Осторожно: гистограмма

Показ гистограммы изображения и пересвеченных областей предназначен (теоретически) для объективного контроля изображения в процессе съемки: на preview можно сразу видеть пересвеченные области, а на гистограмме общее распределение тональностей.

Правда есть несколько проблем, затрудняющих использование этих прекрасных инструментов:

  • Масштаб гистограммы совершенно неясен и никак не документирован производителям камеры.
  • И гистограмма и пересвеченные области показываются по JPEG-preview, следовательно, к (RAW)-данным кадра применены дополнительные преобразования: наложен баланс белого, применена тоновая кривая, изменена цветовая насыщенность. Эти преобразования зависят от настроек камеры (ББ, контраст, насыщенность, цветового пространства, sharpen). В то же время, сами RAW-данные зависят только от экспозиции и установленной чувствительности, все прочие настройки камеры на них не влияют. Другими словами, при съемке в RAW гистограмма не отражает реальных данных в файле изображения.

Влияние баланса белого на гистограмму можно отключить при помощи UniWB,  но остальные преобразования данных отключить нельзя, можно только изменить их параметры.

Задача данного текста показать методику сопоставления камерной гистограммы с реальными RAW-данными, а не дать готовые цифры. В частности по этой причине, для съемки были выбраны не вполне обычные условия.

Использовалась камера 5D Mark II с firmware 2.0.9 при установленной чувствительности 200 ISO. Для других камер, других условий съемки и, возможно, другой чувствительности и других версий firmware, следует проводить отдельные измерения.

Условия съемки и калибровка экспонометра

Съемка проводилась весенним днем в комнате, окна которой выходят на запад. Освещение от яркого и очень ясного голубого неба, цветовая температура освещения (измеренного Minolta ColorMeter IIIF) около 8800-9900K, при каждой серии съемок температура перемерялась.

Для таких необычных условий следует откалибровать экспонометр, дабы понимать, каков у данной камеры запас в светах.

Берем серую (белую) карту, экспонируем по экспонометру и с гарантированным переэкспонированием (+5-6 стопов к экспонометру, можно больше) получаем (слегка округленно):

  • Точка насыщения: 14737 (для данного ISO)
  • Точка серого в зеленом канале: 950

Таким образом, запас в светах 15.5 раз или чуть менее 4 стопов. При дневном свете запас в светах у данной камеры около 3.7 стопа, таким образом калибровка экспонометра была не лишней.
Автоматический баланс белого у данной камеры не может сдвинуться так  далеко, но ручная установка баланса в 9900K (соответствующие реальному спектру освещения) позволяет добиться сбалансированных пиков гистограммы:

Запомним положение полутонов ( серый по экспонометру ):

  • Два деления гистограммы от левого края
  • Или три деления от правого края.

Понятно, что освещение далеко от обычного, но тем интереснее. Для типичных условий фотограф может просто выучить ( открываем на полстопа от индикации камеры ), а вот можно ли доверять камерным средствам контроля в необычных условиях важный вопрос.

Тестовые сцены

Снимать сцену с одним пиком скучно, снимать сложную сцену сложно интерпретировать гистограмму. Поэтому просто разместим на фоне (цветном или нейтральном) один монотонный объект темнее фона. Сцена с нейтральным фоном выглядит так:

По показаниям спотметра, яркость белого фона и черной обложки отличается на ~3.5 стопа (1/6s и 1/60s f/8 ISO 200).

В качестве окрашенного фона я взял отрез красного кумача капрона, все вместе выглядит так:

Будем снимать эти сцены:

  • С разными настройками баланса белого (Соответствующего освещению  и UniWB).
  • С разными настройками контраста:  Normal и повышенным/пониженным (разберемся какой нужен по ходу пьесы).
  • С разной экспозицией, чтобы поймать момент, когда камера начнет мигать пересвеченными областями.

Всего комбинаций получается очень много, поэтому в данном тексте мы приведем только самые интересные из них.

Серия снимков с красным фоном снималась позже, чем серия с нейтральным, за время между сериями изменилось освещение (цветовая температура стала 8800K, изменилась освещенность), как следствие сравнивать экспозиции в двух сериях нельзя.

Стандартные настройки  баланса белого

Поведение гистограммы

Поведение гистограммы проще изучать на нейтральной картинке.

