace série snímků bude tak působit nesmírně přirozeně a profesionálně.

Střední šedá a její histogram. Vrchol histogramu je přesně ve středu mezi černou a bílou - proto střední šedá.

I když naměříte hodnoty pomocí šedé tabulky, není vyloučeno provést mírnou kompenzaci expozice. Metoda měření na šedou je sice z fyzikálního pohledu velmi přesná, ale subjektivní hodnocení výsledků je důležitější. Takže i tady se kreativitě meze nekladou.

Při dokumentaci a přefocování obrazů či jiných předmětů, kde vám záleží na přesné barevné i jasové interpretaci, je výhodné nechat v růžku kousek střední šedé. Umožní později v počítači doladit barvy i jas a snadno se odstraní. Většina editorů totiž umí vyvážit barvy a jas podle "zaručeně šedé", kterou jim ukážete v obrázku.

Kompenzace expozice (Exposure Compensation)
Expoziční kompenzace znamená ruční rozvážení expozice oproti hodnotě změřené a nastavené automatikou. Většinou pracuje v rozmezí ±2-3 EV okolo fotoaparátem změřené hodnoty. Většinou lze nastavit, zda krok má být hrubší 1/2 nebo jemnější 1/3 EV. Vzhledem k poměrně omezenému dynamickému rozsahu digitálních fotoaparátů (kolem 6 EV) lze doporučit spíše krok 1/3 EV, protože chybná expozice již tak vzácný dynamický rozsah snižuje.

Uzamčení expozice (Exposure Lock, AE Lock)
Stisknutím tohoto tlačítka, často označeného hvězdičkou , se provede změření expozice právě sledované scény a na cca 10-16 vteřin uzamčení zjištěných hodnot. To umožní zablokovat zjištěné hodnoty bez ohledu na následnou změnu scény. Kdy je to potřeba? Např. když jste změřili scénu a potom změnili kompozici snímku (pohnuli s fotoaparátem) a chcete zachovat hodnoty expozice z původní scény.

Histogram
Jedním z nejúčinnějších nástrojů jak zjistit či ověřit správnou expozici je histogram. Porozumění histogramu vám dá vysokou jistotu, že z hlediska expozice jste pořídili dobrý snímek. Současně vám poskytne velmi kvalitní informaci, jak případně snímek expozičně upravit. Mnoho nepravých zrcadlovek (SLR-like, EVF) či kompaktních fotoaparátů poskytuje tzv. on-line histogram, neboli aktuální histogram právě pozorované scény. DSLR tuto informaci poskytnout nemohou (senzor je mimo krátkou dobu expozice kryt zrcátkem), nicméně metodou cvičného pořízení snímku, prohlédnutím histogramu a případnou úpravou expozice lze docílit zcela stejného efektu.

Co to je histogram
Histogram není nic jiného, než statistika kolik pixelů snímku má jaký jas. Běžný jasový histogram obsažený snad ve všech současných fotoaparátech, je sestaven jen z jasového kanálu a zcela tak ignoruje barvu. Jas každého pixelu lze přitom vyjádřit jako R+G+B neboli každá barva přispěje do jasu stejným dílem.

Histogram zobrazuje plochu jednotlivých jasů od černé po bílou v obraze. Na obrázku je ukázka plochy velmi tmavých bodů (převládají) a velmi světlých. Z histogramu je též patrné, že plocha (počet) středně šedých bodů je poměrně malá. Je-li histogram nahoře uříznut, neznamená to nic jiného, než že bodů s tímto jasem je tolik, že se do histogramu již nevešly. Převládající tmavé tóny ani skromný počet šedých pixelů však není chyba. Odpovídá to náladě a záměru snímku.

Přepálená bílá (High Light)
Svislá černá čára u čistě bílé (na histogramu vpravo) naznačuje přepaly - místa bez jakékoliv kresby (v RGB representaci vyjádřené jako {255,255,255}). Existence přepalů sama od sebe není špatně, je však třeba si uvědomit, že přepaly neobsahují žádnou kresbu. Jsou tedy jednolitou bílou plochou, která často působí nepřirozeně a nepěkně. Přepaly lze ale někdy i využít ve svůj prospěch a sice pro separaci objektu při požadavku na průhledné pozadí. To bývá typické např. pro produktovou fotografii.

Příklad reálného histogramu fotoaparátu Canon u fotografie využívající celý rozsah jasů. Vysoký počet bílých bodů (čára zcela vpravo na histogramu) naznačuje ztrátu kresby v poměrně velké ploše kolem postavy. Přepálená místa blikají.

