Kodėl fotografuoju į RAW? (II dalis)

Taigi - antra dalis užtruko. Daug daug ilgiau negu tikėjausi. Bet pagaliau turiu viską, ko reikia užbaigti pradėtą darbą, todėl tęsiam atsakymų paiešką: kiek galima išspausti iš "nenusisekusio" kadro  apie kurį rašiau pirmoje dalyje?

Pradžiai apie įrankius kuriuos naudojau. Kadangi fotografija nėra mano profesija, o tik hobis, tai mokėti rimtus pinigus už rimtas programas a la Adobe Photoshop kažkaip ranka nekyla. Nelegalus instaliaviamas arba vagystė palieka tokį pošlykštį diskomforto jausmą, todėl jau senokai tuom neužsiiminėju. Taip, dažniausiai naudoju GIMP'ą, bet šiuo atveju jį išmečiau iš galimų variantų dėl per mažo tikslumo - jo vidiniai algoritmai naudoja tik aštuonių bitų koduotę. Todėl vėl pasirinkau  nemokamų programų paketo ImageMagick šešiolikos bitų instaliaciją. To paties, kurį naudojau pirmoje dalyje skirtumui matuoti. Toks komandinės eilutės įrankio pasirinkimas turi netgi šiokį tokį privalumą - į komandinį failą (.cmd, .bat ar .sh - skonio reikalas) surašius komandų seką, dviem klavišų paspaudimais gauni pakoreguotą vaizdą ir iškart pamatavimą, kiek jis artimas etalonui. Bet čia manęs pasirodo laukė "spąstai", kurie prarijo visą pagrindinį laiką skirtą šiam įrašui: tuos komandinius failus teko sukti nežinau kiek šimtų kartų, kol išspaudžiau kažkokį maksimumą iš kiekvieno vaizdo.

Kol neperėjom prie konkrečių vaizdų, įspėjimas: nebandykite to kartoti namuose - užmušit labai daug laiko :) Reikia pripažinti, kad pagrindinis mano eksperimento rezultatas - iki maksimalaus panašumo etalonui išspaustas vaizdelis - mažai pritaikomas praktikoje. Nes jeigu turite galimybę palyginti - vadinasi turit gerą kadrą ir tą prastąjį galit mesti lauk - kam prie jo vargti? O jeigu turit tik nenusisekusį, tai vis tiek geriau jį taisyti su įprasta vaizdų redagavimo programa, kurioje galit iš kart pamatyti - patinka ar ne jums rezultatas.

Taigi, jeigu neatmušiau noro toliau skaityti, pradinis vaizdelis:

Kodėl fotografuoju į RAW? (I dalis)

Šiaip jau diskusijas kokiu formatu geriau fotografuoti – RAW ar JPG – galima priskirti „religinių ginčų“ kategorijai. Nemėgstu tokiuose dalyvauti, nes naudos iš religinių ginčų paprastai yra nedaug. Bet va neatsispyriau pagundai ir sudalyvavau diskusijoje Grumlino tinklaraščio komentaruose apie tai: fotografavimas į RAW formatą yra išmislas ar ne?

Jau kuris laikas pats fotografuoju į RAW formatą – man patinka jo suteikiamas lankstumas. Bet kiek jis objektyviai geresnis už JPG? Tad po minėtos diskusijos pagalvojęs nusprendžiau, kad visai sveika būtų šioje srityje irgi „susidėlioti taškus ant i“.

Pradžiai apie tai, kuom teorijoje RAW skiriasi nuo paplitusio JPG. Esminių skirtumų nėra daug, bet jie yra labai svarbūs:

