Vše o světle - 12. Kontrast - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

13. dubna 2007, 00.00 | Pojmu kontrast většina lidí intuitivně rozumí. Je to jednoduše řečeno rozdíl mezi světlem a tmou. Přesto v sobě kontrast skrývá klíč k pochopení dynamického rozsahu scény, dynamického rozsahu senzoru, výsledného kontrastu snímku a je společně s histogramem i klíčem ke správné expozici a správné editaci snímků v počítači.

::Vše o světle - 1. Co je to světlo
::Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek
::Vše o světle – 3. Intenzita (jas) světla
::Vše o světle – 4. Barva světla
::Vše o světle - 5. Barevné modely
::Vše o světle - 6. Barevná harmonie a psychologie barev
::Vše o světle – 7. Barva předmětů a vyvážení bílé
::Vše o světle - 8. Kvalita světla
::Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů
::Vše o světle – 10. Správa barev (color management)
::Vše o světle - 11. Měření světla a expozice
::Vše o světle - 12. Kontrast
::Vše o světle – 13. Histogram
::Vše o světle – 14. EV hodnota

Kontrast je možné vzhledem k vlastnostem lidského oka definovat různě. Např. barevný kontrast je postaven na kontrastu barev a maximálního kontrastu lze dosáhnout použitím vzájemně doplňkových barev. Asi častější chápání slova kontrast je postaveno na jasovém kontrastu – čili rozdílu jasů různých ploch (jejich luminanci) v jedné scéně. Podrobněji o luminanci a všem okolo ní najdete v článku Veličiny pro měření světla.

Levá strana fotografie má v PC značně snížený kontrast. Bude se snáze zobrazovat i tisknout, vypadá ale hůř.

Lidské oko je ale v šeru, kdy je málo světla, na kontrast mnohem citlivější než  při silném světle. Není tedy možné chápat kontrast jako prostý rozdíl jasů. Kontrast je třeba vztáhnout k absolutní hodnotě světla, jinými slovy – stejný rozdíl jasů se bude v jasném světle jevit menší než v šeru. Kontrast je tedy číselně možno definovat jako:

Rozdíl jasů ve scéně / Průměrný jas ve scéně

Kontrast v přírodě
Příroda disponuje obrovským rozsahem jasů. Jeden z nejvyšších běžně dosažitelných jasů v přírodě poskytuje naše Slunce. Pokud máte slunce přímo v záběru, tak jas v jeho místě bude skutečně enormní, a toto místo tak povede na snímku k přeexpozici. Jako velmi malý jas je možné si představit např. snímky pořízené za svitu měsíce, či dokonce pouze za svitu hvězd. Velmi malých hodnot jasů se také snadno dosáhne v uzavřených interiérech – sklepy, chodby atp.

Absolutní kontrast scén v přírodě je obrovský. I v jedné jediné okem viditelné scéně často přesahuje možnosti současných senzorů jako na tomto snímku. Nejvyšší jas zde poskytlo přímé slunce v záběru, které je však přeexponované. Nejnižší jas lze nalézt na odvrácených zdech domů, kde již je jen sporadická kresba.

Tyto příklady představují obrovský rozsah jasů, naštěstí se ale obvykle nevyskytují v jedné scéně. Nicméně i v jedné scéně je možné najít velký rozdíl jasů – za slunného dne například snímek se sluncem v záběru, na kterém se nacházejí i v hlubokém stínu ukryté tmavé předměty. To je typické například pro krajiny či architekturu. I když nebude slunce přímo v záběru, tak kontrast jasu oblohy oproti jasu míst v hlubokém stínu může být obrovský a velký kontrast vytvářejí i bodové světelné zdroje v záběru – žárovky, lampy atp.

Studiová fotografie má to kouzlo, že si za kontrast scény zodpovídáte sami. Neboli jaký kontrast si nasvítíte, takový budete mít. V praxi je lepší a bezpečnější to s ním příliš nepřehánět. V exteriéru takovou možnost ale nemáte a musíte vzít za vděk takovými světelnými podmínkám, jaké tam panují.

Dynamický rozsah senzoru
Již v minulých článcích bylo naznačeno, že senzor dnešních digitálních fotoaparátů vyžaduje regulovat světlo dopadající na jeho jednotlivé buňky. Cílem je zařídit, aby na všechny buňky senzoru dopadlo takové množství světla, ve kterém buňky dobře pracují. Málo světla nevyprovokuje v buňce žádný signál a naopak moc světla není schopno vygenerovat z buňky větší signál než maximální, a buňka tak přestává dobře pracovat = měřit světlo.

Tomuto rozsahu, kde každá buňka senzoru dobře pracuje, se říká dynamický rozsah senzoru. Díky ovládání clony a expozičního času není problém přizpůsobit světlo měnicím se podmínkám na scéně. To je úkolem automatiky a nastavení správné expozice. Problém nastává, když se v jedné scéně vyskytují místa s příliš malým a současně příliš velkým jasem. V takovém případě budě vždy několik buněk (počet může být i poměrně vysoký) mimo dynamický rozsah, a nebudou proto dobře pracovat = měřit světlo.

