Na początek notka administracyjna.
Niniejszym oświadczam, że wszystkie moje byłe jak i przyszłe teksty,
które umieszczam na pl.rec.foto.cyfrowa z dopiskiem [wykład gościnny
ileśtam] stanowią "dobro publiczne" więc mogą być umieszczane wraz z
uzupełnieniami na dowolnych stronach zwiazanych tematycznie, o ile
webmajster nie zapomni o umieszczeniu czytelnie mojego nazwiska u dołu
czy góry, wraz z ewentualnym linkiem do mojej www.
Znaczy nie musicie się następnym razem dobijać, jak ostatnim razem :PPPP
Miło, jeśli dostanę linka do strony gdzie to jest.

O czym dzisiaj?
a niech będzie, że pociągniemy dalej temat matryc. Ale nie przejdę od
razu do CMOS, tylko będzie skok w bok, achronologicznie, alogicznie itp.
Będzie o kolorze, dynamice i postrzeganiu barw. Myślę, że tutaj Jacek
Zagaja miałby wiele do powiedzenia, na pewno mnie zgani za pobieżność,
ale niech będzie, że to dla tych mniej kumatych :)

Żeby zrozumieć fotografię, trzeba zrozumieć własne oczy. Czyli zgłębić
nieco zasadę kolorowego widzenia. No dobra, widzenia w ogóle.
Zacznijmy od tego, że nasze oczy nie są prawie wcale czułe na kolor.
Tak, dobrze słyszeliście, jasne, to jest przesadzone. Jednak na prawdę
widzimy dużo wyraźniej jasność, niż barwy. Prędzej możemy rozróżnić dwie
kropki obok siebie, niż to, że jedna jest czerwona a druga zielona. To
sobie przyjmijmy za fakt i nie wnikajmy na razie dalej, na to przyjdzie
jeszcze czas.

Wspomniałem coś o kolorach...
Mamy 3 rodzaje sensorów koloru w oku... Czerwony, zielony i
niebieski.... prrr! stop. Tak nas nauczono mówić i to wpada już w
regułę. To nie są sensory reagujące na kolor!
Co to jest kolor?
Światło to mieszanka różnej długości fal elektromagnetycznych. Trochę
podobnie do dźwięku, który jest falą mechaniczną (uproszczenia warning).
Różne barwy głosu składają się z różnych tonów. Dudnienie basu to
głównie, ale nie wyłącznie niskie, wycie podstarzałej i przygłuchej
śpiewaczki operowej to raczej tony wysokie. Bardzo rzadko spotyka się
czyste, płaskie dźwięki w naturze - to raczej wytwór cywilizacji.
Podnieś słuchawkę - ten ton to 440Hz, jednolity, monotonny. Podobnie
jest ze światłem: niemalże nie ma w naturze światła o jednej jedynej,
czystej długości fali. Blisko tego są lasery, ale trudno zaliczyć je do
natury :) Barwa światła to to, jakie długości fal są w nim obecne. Jest
nieskońćzenie wiele kombinacji.

Nasze "sensory" światła nie są bardzo selektywne (tak się mówi o
sensorze, który reaguje tylko na jeden rodzaj "sygnału" - tu na jedną
długość fali). To, o czym mówimy, że reaguje na zielone, "piszczy"
najsilniej oświetlone światłem w okolicach 560nm, a dużo słabiej "po
bokach" - w kierunku 400 czy 700nm. Dużo słabiej, to nie znaczy, że
wcale! Jeśli oświetlimy nasz "zielony" czujnik światłem czerwonym
(okolice 660 - 750nm) lub niebieskim (450nm) TEŻ zareaguje. Tylko
SŁABIEJ.

Dzięki temu możemy w ogóle widzieć tęczę.