1. RAW formate yra užrašoma informacija praktiškai taip, kaip ji buvo nuskaityta iš fotoaparato sensoriaus. Šis formatas (-ai) yra priklausomi nuo atitinkamų fotoaparatų gamintojų, todėl manau nei vienoje bendro naudojimo vaizdų redagavimo programoje „Save as...“ dialoge nerasite pasirinkimo saugoti į RAW – nėra vieningo standarto. Gi JPG formatas yra tarptautinis standartas ir jame išsaugota fotografijos informacija jau būna pagal tam tikras taisykles apdorota.
2. RAW formatas kiekvienai iš RGB spalvų koduoti - priklausomai nuo fotoaparato - naudoja 12 arba 14 bitų, t.y. 4096 arba 16384 reikšmes. JPG kiekvienai iš spalvų koduoti naudoja tik 8 bitus arba 256 skirtingas reikšmes.
3. RGB reikšmės RAW formate pasižymi tiesiškumo savybe. T.y. dukart ilgiau eksponuoto kadro RGB reikšmės bus proporcingai didesnės. O fotografijai JPG formate standartinėje sRGB spalvų erdvėje yra pritaikoma taip vadinamoji gama korekcija, dėl ko dukart ilgiau išlaikyto kadro RGB reikšmės skirsis mažiau negu du kartus. Kuo šviesesni bus tonai, tuo mažesnis bus tas santykis. Ir atvirkščiai.

Ūkiškas klausimas – kaip šitais skirtumais pasinaudoti praktiškai? Šiek tiek pasikartosiu: kaip žinia, ekspozicija yra tam tikras kompromisas tarp ISO jautrumo (triukšmų), apertūros (detalės/bokeh) ir išlaikymo (judesio išplaukimas). Prieblandoje fotografuojant be blico man visuomet „peilis“ yra ilgas išlaikymas - „plaukia“ kadrai, nes išlaikymo metu rankos šiek tiek sudreba, kad ir kiek stengčiausi. Dar blogiau, jeigu fotografuojamas objektas, pvz. juodas šuo parodos metu ringe, juda – joks trikojis nepadės. Galima kažkiek užsikelti sensoriaus jautrumą (ISO), bet pakankamai greitai fotografijose pradeda lįsti gan akivaizdūs triukšmai, kuriuos reik valyt, o tai reiškiasi kirst per detalumą. Apertūra paprastai atidaryta ir taip iki galo. Ką dar būtų galima padaryti? Tokioje situacijoje bandau gudrauti ir pasitelkti į pagalbą RAW formato savybes - nurodau fotoaparatui ekspozicijos korekciją (neišlaikymą) kokiems 1-2 Ev. Kodėl? Todėl, kad paėmęs RAW galiu pakoreguoti (padidinti) ekspoziciją per tuos pačius 1-2 Ev neiškreipdamas bedro vaizdo, t.y. pasinaudoti ta pačia RAW tiesiškumo savybe.

Mat 12-a bitų RAW formate teoriškai reiškia tiek pat žingsnių dinaminį diapazoną. Neišlaikymas per 2 Ev reiškia keturiskart trumpesnę ekspoziciją prie tos pačios apertūros. Ir atitinkamai keturis kartus mažesnes reikšmes RAW faile. Arba dviejų bitų (žingsnių) tikslumo praradimą. Rezultate turim vis dar teorinį 10 bitų dinaminį diapazoną, kurį su minimaliais nuostoliais galim konvertuoti į JPG 8 bitų dinaminį diapazoną. Atkreipiu dėmesį - ekspozicijos taisymas, kontrasto keitimas ir panašūs veiksmai gali išryškinti detales, tačiau neikeičia jų kiekio arba realaus nuotraukos detalumo, t.y. dinaminio diapazono. JPG atveju neišlaikymas per 2 Ev reikš dinaminio diapazono mažėjimą iki 6 bitų. Teoriškai tai reiškia keturis kart mažiau detalių negu nuotraukoje pagamintoje iš RAW ir to pasekoje labiau išplaukęs vaizdas ir/arba "grūdėtumas".

Visa tai teorija. O kaip praktikoje? Norint nors kiek patikimai pamatuoti fotografijos dinaminį diapazoną reikia turėti atitinkamai sukalibruotą fotografuojamą taikinį ir šviesos šaltinį. Aš tokių neturiu, dauguma jūsų manau irgi – brangus tai malonumas. Galiu fotografuoti statinį vaizdą. Bet kaip, nors kiek objektyviai, pamatuoti skirtumus tarp fotoaparato pagaminto JPG ir iš RAW kompiuteryje pagaminto JPG? Turėti įvertinimą skaičiais juk būtų netgi labai sveika.

