Vše o světle – 13. Histogram - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

18. dubna 2007, 00.00 | V digitální éře fotografie je neocenitelným pomocníkem histogram. Dá se v klidu prohlásit, že když umíte číst histogram, neuděláte zásadně špatnou expozici. Sledovat tedy bezprostředně po expozici na displeji fotoaparátu histogram je nanejvýš rozumné – rozhodně rozumnější, než sledovat náhled snímku.

::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

Co je to histogram
Histogram není nic jiného než statistika expozice jednotlivých buněk senzoru. Zleva doprava je jas od černé po bílou a svislá čára u každého jasu ukazuje, kolik buněk bylo exponováno tímto jasem. Počet buněk přitom odpovídá ploše snímku a histogram tedy není nic jiného než odpověď na otázky:

• Jak velká plocha snímku je černá?
• Jak velká plocha snímku je tmavě šedá?
• Jak velká plocha snímku je světle šedá?
• Jak velká plocha snímku je zcela bílá?
• atp.

Histogram tedy umožňuje velmi přesně a objektivně (nezávisle na kvalitě zadního LCD displeje a množství okolního světla) zhodnotit expozici snímku a v případě potřeby přijmout rozhodnutí o expoziční korekci a snímek opakovat.

Tento obraz, skládající se ze 28 (7x4) pixelů, je tvořen 4 druhy šedé barvy. Pixely stejné barvy mohou být přeskládány na sebe v pořadí od černé po bílou. Tím vznikne histogram tohoto obrázku. Výška sloupce mimo jiné říká počet buněk, tedy plochu obrázku, která má danou barvu (šeď).

Reálný histogram pracuje s 256 hodnotami jasu (šedé), a tak sloupečky na sebe přímo navazují. Vlevo je vždy černá, vpravo bílá, ve středu střední šedá. Tvar křivky tedy jasně prozradí, jak na tom s rozložením jasů obrázek je.

Na fotoaparátu může vypadat histogram různě, princip je ale stále týž. Fotoaparáty Canon například zobrazují společně s histogramem přepálenou bílou, kterou označují blikáním.

Často na displeji uvidíte nahoře uříznutý histogram. To samo o sobě neznamená nic Významného, ale pouze naznačuje, že počet bodů daného jasu (šedi) je vysoký. Z hlediska expozice to není chyba – pouze sdělení, že velká plocha snímku má stejný jas, a to může naznačovat kompoziční chybu, tedy nezajímavý obsah. Velkou plochu může například tvořit nudné šedé pozadí. Ale to je samozřejmě věc názoru, a může to být zcela prvoplánový záměr!

Toto je příklad "správného" histogramu a "správné" expozice. Křivka vyplňuje celé pole, tedy obraz používá všechny stupně šedé od černé po bílou, ve snímku ale není žádná velká plocha černá (podpálená) ani jednolitě bílá (přepálená). Uvozovky jsou použity proto, že "správná" expozice podle histogramu je správná jen z technického pohledu. Subjektivní pohled na snímek může být totiž zcela jiný.

 

Tento snímek je podexponovaný. Histogram ukazuje mnoho pixelů s hodnotou 0 – tedy černých, kde již není žádná kresba. Snímku chybí světle šedé a bílé tóny.

 

Tento histogram naznačuje přeexpozici. Mnoho pixelů je čistě bílých, Přepálených, a tím bez kresby – viz mraky. Snímku zcela chybí tmavé tóny.

 

Tento histogram naznačuje vysoký kontrast scény, kde jak černá místa, tak bílá místa jsou oříznuta a ztrácí se v nich kresba. Dynamický rozsah scény je větší než možnosti senzoru a nelze dobře exponovat – vždy to bude kompromis kresby ve světlech, ve stínech nebo "něco mezi". Pro správnou expozici je třeba řešit scénu – například filtry, bleskem atp.

 

Tento snímek naopak postrádá kontrast a je tvořen jen šedými tóny. Nemá ani černou ani bílou, snímek je mdlý, i když dobře exponovaný (na střed).