Weźmy teraz dla przykładu światło ŻÓŁTE. 575-600nm. Pobudzi zarówno nasz
"zielony" jak i nasz "czerwony" fotodetektor. Mózg zakłada, że jest to
światło żółte.
Jeśli weźmiemy dwie lampki, czerwoną i zieloną i umieścimy blisko
siebie, zobaczymy je z daleka jako żółtą.
Jeśli zaczniemy je oddalać od siebie, to patrząc na nie kątem oka (a nie
centralnie) najpierw rozdzielą się nam na _dwie_ _żółte_ lampki, a
dopiero potem staną zieloną i czerwoną.
Mieszanka czerwonego i zielonego drażni w równym stopniu receptory
"czerwony" i "zielony". Tak samo, jak żółte światło. Mimo iż "kolor"
("skład" światła) się zmienił, jego percepcja - nie.

dobra. Mam nadzieję, że przynajmniej z gruntu się zrozumieliśmy.
Czas pójść dalej. Na razie porozmawialiśmy sobie o kolorze ŚWIATŁA. Ale
co nas najczęściej interesuje na zdjęciu to kolory przedmiotów!

Co to znaczy, że powierzchnia ma jakiś kolor?

W zależności od swojej struktury materiały _odbijają_ różne długości
fali różnie. Czerwony kapturek odbija bardzo dobrze światło z okolic
"czerwieni" (680nm) i dużo gorzej światło "niebieskie" (okolice 450nm).
W świetle dziennym zobaczymy go jako czerownego.
Zauważcie, że napisałem "w świetle dziennym". To, jak postrzegamy kolory
sceny zależy od światła, które ją oświetla! Jeśli weźmiemy silnie
monochromatyczną lampę świecącą na niebiesko, to... kapturek "zmieni
kolor". Po prostu ten czerwony materiał źle odbija światło niebieskie,
ale jednak odbija, a z kolei światła czerwonego, które odbija bardzo
dobrze, nasza lampa nie wysyła "w ogóle", więc do oka dochodzi tylko
odbite, słabe, niebieskie światło i drażni je tak, że widzimy... ciemny,
niebieski kapturek.
W pewnych granicach nasz mózg kompensuje ten wpływ. Jeśli światło nie
jest tak silnie "zabarwione", a w scenie znajdują się przedmioty o
znanych barwach, mózg automatcznie rozpozna kolor światła i "odejmie" go
od tego, co melduje oko. Dzięki temu biała kartka wydaje się biała i
rano i w południe i wieczorem.
To się fachowo nazywa balans bieli. Ten biologiczny...

Jeśli użyjemy perfekcyjnego urządzenia, które "zamrozi" wpadające do oka
światło, tak jak ono jest, idealnie, i przeniesie jakoś na papier, to
takie "aptekarskie" zdjęcie będzie wyglądało ŹLE.
Dlaczego?
Póki jesteśmy "w scenie" działa wbudowana w nasz mózg kompensacja koloru
światła. Jeśli oglądamy to samo na papierze, przeważnie oświetlenie jest
już inne. Mózg kompensuje to inne oświetlenie, z tym nie ma problemu,
więc widzimy dobrze kolory, które SĄ na tym papierze, niestety w naszym
przypadku nie są to prawdziwe kolory SCENY, tylko kombinacja wynikająca
z barwy światła oświetlającego scenę i tego, jak przedmioty w scenie
odbijały światło.
Nasz błąd polega na tym, że nie uwzględniliśmy profilu światła, którym
scena była oświetlona. To się nazywa balans bieli. Ten fotograficzny...
brzmi znajomo, co? Jednak coś trzeba zrobić na piechotę...

Jeśli uda nam się ustalić jaki jest "skład" światła padającego na
obiekt, możemy obliczyć, jaki jest na prawdę "kolor" tej powierzchni.
Jeśli wiemy, jak ta powierzchnia odbija światło, możemy tak zabarwić
papier fotograficzny, żeby odbijał światło tak samo. Wtedy niezależnie
od oświetlenia, przy którym fotografię oglądamy, kolory będą wyglądać
prawdziwie - mózg skompensuje to oświetlenie, zobaczymy kolory tak,
jakbyśmy je widzieli w rzeczywistości.

proste? Jak świński ogon przedłużony drutem kolczastym.

_Załóżmy_, że naszym celem jest _wierna_ oryginalnemu obrazowi
fotografia. Czyli niekoniecznie artystyczna.