Prisiminiau, kad karts nuo karto vaizdų apdorojimui naudoju nemokamą programų paketą ImageMagick. Jame atradau vaizdų palyginimo programa „compare“, kuri leidžia suskaičiuoti skirtumus tarp dviejų vaizdų įvairiausiais būdais. Viena iš suskaičiuojamų metrikų, o būtent Peak Signalto Noise Ratio (PSNR), leidžia skaitiniu būdu gan neblogai įvertinti kiek du vaizdai yra panašūs/skirtingi. Turėdamas kokybišką kadrą - vaizdo etaloną - galiu pamatuoti skirtumą (PSNR) nuo ne tokio kokybiško kadro. Taip įvertinsiu kaip man sekėsi atstatyti etaloninį kadrą iš neišlaikyto kadro RAW ar JPG formate. Ir galėsiu palyginti kuris iš jų su šia užduotim susidoros geriau. Taigi - eksperimentas. Fotografimui naudojau štai tokias priemones ir parametrus

Fotoaparatas	Canon EOS 40D
Objektyvas	EF 24-105mm f/4 L IS USM
Apšvietimas	Natūrali dienos šviesa (apniuke), šoninis
Fotografavimo rėžimas	Manual + AE bracketing
Jautrumas	ISO 200
Baltos spalvos balansas	Debesuota
Apertūra	f/4
Išlaikymas	1/13s ± 1⅓Ev [AE bracketing] su 10s užlaikymu
Formatas	RAW+JPG (3888x2592)
Nuotraukos stilius	Neutralus
Blykstė	Ne
Trikojis	Taip

Trumpai apibūdinsiu eksperimento idėją:

• Fotografuosiu tą pačią sceną su skirtingais išlaikymais. Kad galėčiau palyginti gautas nuotraukas scena parenkama statinė ir fotoaparatas nustatomas į automatinio fotografavimo ekspozicijos intervale (Auto ExposureBracketing) rėžimą. Taip gauname tris to paties kadro ekspozicijas. 
• Konkrečiai šiame eksperimente scenos apšviestumas padiktavo šiuos išlaikymus: 1/5s, 1/13s, 1/30s. Kadras išlaikytas 1/5s yra etaloninis – su juo ir bus lyginama. O atstatinėti bandysime iš kadro fotografuoto su 1/30s išlaikymu. 
• RAW ir JPG palyginimui pasirenkau fotografavimo į RAW+JPG būdą, todėl kiekvienas kadras išsaugomas dviejuose skirtinguose formatuose. Rezultate vienu mygtuko paspaudimu gauname šešis failus atitinkančius tris skirtingas ekspozicijas. 
• Trikojis ir 10s užrakto užlaikymas turi garantuoti, kad fotoaparatas nejudės ir nuotraukų scenos bus pikselis į pikselį identiškos.
• JPG gaminti iš RAW buvo naudojama standartinė Canon programa Digital Photo Professional su absoliučiai standartiniais nustatymais. Vienintelis parametras, kurį nurodžiau - tai kur histogramoje  yra užfiksuotos ekspozicijos maksimumas.
• Iš esmės lyginsiu obuolius su obuoliais ir apelsinus su apelsinais, t.y. JPG tik su JPG variantais ir RAW tik su RAW. Visi kryžminiai palyginimai JPG vs RAW yra tik dėl sportinio intereso, bet ne dėl objektyvaus vertinimo.

Berods nieko neužmiršau. Tada - pirmyn, prie nuotraukų.

Pradžioje - neredaguoti fotoaparato pagaminti JPG (kairėje) ir iš RAW kompiuteryje gaminti JPG variantai (dešinėje):

Fotoaparato JPG

JPG iš RAW formato

Sutikit - skirtumai daugiau negu akivaizdūs. Jei labai smalsu - bakstelkite paveikslėlius ir pamatysite originalaus dydžio nuotraukų grupes. Įspėju: failai nemaži - apie 3MB ir 5MB atitinkamai.