4 кадра с шагом экспозиции 1 стоп (экспозиционные данные видны на снимках):

(на последнем кадре белое попало в индикацию пересвета, это мы рассмотрим чуть дальше).

Как мы видим, правые пики гистограммы на каждое изменение экспозиции на 1 стоп перемещаются приблизительно (но достаточно точно)  на одно деление сетки гистограммы.

При этом левые пики перемещаются меньше. За 3 стопа изменения (с 1/30 до 1/ 4)  они переехали менее чем на два деления сетки, на 0.5 деления за первый шаг (с 1/30 до 1/15) и чуть меньше чем на целое деление за каждый следующий шаг.

Получается, что при данных настройках горизонтальная шкала гистограммы нелинейна в фотографических единицах. Трем стопам сдвига экспозиции соответствуют:

  • Три деления сетки в правой части гистограммы (светах)
  • Примерно 2 деления сетки в левой части (тенях).

Общая же ширина гистограммы около 6 стопов.

Реальная же гистограмма RAW-данных выглядит сильно иначе.  Вот гистограмма для выдержки 1/15 (второй кадр из предыдущей серии):

Мы видим что:

  1. Камерная гистограмма переполняется по высоте, высокий правый пик уходит куда-то в бесконечность , его реальная высота не видна. Не видна и ступенька на правом пике.
  2. Разбаланс сигнала по каналам на камерной гистограмме не виден (что неудивительно т.к. баланс белого подбирался так, чтобы он не был виден для основного фона).

Подбирая параметры показа RAW-гистограммы, удается приблизительно понять как устроена гистограмма камеры:

  • Масштаб по вертикальной оси линейный
  • Полная высота поля гистограммы несколько десятков тысяч пикселов (точнее невозможно определить, по причине разных горизонтальных масштабов), все что выше просто не показывается.

Индикация пересветов на монохромном кадре

Для изучения пересветов возьмем ряд экспозиций от 1/8 (камера пересвет не показывает) до 1/4s (камера показывает тотальный пересвет для белого фона) с минимальным шагом экспозиции в 1/3 EV:

  1. 1/8s
    камера не показывает пересвет (кадр см. выше, 3-й кадр в последовательности из 4)
  2. 1/6s
    камера показывает небольшую область переэкспозиции в верхней части кадра (черное пятно):
  3. 1/5s
    камера показывает большую область пересвета:
  4. 1/4s вся белая область показывается камерой как засвеченная. См. кадр выше, последний в последовательности из 4 кадров в предыдущем разделе.

А что же гистограмма по RAW-данным?

  1. Для 1/8s даже и смотреть не будем: из гистограммы для 1/16 видно, что запаса в светах больше чем стоп (максимальное значение в зеленом канале 4800, точка насыщения 14737), очевидно что никакого пересвета нет.
  2. 1/6s.
    Насыщение не достигнуто, максимальные значения в зеленом канале 12661, в остальных каналах еще меньше. До максимума (14737) близко, но запас еще есть:
  3. 1/5s
    Насыщение достигнуто, максимальные значения в зеленых каналах 14736/14737 но гистограмма не прижата к правому краю, насыщено не так много пикселов:

    Ниже увеличенный кусок гистограммы, от +3 до +4EV. На правом краю гистограммы есть пик, но в нем около 15 тысяч пикселов (из 5 млн пикселов в каждом из каналов), что очень мало. Если бы я снимал ETTR, то это была бы идеальная экспозиция:
  4. 1/4s.
    Бесспорный пересвет в зеленом канале, остальные каналы экспонированы без вылетов. Даже на этом кадре света можно спасти с использованием Highlight Recovery (при условии нейтральности светов):

Таким образом, для стандартных настроек контраста и насыщенности (режим Neutral) индикация пересветов примерно на 0.5 стопа более осторожна, чем следовало бы: индикация начинается при выдержке 1/6s, а реальный пересвет наблюдается на 1/4s.

Пониженный контраст

Поставим в камере режим с минимальным контрастом и насыщенностью и посмотрим на индикацию пересветов еще раз:

  1. 1/6s индикации нет, гистограмма не прижата к правому краю:
  2. 1/5s индикация есть, на бОльшей площади чем пересвечено пикселов (как сказано выше, на этой выдержке засвечено около 15 тыс пикселов или 0.3% площади кадра), но меньше чем при стандартной настройке контраста:

Таким образом, при установке пониженного контраста камера продолжает индицировать пересвет там, где его на самом деле нет, но это поведение уже терпимо, повышенная чувствительность составляет менее 1/3 стопа.