 

Málo kontrastní snímek (viz ukázka výše) není problém upravit v PC pomocí křivek (Curves) nebo pomocí úrovní (Levels) a kontrast mu přidat. Histogram snímku po úpravě však bude "děravý", protože roztažením histogramu na celé pole se některé šedé tóny obskočí a plynulost polotónů tím utrpí. Není to sice žádné drama, avšak silná editace může vést až k posterizaci.

Černý a bílý bod
Histogram také říká, jak se reálná scéna promítla do výsledných čísel poskytnutých senzorem a tvořících digitální fotografii. Přestavte si scénu, ve které najdete nejtmavší bod. Pohledem na histogram zjistíte, na jaké číslo se tato černá na senzoru převedla. Je to nejnižší číslo na celém snímku, tedy levý okraj histogramu. Nemusí to být nutně nula – je-li to například 40, tak nejtmavší bod scény bude na výsledné fotografii tmavě šedý, ne černý. Tomuto místu na histogramu či na fotografii se říká černý bod.

Zcela stejně histogram odpoví na otázku, jak je naloženo s nejsvětlejším bodem na scéně a jak se promítl na výslednou fotografii. To odpovídá pravému okraji histogramu a opět to nemusí být čistá bílá, tedy 255. Vzdálenost (rozdíl) černého a bílého bodu potom sděluje kontrast neboli dynamický rozsah výsledného snímku. Čím dále budou tyto body od sebe, tím kontrastnější bude snímek. Polohu černého a bílého bodu určuje právě expozice. Úprava černého a bílého bodu potom představuje základní nástroj při editaci každé fotografie.

RGB histogram
Některé pokročilé fotoaparáty umožňují vedle jasového histogramu zobrazit i tzv. RGB histogram. Jaký histogram bude zobrazen, se obvykle volí v menu nebo je současně zobrazen jak RGB histogram, tak i jasový histogram. RGB histogram má opět zcela stejný význam, ale tentokrát zobrazuje samostatně statistiku jasu červených, zelených a modrých buněk, tedy všech tří RGB složek v souladu s logikou Bayerovy masky a konstrukcí senzoru.

RGB histogram je dokonalejší nástroj na kontrolu expozice než pouhý jasový, protože umožní samostatně sledovat expozici červených, zelených i modrých buněk. Některé fotoaparáty (na obrázku Canon) zobrazují pohromadě jak jasový, tak RGB histogram, některé však RGB histogram vůbec nenabízejí. Avšak i pozorné sledování "jen" jasového histogramu poskytne dobré výsledky.

Černý bod např. u zeleného (G) histogramu je místo, kde je minimální zelená (nemusí to opět nutně být číslo nula), a bílý bod je vlastně zelený bod, tedy kam se na histogramu v zeleném kanále promítlo nejzelenější místo scény. Opět to nemusí být nutně maximální zelená, tedy 255. Ne na každém snímku musí být totiž maximální bílá, tedy hodnota, kde všechny tři kanály RGB jsou na hodnotě 255.

Histogram je skvělý nástroj zejména u expozičně těžkých scén, kde je náhled na malém, barevně nepřesném displeji k ničemu. Díky RGB histogramu máte navíc jistotu, že si nenesete domu např. snímek s přepáleným červeným kanálem, kde potom nastane ztráta kresby.

Naučit se číst jasový histogram a případně i RGB histogram poskytne maximální kontrolu nad expozicí – takovou kontrolu, o které se filmovým fotografům ani nezdálo. Výměnou za tento luxus je ale s digitální fotografií spojen smutný fakt, že digitální senzor je kvůli menšímu a striktně omezenému dynamickému rozsahu na správnou expozici mnohem náchylnější. Je tedy třeba exponovat přesněji a histogram a jeho mocná kontrolní síla tuto nevýhodu částečně kompenzuje.