Pamatavau, kokį PSNR gaunu tarp idealaus kadro (1/5s) ir maksimaliai neišlaikyto (1/30s). Primenu - lyginu JPG su JPG ir RAW su RAW atitinkamai:

JPG	~11,2dB
RAW	~30,1dB

Skirtumas yra beveik 20dB - daug tai ar mažai? Ogi matematika sako, kad iš RAW pagamintas variantas yra dešimt (10) kart arčiau etalono, negu fotoaparato pagamintas JPG. Nežinau kaip jums, bet man tai daro įspūdį.

Tai toks pirmas greitas žvilgsnis į pasirinkimą RAW vs JPG. Sekanti mintis, kuri kirbėjo nuo pat eksperimento pradžios, yra tokia: o ar tikrai iš JPG'o įvairiausiais redagavimais negalima "išspausti" daugiau, kad kokybė susilygintu su RAW? Tikrai įdomu. Bet apie tai sekančiuose įrašuose.

1/3 tiesos

Ar buvot nors kartą žiūrėdami į nuotrauką pagalvoje: "o, geras - kokios natūralios spalvos"? Nors šiaip jau esu kritiškas tiek sau, tiek ir kitiems, bet turiu prisipažinti, kad tokia mintis yra ir mane ne kartą aplankiusi. Todėl kartą internete aptiktas teiginys, kad skaitmeninėje nuotraukoje yra tik  1/3 tiesos, buvo tarsi šaltas dušas. Kaip tai? Kodėl?

Priežastį pasirodo žinojau jau senokai, tik niekada nežvelgiau į ją būtent tokiu kampu. Norėdamas suprasti, turėjau pasigilinti į tai, kaip skaitmeninis sensorius atskiria spalvas. Kaip sensoriaus pikseliai vaizdo taškelius paverčia skaičiukais nuotraukos faile rašiau ne tokiam senam įraše. Bet kaip atskiriamos spalvos? Jei kalbėti apie absoliučioje daugumoje fotoaparatų naudojamus CMOS (išskyrus Faoveon sensorius - ačiū Rokiškiui už pastabą) ar CCD sensorius, tai jų pikseliai nepasižymi galimybe atskirti krintančios šviesos spektrinę sudėtį - spalvą. Tam tikslui yra pasitelkiami optiniai filtrai. Štai čia ir prasideda pats įdomumas - kaip tuos filtrus išdėlioti ir sukombinuoti su sensoriumi, kad kiekvienam pikseliui gauti tris dedamasias spalvos komponentes arba, kaip dažniausiai sakoma, RGB reikšmes? Jeigu iki šiol apie tai negirdėjote - manau atsakymas nustebins. Pasirodo niekas ir nesistengia gauti tris RGB reikšmes kiekvienam pikseliui tiesiai iš sensoriaus! Pažvelkim į Bayer filtrą, tipiškai naudojamą fotoaparatų sensoriuose spalvų atskyrimui pasiekti:

Bayer filter, Wikipedia

Pilki stačiakampiai - sensoriaus pikseliai; spalvoti - optiniai filtrai. Ir ką gi matom: vienas pikselis - viena spalva. Sakysit - taigi šalia yra kitos dvi spalvos - ir kokia čia problema? Reikia pamatyti, kaip su tokiu filtru vaizdą mato sensorius. Štai čia fotografuojamas objektas:

Demosaicing, Wikipedia

O čia - vaizdas, kurį matom pažvelge į jį per Bayer filtrą:

Demosaicing, Wikipedia

Jaučiat skirtumas ar ne? Na juk mes praleide vaizdelį per Bayer filtrą netekom 2/3 spalvos informacijos - pvz. neliko nei vieno baltos spalvos pikselio - sunku turėtų būtų tai nepajausti.

O dabar reiktų pabandyti iš paskutinio paveikslėlio rekonstruoti pradinį, t.y. kiekvienam taškeliui "atstatyti" dvi (iš trijų) trūkstamas spalvas. Tikrai netrivialus uždavinys, dar kitaip vadinamas demozaikinimu. Visi demozaikinimo algoritmai remiasi prielaida, kad įprastame vaizde šalia esantys vieno objekto pikseliai būną panašių spalvų. Bet kelių objektų "persikirtimams" tai jau nebegalioja, todėl tikslių objektų briaunų atkūrimas tampa problematiškas. Idealių algoritmų šiai dienai nėra: vieni ne taip gerai atstato staigius spalvų pasikeitimus, kiti - prikuria įvairiausių triukšmelių. Bet algoritmai vis dar tobulinami ir progresuoja gan stipriai.