Cílem správné expozice je změřit průměrné množství světla na scéně a dávkovat ho na senzor tak, aby senzor byl uvnitř svého dynamického rozsahu. Nejtmavší bod scény se v ideálním případě stane nejtmavším (černým) bodem fotografie a nejsvětlejší bod scény se stane nejsvětlejším (bílým) bodem fotografie.

 

Je-li na scéně jiné průměrné množství světla (srovnejte noční snímek se snímkem v pravé poledne), úloha je zcela stejná. Bílý i černý bod na výsledné fotografii tak representuje dramaticky rozdílný jas na scéně! Srovnejte například bílou na zdi mešity s bílou vytvořenou odleskem měsíce na vodní hladině. Na obou fotografiích je to bílá, ve skutečnosti to byl ale dramaticky odlišný jas na scéně!

Čím větší by byl dynamický rozsah senzoru, tím větší část jasů přírody by dokázal zachytit a tím menší by byly nároky na stanovení expozice. Také všechny kompromisy by byly méně bolestné.

Volbou expozice de facto vybíráme kus přírody, kterou chceme na fotografii zachytit. Je-li ale rozdíl jasů (kontrast) ve scéně větší než dynamický rozsah senzoru, vše zachytit na jednu fotografii nelze.

Dynamický rozsah snímku
Pokud nesnímáte do RAW, kdy jsou čistá data získaná ze senzoru uložena na kartu a zpracována až v PC, tak ve fotoaparátu musí proběhnout kompletní výpočet fotografie až do případné finální JPEG komprese. A při výpočtu fotografie se musí aplikovat tonální křivky, které vlastnosti senzoru přizpůsobují vlastnostem oka. Tím může dojít, a často i dochází, k oříznutí nejvyšších jasů a hlubokých stínů a tím k dalšímu omezení dynamického rozsahu. Snímání do RAW tak umožní uchovat plný dynamický rozsah senzoru a případná omezení daná tonální křivkou zvolit až v PC.

Ukázka volby tonální křivky při převodu snímku z RAW v programu Digital Photo Professional firmy Canon. Tvar křivky sice volit nelze, ale posuvným jezdcem je možné volit z 9 předdefinovaných tvarů. Volba "Linear" potom nepřizpůsobuje senzor oku vůbec.

Dynamický rozsah monitoru/tiskárny
Fotografie uložená v číslech není k ničemu, dříve či později je třeba ji zobrazit na monitoru nebo vytisknout na tiskárně. Výstupní zařízení mají ale také svůj dynamický rozsah. U monitoru je maximální černá daná tmavostí obrazovky ve vypnutém stavu a mimo jiné závisí i na odrazivosti světla z okolí. Nejjasnější bílá je potom u klasické televize daná její schopností maximálního svitu luminoforů, u LCD monitorů potom maximálním jasem podsvícení.

Tiskárny to mají ještě horší – nejjasnější bílá, kterou tiskárna dokáže zařídit, je daná bělostí použitého papíru, kdy tiskárna "nedělá nic" a nejtmavší černá je daná schopností jejích inkoustů papír zakrýt. Vliv použitého papíru je tak poměrně zásadní a přitom běžná tiskárna jeho kvalitu a vlastnosti nezná. To je důvod, proč se u tiskáren použitý papír obvykle zadává a proč je lepší pro kvalitní tisk používat značkové papíry.

^[1] V praxi se často dynamický rozsah zařízení špatně zjišťuje. V technických parametrech obvykle uváděn není (přestože se jedná o veledůležitou veličinu) a obecně dostupné informace se často rozcházejí. Tabulka shrnuje dostupná data, na kterých se řada zdrojů shoduje.

^[2] Lidské oko je opravdu div co se optických vlastností a adaptace týče. Rozlišení oka a jeho dynamický rozsah leží daleko před možnostmi jakéhokoliv filmu nebo digitálního čipu. Za průměrných podmínek může lidské oko přesně zaznamenat detaily i ve světelných intenzitách o poměru 1 : 30 000 v jedné scéně a absolutní dynamický rozsah – od adaptace na úplně tmavou po adaptaci na úplně světlou – dosahuje až 1 : miliardě (30 EV)!

Kontrast nebo dynamický rozsah?
Pro fotografa je dynamický rozsah senzoru stále malý, a tak často při silně kontrastní scéně s tímto omezením zápasí. Dynamický rozsah monitorů a tiskáren je však ještě menší. Vhodně zvolená tonální křivka tak umožní zobrazit i na tiskárně celý dynamický rozsah senzoru za cenu nižšího kontrastu výstupu. Jinými slovy – detaily ve světlých i tmavých částech budou dobře vytištěny a prokresleny, avšak celkový kontrast snímku na papíře (poměr nejsvětlejšího a nejtmavšího bodu) bude výrazně menší.