Dobry papier fotograficzny to biały papier. Czyli neutralny. Jeśli go
naświetlimy do oporu, ma być czarny i nie odbijać nic, jak zostawiy
kawałek nienaświetlony, to powinien odbijać równie dobrze światło o
dowolnej długości fali. Załóżmy, że mamy ten ideał, analogowa część nas
nie interesuje chwilowo.

Zgromadziliśmy już całkiem sporą kupkę oderwanych informacji, które z
fotografią wydają się mieć luźny zwiazek, trzebaby coś konkretnego
zacząć pisać, nie?
No to wio. Wiemy, że światło białe ma widmo ciągłe, wiemy, że nasze
sensory nie działają nader selektywnie i samplują dość szeroko w widmie.
Wiemy, że wrażenie koloru powstaje poprzez różne stopnie pobudzenia
trzech rodzajów sensorów o maksimach czułości w okolicach 420nm
(niebieski) zielony (530nm) i czerwony (maksimum na 560nm, właściwie to
to jest żółtawy, a wrażenie czystego czerwonego jest gdy różnica między
tym, co czuje zielony i czerwony wzrasta, choć nie jest to wtedy
maksimum czułości).
Czyli zasadniczo możemy okantować oko mieszając mu trzy kolory i ono
"zobaczy" dowolny kolor tęczy.

W poprzednim odcinku Wykładów Gościnnych nabazgrałem o sensorach CCD.
Pisałem o czułości i łapaniu fotonów i robieniu elektronów. Nie
napisałem nic o rozróżnianiu barw, bo... sensor sam z siebie ich nie
rozróżnia. Każdy pixel potrafi tylko z grubsza określić ile fotonów
dotarło do niego. Nie wie nic o ich energii, a zatem o długości fali.
Możemy jednak wykorzystać oszczędność Mamuśki Natury...
Jako, że nasze oko nie rozróżnia dowolnych barw, a tylko intensywność
trzech składowych, możemy zrobić tak, aby sensor oglądał świat tak samo,
jak nasze oczy - to znaczy rejestrował, jak silnie w danym miejscu
obrazu pobudzany byłby biologiczny czujnik "czerwonego", jak
"niebieskiego" i jak "zielonego". Wystarczy nałożyć na każdego pixela
kolorowy filtr o charakterystyce zbliżonej do odpowiedniego "czujnika"
oka. Problem polega jednak na tym, że krzem jest mało czuły na światło w
głębokiej czerwieni i bliskiej podczerwieni, a z kolei struktury
naniesione na powierzchnię krzemu ograniczają docieranie światła o
krótkich falach, czyli fiolet i bliskie UV. Stąd też wiele aparatów źle
oddaje głębokie fiolety i "ciekawe" czerwienie. Poza tym plan się prawie
udał. W zależności od jakoci filtrów jest lepiej lub gorzej, ale jest.
Co nas to kosztuje?
No primo, filtr kradnie "trochę" światła dla siebie. Secundo jeden pixel
widzi na raz tylko jedną składową.
Co do pierwszego - no nie ma rady, jak nie interesują nas wszystkie
fotony, to część musimy wyrzucić, albo rybki albo pipki, jedyne
rozwiązanie, które tego nie robi, to ten Sigmowski wynalazek p/t Foveon,
ale on za uszami swoje też ma.
Drugie to... nie problem. Nasze oko też w każdym punkcie widzi tylko
jedną składową, jeśli w ogóle jakąś widzi, bo bardzo dużo sensorów w
ogóle koloru nie wyczuwa. Na tym zasadza się wynalazek zwany matrycą
Bayerowską. Sensory czułe na zielony, czerwony i niebieski pakujemy na
przemian blisko siebie, dla wynikowego obrazu JASNOŚĆ punktu bierzemy z
jasności zmierzonej przez pixel (nieważne, że wiemy tylko o jasności np.
czerwieni, zakładamy, że jest reprezentatywna) a KOLOR liczymy z
kombinacji danych z tego sensora i okolicznych.
Taki manewr pozwala ROZRÓŻNIĆ dwa punkty odległe od siebie o 2 pixele,
ale KOLOR dostrzec dopiero gdy są większe i dalej od siebie. Taaa... A
nasze oko to co? Ano to samo. CZyli jeśli nie przeginamy pały i pixel z
aparatu przeniesiony na papier, przy oglądaniu będzie na siatkówce
podobnych rozmiarów jak pojedyncza światłoczuła komórka oka (w skrócie:
jak fotka będzie miała około 250-300DPI :D), to nie da się zauważyć, że
kolor jest mniej dokładnie mierzony.