Fotoaparatuose demozaikinimo uždavinį priimtina kokybe išsprendžia fotoaparato procesorius. Jis, turėdamas 1/3 fotografijos spalvų, pagal įsiūtą algoritmą "nutapo" likusius 2/3-dalius - štai kodėl šis įrašas gavo tokį pavadinimą. Reikia pripažinti: fotoaparatai pasižymi kaip tikrai neblogi "dailininkai" - dažniausiai iš pirmo žvilgsnio net nepasakysi, jog dalis spalvų buvo išskaičiuotos.

Labiau pažengusiose ir sudėtingesniuose fotoaparatuose jau yra įprasta šalia fotografavimo į JPG rasti fotografavimą ir į taip vadinamąjį RAW formatą. Kuom geras šis formatas? Tuom, kad jame saugoma praktiškai neapdorota informacija tiesiai iš sensoriaus. Todėl galutiniam vaizdo formavimui galima pritaikyti naujausius demozaikinimo algoritmus - mūsų neberiboja fotoaparato programinė įranga, galima tai atlikti kompiuteriu. Vien dėl šios galimybės ir algoritmų progreso saugau skaitmeninius "negatyvus" RAW formate - gal vieną dieną atsiras toks algoritmas, kuris leis naujai pažvelgti į senas brangias fotografijas.

---

Vietoj P.S. Turite Canon PowerShot muilinę ir norite pabandyti fotografuoti RAW formatu? Pasirodo yra gan šmaikštus sprendimas: CHDK programinė įranga. Įrašot į kortelę, įdedat į fotoaparatą ir gaunat krūvą naujų funkcijų. Tame tarpe ir galimybę fotografuoti RAW formatu. Sekmės eksperimentuojant.

Skaitmeninio sensoriaus jautrumas - kas tai?

Kartais klausimai kyla ten kur viskas atrodo savaime suprantama. Kas yra sensoriaus jautrumas? Taip taip, tas pats, žymimas visiems fotografuojantiems labai gerai pažįstama santrupa ISO su skaičiuku. Žinoma, intuicija kužda, kad tai kažkaip susije su tuo, kaip greitai sensorius gali užfiksuoti vaizdą. Bet ką tai reiškia praktiškai?

Sąlyginai paprasčiau tai įsivaizduoti juostelinės arba, galim taip pavadint, analoginės fotografijos atveju. Ten turime juostelę (arba plokštelę) dengtą šviesai jautria emulsija. Nuo naudojamų medžiagų ir jų koncentracijos emulsijos sluoksnyje priklauso kaip greitai keičiasi jų cheminė sudėtis paveikus šviesai, t.y. formuojasi vaizdas. Štai šis vaizdo formavimo greitis ir atspindi vadinamąjį jautrumą bei tam tikrą ISO reikšmę. Keičiam emulsijos sudėtį - keičiam ISO jautrumą.

O kaip visą tai veikia skaitmeniniame fotoaparate? Ten juk nevyksta jokios cheminės reakcijos. Yra įrenginys, vadinamas sensoriumi, kuris kažkokiu tai būdu skaičiuoja į jo paviršių nukritusius šviesos srauto fotonus. Kiek nukrito - tiek suskaičiavo. Žodžiu sensorius dirba tam tikru fiksuotu greičiu ir viskas. Tai kur čia galimybė keisti jautrumą (ISO skaičių)?

Matyt laikas atlikti trumpą ekskursiją į elektroninę skaitmeninio fotoaparato dalį - panagrinėti, kaip šviesa virsta skaičiukais nuotraukos faile.