Histogram a editace snímku
Porozumění histogramu a dynamickému rozsahu snímku versus rozsahu scény je i zcela základní znalost pro efektivní a cílevědomou úpravu fotografií. Máte-li tuto znalost, tak je zcela lhostejné, jaký editor používáte. Ikonky či klávesové zkratky se mohou lišit, ale princip je stále stejný a jiný být ani nemůže.

Jako příklad se podívejme na opravu podexponované fotografie, kde světlé tóny (šrafovaná oblast na histogramu) zcela chybí. Nejsvětlejší zajímavé tóny scény (socha) se mapují jen na šedou na fotografii (střed histogramu). Nejsvětlejším tónem scény je sice lampa (ta se proto mapuje v histogramu zcela vpravo, kde je malý vrcholek u bílé), ale subjektivní lidské hledisko dává logicky přednost soše. Tato lampa a její jas byl též asi příčinou toho, že automatika při stanovení expozice takto chybovala.

Podexpozici této fotografie jasně odhalí histogram, i když z technického pohledu je fotografie expozičně  v pořádku – má černou i bílou.

Pokud by přímo na scéně fotograf kontroloval histogram, tak problém, že si odnáší domů podexponovanou fotografii z hlediska zajímavých částí scény, jednoznačně odhalí. Navíc má šanci snímek opakovat a "poradit" automatice lepší výsledek. Zrada je navíc v tom, že z technického pohledu má snímek bílou i černou, a tak je technicky zcela v pořádku! Proto ani minilab či jakékoliv automatické opravy toho mnoho nezmůžou.

K opravě podobných problémů s bílou nebo černou slouží nejlépe nástroj Úrovně (Levels, Ctrl+L). Jednak je vidět, histogram a současně posuvníky pod ním umožňují označit nový a správný nejsvětlejší či nejtmavší bod.

Ze snímku i z histogramu je jasné, že bílá nemá být jen lampa, ale také nejsvětlejší části sochy. Proto je třeba bílého jezdce posunout vlevo na to místo histogramu, které má být bílé a nyní je šedé, hodnota (135). Jinými slovy na histogramu označíte šedou, která se převede na bílou, a úměrně k tomu se zesvětlí celý snímek.

Posunem černého a/nebo v tomto případě jen bílého jezdce můžete označit kus histogramu, který se převede na celý rozsah od černé po bílou. Číslo nahoře (zde 135) současně říká, že jste posuvník posunuli na šedou, kódovanou jako 135, a tato se převede na bílou 255. Je-li zaškrtnut náhled, je změnu možné současně sledovat na obrázku.

Posunem pravého bílého jezdce doleva označíme část histogramu (jeho levou a smysluplnou část), kterou si přejeme roztáhnout na celý černo-bílý rozsah. Původní šedá 135 se tak stane bílou 255 a nový histogram vyplní celé černo-bílé pole. Logicky ale bude děravý – některé hodnoty šedé budou kvůli roztažení přeskočeny.

A takto vypadá fotografie po úpravě. Původně šedé tóny sochy se posunuly výrazně směrem do světel, tmavé tóny zůstaly téměř beze změny a lampa je logicky nadále přeexponována v bílé – dokonce výrazně více, jak je vidět na velké špičce histogramu vpravo. Důsledkem takového masivního zesvětlení je ale výrazný růst šumu, patrný zejména v tmavých tónech, a také „zředění“ histogramu. To signalizuje, že v roztaženém histogramu jsou vynechány některé odstíny, které byly při roztažení přeskočeny. Proto je třeba používat tuto metodu s citem.

Závěr
Cílem tohoto seriálu nejsou úpravy fotografií v PC, a tak uvedená ukázka je myšlena jako konkrétní aplikace histogramu v praxi. Histogram je proto opravdu vynikající nástroj jak na scéně, tak následně u PC. Je proto nanejvýš rozumné mít na fotoaparátu zapnuté zobrazení histogramu právě exponovaného snímku hned po zmáčknutí spouště a po očku histogram stále kontrolovat. Některé okamžiky se totiž již nemusí opakovat a dobrý histogram vám téměř garantuje dobrou expozici.