Výsledek? Zachovali jsme dynamický rozsah za cenu ztráty kontrastu, neboli dynamický rozsah jsme zkomprimovali. Výrobci jsou tak v neustálém tlaku zda upřednostnit kontrast, nebo dynamický rozsah a toto dilema řeší vhodně volenými tonálními křivkami. Jak již bylo uvedeno, snímání do RAW umožní toto rozhodnutí odložit až do PC a převodní tonální křivku určující kompresi dynamického rozsahu si libovolně nastavit. I v menu fotoaparátu lze však nastavit různé tonální křivky – obvykle někde pod volbou "Contrast". Různé tonální křivky se také automaticky nastavují ve fotoaparátu při volbě scénických režimů – například krajina, portrét atp.

Ukázka vlivu tonální křivky na snímek. Vlevo malý kontrast ale větší dynamický rozsah, ve středu velký kontrast ale malý dynamický rozsah, vpravo potom ukázka lineárního převodu, kdy se senzor oku nijak nepřizpůsobuje. Z ukázky je vidět, že výrobci řeší dilema – mdlé fotky ale s větším dynamickým rozsahem, nebo hezké, kontrastní ale s malým rozsahem? RAW umožní tato rozhodnutí opakovaně provádět až u PC.

Zónový systém (Zone system)
Zónový systém zde zmiňme jen na okraj, protože jeho hlavní sláva patří do dob černobílé filmové fotografie. V roce 1941 ho vypracoval Ansel Adams s cílem vytvořit systematickou metodu, jak řízeným způsobem převést obraz, který vidíme okem, do černobílé podoby. Je možné ho bez problémů použít i v digitální fotografii, i když obvykle je doménou tzv. master class fotografie - velkoformátové fotografie mistrovské kvality.

Ansel Adams rozdělil celou škálu šedých tónů na scéně nebo na výsledné černobílé fotografii do 10 zón. Zóna 0 odpovídá zcela černé a nemá v sobě již žádnou kresbu (texturu). V digitální fotografii tedy odpovídá "podpalu". Kresba začíná v zóně 1, tedy ve zcela černé, ale již schopné základní, byť nedokonalé kresby. Zóna 5 potom odpovídá střední šedé (šedé přesně mezi černou a bílou), zóna 8 bílé, ale ještě schopné zbytkové kresby a zóna 9 zcela bílé již úplně bez kresby (textury). Zóna 9 tedy odpovídá přepalu. Zóny schopné plné kresby se zachováním detailů, které tvoří nejzajímavější části fotografie, jsou tedy zóny 2 až 7.

Hrubé znázornění 10 zón podle Ansela Adamse. Jak však vidíte, silně závisí na nastavení vašeho monitoru.

Smysl zónového systému je v tom, že umožňuje fotografovi si na scéně představit budoucí černobílou fotografii, zóny si pojmenovat a případně na základě této previzualizace provést expoziční rozhodnutí, použít vhodné filtry či vhodným způsobem klasický film vyvolat. Ke zjištění zón ve scéně je s výhodou možné použít bodové měření expozice. V jistém smyslu tak původní zónový systém Ansela Adamse odpovídá současným úvahám o kontrastu scény versus dynamický rozsah senzoru versus dynamický rozsah výsledného snímku. Zónový systém by se tak dal nazvat i jakýmsi jasovým plánem snímku.

Závěr
Poděkujme kontrastu za to, že je. Kdyby nebylo jasového kontrastu a všechny fotografie by se musely spoléhat na barevný kontrast, fotografie by byly mdlé a nevýrazné. Kdyby nebyl ani barevný kontrast, svět by byl jen jednolitě šedý. Jako vždy ale platí – všeho s mírou!

Kontrast je nástroj, i když dokáže někdy pozlobit. Když to nejde jinak, zkuste z něj udělat spojence a pohrát si s výsledky, které některé zvláštní úhly a pohledy nabídnou. Někdy to může dopadnout i zajímavě!

Poznáte-li na scéně malý kontrast, máte poměrně velkou svobodu co s tím. Případná expoziční chyba se na snímku příliš neprojeví a lze ji snadno napravit v PC. Identifikujete-li ale na scéně vysoký kontrast, situace je bohužel složitější. Často se dokonce nemusí podařit zaznamenat ani scénu světelně celou. Máte-li možnost (třeba u portrétu), přestěhujte portrétovaného např. z přímého slunce do stínu, kde je přirozeně menší kontrast. Nemáte-li možnost změnit světelné podmínky (krajina), zkuste použít např. filtry (polarizační, přechodový) či přisvítit bleskem popředí.

Fotografie pořízené v mlze či za pošmourného dne jsou ukázkou snímků s malým kontrastem.

Existuje i často diskutovaná možnost nasnímat fotografie dvě – jednu na světla a druhou na stíny – a potom je v PC složit. Provedete tak silnou kompresi kontrastu výměnou za výrazně větší dynamický rozsah. Zní to lákavě, ale praktické provedení je těžší. Nejenže to vylučuje jakékoliv snímky, kde se cokoliv hýbe, ale stativ je podmínkou a navíc zjistíte, že i v krajině se hýbe mnoho věcí – listy, voda, mraky, ptáci atp.