Ne taip svarbu, koks sensorius jūsų fotoaparate - CCD ar CMOS - veikimo schema visiems yra vienoda:

1. Šviesos srauto fotonai atsitrenkia į sensoriaus pikselį - tam tikrą puslaidininkinį prietaisą, kartais vadinamą fotodiodu. Fizikiniai procesai ir detalės, kas ir kaip ten vyksta, yra už šio įrašo (ir jo autoriaus žinių) ribų. Svarbu tai - kiekvienas sėkmingai atsitrenkęs fotonas padidiną pikselio elektrinį krūvį.
2. Norint panaudoti tą krūvį prasmingai, reikia jį paversti į kažką, ką galima išmatuoti, pvz. įtampą. Tam yra naudojamas keitiklis iš elektros krūvio į įtampą.
3. Bėda ta, kad atskiro pikselio sukuriamas elektros krūvis yra labai mažas - pikselis juk mikroskopinio dydžio. Vadinasi ir fotonų jis gali sugauti ne tiek jau daug - krūvis sukaupiamas proporcingas pikselio plotui ir ekspozicijos trukmei. O konvertavus mažą krūvį į įtampą, pastaroji gaunama irgi maža. Jeigu įprastomis priemonėmis pamatuoti - nykstamai mažas dydis. Pavertus į skaičius gautume apskritą nulį. Kad taip neatsitiktų, signalą reikia sustiprinti - tam ir skirtas toliau grandinėje esantis signalo stiprintuvas.
4. Iki tam tikro lygio sustiprintas signalas patenka į keitiklį iš analoginio signalo į skaitmeną (angl.k.: Analog to Digital Converter arba ADC). Na, o pikselio apšviestumą atitinkantis skaičiukas iš keitiklio jau keliauja tiesiai į fotoaparato procesorių ir galiausiai failą atminties kortelėje.

Atidesnis skaitytojas manau jau suprato, kad bendras fotoaparato jautrumas labai priklauso nuo... sensoriaus signalo stiprintuvo. Kuo jis jautresnis, tikslesnis ir mažiau triukšmaujantis - tuo geriau dirba sensorius. Ir fotoaparato sensoriaus jautrumas reguliuojamas keičiant šio stiprintuvo stiprinimo koeficientą: nustatei dvigubai didesnį jautrumą pagal ISO - padvigubinamas stiprintuvo stiprinimo koeficientas. Paprasta, ar ne?

Pabaigai keletas svarbių smulkmenų apie elektroninį sensorių:

1. Įsisotinimas. Tai būsena, kurią patiria sensorius, kai fotonų patenka labai daug ir sukuriamas toks krūvis, kurio papildomi fotonai nebegali padidinti. Arba kitaip tariant perlaikyta ekspozicija. Juostelėje, kaip pamenat, eksponuojant vyksta cheminiai procesai. O vykstant cheminei reakcijai pradinių medžiagų koncentracija mažėja ir reakcija lėtėja. Bent jau taip mokė per chemijos pamokas mokykloje: reakcijos greitis priklauso nuo medžiagų koncentracijos. Todėl ekspozicijos perlaikymas su juostele yra mažiau pavojingas - kažkiek skirtingo apšviestumo detalių šviesiausioje jos dalyje užfiksuojama net ir perlaikius ekspoziciją. Elektroniniame sensoriuje - praktiškai ne, nes jis užsipildo tiesiškai ir iš kart iki galo. Reziumė: venkite pereksponuoti kadrą su skaitmeniniu fotoaparatu - šviesiausias detales prarasite negrįžtamai.
2. Triukšmai. Kiekviena analoginė elektroninė schema turi vidinius triukšmus. Tačiau analoginiai stiprintuvai pasižymi viena gera savybe - jie labai gerai stiprina naudingą signalą, o triukšmą sąlyginai silpnai. Žinoma, su sąlyga, kad naudingas signalas gerai išsiskiria iš triukšmo fono. O jeigu ne taip gerai? Tada išlenda triukšmai, ties nuotraukom tenka daug vargti, o ir rezultatas paprastai labai neblizga - triukšmo valymas naikina detales nuotraukose. Taip ir atsitinka, kai sukeliamas ISO jautrumas fotoaparate - sutrumpėja ekspozicija, pikselis sugauna per mažai fotonų ir naudingas pikselio signalas sumažėja vos ne iki triukšmų lygio. Tad jeigu norit švaraus kadro - pagal galimybes ilginkit ekspozicijos išlaikymą. Ilgiau laikysit - daugiau fotonų surinks sensorius - stipresnis signalas - mažiau triukšmų.