Окрашенный фон

Сцена с окрашенным фоном интересна нам тем, что пики в зеленом и синем каналах для фона и для черного предмета на нем почти совпадают.
Вот камерная гистограмма для экспозиции по экспонометру и низкого контраста:

А вот гистограмма RAW-данных:

Гистограммы похоже, но не более того. Скажем, из камерной гистограммы красного канала не следует, что там есть еще полтора стопа по экспозиции. Так, на глазок, не больше полустопа.

Индикация пересвета

Посмотрим теперь, где начинает индицироваться пересвет и где он на самом деле. Начнем с установок пониженного контраста, которые неплохо работали с предыдущим кадром, где яркий фон был нейтральным.

Заметный (но не фатальный) пересвет начинается при экспозиции 1/2s f/8

Камерная индикация пересвета его никак не показывает, да и по гистограмме нельзя сказать, что есть переэкспозиция:

При этом в RAW-данных пересвет уже начинается (60k пикселов в красном канале насыщены):

Какая-то индикация пересвета камерой начинается только при экспозиции 1.0s-f/8 (мелкие черные точки на снимке):

По RAW-гистограмме кадр уже безнадежно пересвечен в красном канале, судя по количеству пикселов с максимальным значением (более 2 млн), это происходит по всему красному фону:

Таким образом, при настройке низкий контраст , которая хорошо работала с нейтральными светами, на красном фоне камера опаздывает с индикацией пересвета примерно на один стоп.

Нормальный контраст

При установке нормального контраста (профайл Neutral без модификаций) индикация пересвета в красном канале начинается для экспозиции 0.6s-f/8, т.е. на 0.3 стопа позже, чем начинается реальный пересвет.

UniWB

Гистограмма серой карты

Просто гистограмма серой карты по экспонометру заставляет задуматься. Разброс между красным и зеленым каналом слишком велик, с нормальным балансом белого такой разброс соответствует минимум трем стопам:

RAW-гистограмма при этом совершенно ожидаемая, разброс между зеленым и красным каналами 1.5 стопа:

Кадр с двумя объектами

На кадре с двумя объектами безобразия продолжаются. Красный пик для темного объекта уехал вплотную на левый край, а красный пик для светлого фона имеет многочисленные пики, происхождение которых совершенно неясно (возможно, это артефакты округления в  целочисленной арифметике камеры):

Гистограмма RAW-данных таких чудес не содержит. От правого пика зеленого до левого пика красного около 4.5 стопов, получается что диапазон камерной гистограммы при UniWB и данных настройках контраста не 6 стоповов, как было в предыдущей серии замеров, а не больше 4.5 (а скорее даже меньше, обе гистограммы легли на край):

Индикация пересветов

При нормальных установках контраста индикация пересвета начинается при экспозиции 1/3s f/8, кадр при этом сильно пересвечен (если смотреть по RAW-данным).

Камерная индикация:

RAW-гистограмма того же кадра:

Если установить в камерных настройках контраст и насыщенность в максимальные значения, то все значительно лучше, индикация оказывается практически такой, какой хочется.

Камера начинает показывать пересвет при экспозиции 0.4s-f/8:

И самое начало пересвета показывает и RAW-гистограмма (зеленый имеет максимальные значения, но их мало):

Возможно, камерную настройку контраста можно слегка уменьшить, сейчас камера чуть-чуть осторожничает.

UniWB+цветной фон

Не буду мучать читателя множеством картинок, покажу две пары, обе с камерным контрастом выкрученным в максимум:

1/2s f/8 камера ничего не показывает, в RAW-данных формально есть минимальный пересвет, которым по факту можно пренебречь.

Камера:

Raw-данные:

0.6s f/8: камерная гистограмма показывает области точечного пересвета (на камере увеличено, иначе плохо видно на снимке):

они же на RAW-гистограмме:

Таким образом, установка максимального контраста совместно с UniWB позволяет приемлемо точно контролировать переэкспозицию встроенными средствами камеры. Небольшие ошибки есть, но в пределах 0.3EV.