"Podpálená" černá (Shadow)
Stejně jako přepaly bílé je možné sledovat místa s čistě černou kresbou (RGB ={0,0,0}). Můžeme jim říkat třeba "podpaly" a jsou to opět místa bez jakékoliv kresby s čistě černou barvou. Na histogramu se prozradí čárou zcela vlevo. Sice se o nich příliš nehovoří, ale představují podobný problém jako přepaly bílé. Subjektivně ale přepal bílé působí na fotografii "dráždivěji" než podpal černé. Bohužel mnoho fotoaparátů podpaly nijak nesignalizuje, a tak je třeba se spoléhat jen na histogram.

RGB histogram
Jasový histogram přítomný na většině fotoaparátů je bezesporu obrovským expozičním pomocníkem, o kterém si filmoví fotografové mohou nechat jen zdát. Ukrývá se v něm ale jedna zrada, kterou zkušený digitální fotograf musí sledovat. Tím, že jasový histogram ukazuje pouze graf a případně přepaly součtu jednotlivých barevných kanálů R+G+B, může se snadno stát, že zamaskuje přepal pouze v jednom barevném kanále.

Příklad:

• Představte si barevný pixel obrazu s RGB hodnotami {200,210,200}. Jeho jas je (200+210+200) / 3 = 203, což odpovídá světle šedé. Žádný přepal fotoaparát nehlásí, protože tento jas je uvnitř rozsahu 0 až 255.
• Nyní si představte barevný pixel obrazu s hodnotami {255,200,155}. Jeho jas je (255+200+155) / 3 = 203, čili stejná šedá jako v prvním případě. Ani tady fotoaparát logicky žádný přepal nehlásí, protože výsledný jas je též uvnitř rozsahu 0 až 255.
• Hodnota 255 však signalizuje přepal, ale pouze v červeném kanále!

Takový přepal v pouze jednom či dvou barevných kanálech není na jasovém histogramu a při kontrole přepalů vidět a snadno si tak můžete přinést domu špatně exponovanou fotografii. Přepal např. červeného barevného kanálu se projeví tak, že fotografie v červených barvách nekreslí, ztratí se jemné detaily kresby a předměty vypadají jako z umělé hmoty.

Fotografie pořízená za jasného slunečního počasí a přesto, že jasový histogram (černá) je zcela v pořádku (dokonce naznačuje mírnou podexpozici), tak červený kanál je přeexponován! V důsledku toho je kresba sytě červeného listu silně zhoršena a listy vypadají jak polité červenou barvou.

Fotoaparáty nejvyšší třídy proto nabízejí tzv. RGB histogram. Jedná se vlastně o 3 histogramy sestavené pro každý barevný kanál RGB samostatně. Zda chcete sledovat jasový histogram, RGB histogram či všechny 4 dohromady je většinou možné volit v menu. Pohledem na RGB histogram je tak možné odhalit a opravit jasové přepaly ale i přepaly  v jednotlivých RGB kanálech.

Jaké je řešení pro fotoaparáty bez RGB histogramu?
Jediným řešením je z fotografované scény odhadnout, že hrozí nebezpečí RGB přepalu. Na RGB přepaly jsou náchylné scény s jednou sytou dominantní barvou fotografované v jasném světle - typicky květiny na slunci. Oproti automaticky změřeným hodnotám je potom třeba naslepo snížit expozici o cca -0.5 až -1.5 EV a doufat, že přepal nenastane.

Na přepaly v červeném kanále jsou velmi náchylné i portréty pořizované v umělém světle. Světlo žárovek či halogenů je jak známo červené a lidská pleť rovněž obsahuje hodně červené. Takže oboje dohromady snadno přepálí červený kanál. Řešením je takové snímky dle jasového histogramu mírně podexponovat (cca -1 EV). Jinak se ztratí kresba v obličeji a lidé vypadají bledí a bez kresby jako "smrt".

Závěr
Spoléhat se na automatickou expozici je velmi praktické v případě, že nemáte žádné větší fotografické ambice či reportážní charakter snímání ani nic jiného neumožňuje. V ostatních případech, kdy je na snímek čas a chcete mít jistotu dobře exponovaného snímku je více než moudré chápat automatiku jako velmi fundovaného poradce. Její výsledky je ale třeba kontrolovat, nejlépe podle histogramu, a případně dolaďovat. Nástrojů je k tomu naštěstí u moderních digitálních fotoaparátů více než dost.