Выводы

При обычных (т.е. соответствующих условиям съемки) установках баланса белого, камерная гистограмма и индикация пересвеченных областей на изучавшейся камере не могут быть использованы контроля светов на снимке:

  • Для снимков с нейтральными яркими областями удовлетворительная точность индикации достигается при контрасте, поставленном в минимальное положение.
  • Для окрашенных светов, наоборот, требуется увеличивать контраст относительно стандартных настроек (до максимума или почти до максимума).
  • Обрезка гистограммы по высоте (на уровне примерно 30-50 тыс. пикселов) делает невозможной оценку светов по степени прижатости гистограммы к правому краю, переэкспонированные снимки и нормально проэкспонированные по светам выглядят практически одинаково, что делает гистограмму малопригодной, если на кадре есть большие монотонные области, особенно в светах.

В то же время, тоновый диапазон гистограммы в этом режиме достаточно велик, около 6EV, что позволяет оценить снимок в целом . Судя по всему (см. в сравнении гистограммы с UniWB), тоновый диапазон будет меняться в зависимости от баланса белого, что затрудняет использование гистограммы в качестве сколько-нибудь точного инструмента.

При использовании UniWB ценность гистограммы резко снижается т.к. сужается ее тоновый диапазон и появляются артефакты неясной природы.

Однако режим UniWB, совместно с установкой максимальный контраст позволяет достаточно точно (с точностью не хуже 0.3EV) обнаруживать переэкспонированные области снимка. При этом одна и та же настройка приемлемо работает и для нейтральных светов и для сильно окрашенных.

14 Comments

Спасибо за свежую пищу для

Спасибо за свежую пищу для мозга)
Вот теперь сижу и пытаюсь добиться индикации пересвета при UniWB. Такой же кадр "по Малевичу", странное освещение etc.
Что самое интересное, камерная гистограмма вполне отражает действительность, и я даже отчётлитво вижу, что зелёный канал уже обрезается (Диггер уточняет: 10% кадра зажарено)... Но камера вяло мигает одной точечкой, "типа пересвет". Эх, производители...
Может, у неё пересветом считается, когда уже несколько каналов насыщены в одной точке?..

Да, есть ощущение, что

Да, есть ощущение, что пересвет считается по "композитной гистограмме" Но не когда она ложится на полку, а немного недоходя.

Но так как толку в композитной гистограмме вообще очень мало, а UniWB-гистограмма в моем 5D2 - вообще ужас летящий на крыльях, то я пытался добиться именно индикации пересвета.

Ну, в принципе, high contrast задачу почти решает.

Ну как в других программах

Ну как в других программах порог индикации пересвета стоит где-то в районе 247-252 для 8-ми бит.

Почти решает, но существует ещё и разница в обработке по профилям (не знаю, как там у Сапопов, я про Олик), типа "Natural", "Portrait".

Также, некоторую линейность моей гисте вернул феерический пресет смещения гаммы "High key". На превьюшки смотреть противопоказано, но я уже как-то привык видеть всё так, как видит камера.

Буду пользоваться и пробовать дальше, жалко, на улице ничего толкового с такой погодой не поснимаешь))

А на Кенонах есть функция

А на Кенонах есть функция точечного экспозамера по светам, делающая ETTR? Вот в Сони (в часности, a200) я такой фичи не нашёл, к сожалению.
Просто я могу экспонировать кадр по самому яркому объекту в кадре аппаратными средствами, при этом почти заведомо получая правильную экспозицию с заполненной гистограммой.

Нет, такого нету. Есть просто

Нет, такого нету. Есть просто точечный замер, а ETTR (поправку) я ему и сам введу.

У Oly (EPL3) я инструкцию не читал, надо будет прочесть :)

А у Пена может и не быть

А у Пена может и не быть такого счастья. На зеркалках точно есть, прямо в настройках замера после точечного " " идёт " H" (ETTR) а за ним " L" (ETTL, судя по всему).

А не передвигается ли

А не передвигается ли гистограмма на фотоаппарате по "мотивам" зон Адамса?

При одной установке баланса

При одной установке баланса белого диапазон гистограммы 6EV, а при другой - около 3EV.

Тут скорее не зоны Адамса, а фазы Венеры.