Dobra. Doszliśmy nieco po łebkach to wspomnianego na początku
aptekarskiego zdjęcia. Mamy narzędzie, które pozwala stwierdzić, ile i
jakie światło ze sceny przychodzi. Jeśli zrobimy pstryk i przeniesiemy
dane na papier, kolory będą nienaturalne. I tu pojawia się coś, co różni
dość mocno aparaty producentów typu Pentagram od aparatów producentów,
któzy w temacie doswiadczenie mają: rzeczony balans bieli.

Gdy używamy własnych oczu mózg korzysta z pamięci, aby zgadnąć, jaki
kolor ma światło w danej scenie. Jeśli widzimy wszystkich ludzi z
zielonymi twarzami to (o ile nie jesteśmy na łajbie, którą nieco buja)
najpewniej światło jest zielone. Jeśli światło bardzo różni się od
słonecznego, nasz własny "procesor" nie zrobi nam neutralnych kolorów,
ale w dużym stopniu efekt oświetlenia usunie. Można się o tym łatwo
przekonać - zrobić zdjęcie aparatem z WB na sztywno na światło żarowe,
wziąć burdelowoczeroną żarówkę, pstryk: było czerwono, ale na zdjęciu
wygląda bużo bardziej czerwono, nie?
Aparat na AWB musi zrobić to samo, co nasz mózg załatwia w tle -
zgadnąć, jakie światło panuje w scenie. Niestety nie jest dość
inteligentny, żeby umieć odróżnić, że to jest kumpel, powinien być
różowojasny, to ściana, ten zielonkawy kolor to prawdziwy, a to nasz
kolega z Konga i nie ma co kombinować, on taki czarny z natury.
Najprostszy algorytm zakłada, że scena jest "średnio szara", tj. suma
wszystkich barw z wszystkich pixeli daje w sumie biel. Na tej podstawie
oblicza się, jakiego koloru światła było w scenie więcej, jakiego mniej
i próbuje dopasować kilka typowych źródeł oświetlenia - żarowe,
jarzeniowe, słoneczne, skylight (rozproszone światło "z nieba"). To
zdaje egzamin na imieninach u Cioci, ale rezultaty i tak bywają różne.
Aparaty, które mają możliwość ustawienia ręcznego balansu bieli bazują
na fotografii szarej/białej kartki - zakłada się, że całe spektrum
odbijane jest od niej tak samo, więc to, co matryca dostaje to kolor
samego źródła światła - można go wtedy określić bardzo dokładnie.

Niestety wszystko to i tak diabli biorą, jak źródeł światła w scenie
jest kilka i to różnych (np. rodzinka w domu przy żarówkach, na tarasie
światło pochodni, a ogród oświetlony zachodzącym słońcem). Na to nie ma
mocnych, aparat tego dobrze sam nie zrobi, nasz łepetyna też sobie źle
radzi - patrz oświetlone czerwono mięso w hipermarketach + halogeny nad
jarzynkami... a hala oświetlona zimnym, świetlówkowym światłem... :P

No i super. Zrobiliśmy co się dało, ale... przydałoby się pokręcić,
zobaczyć te zdjęcia, w końcu mamy komputer, możemy zobaczyć coś na
ekranie... nie?
No niby...
Ale jest taki problem: Ekran monitora nie odbija swiatła. On świeci
własnym światłem.
A nasza maszynka do eliminowania wpływu oświetlenia działa nadal (!!!!)
Ewolucja zmajstrowała nam tę maszynkę zanim wymyśliliśmy monitory.
Zakłada, że jak coś świeci, to odbija światło otoczenia. Czyli aby
dobrze widzieć kolory na ekranie, "białe" powinno wyglądać tak, jakby od
białej kartki odbijało się światło w pokoju. Stąd zalecenie, aby monitor
ustawić na punkt bieli 6500K. Światło słońca w pogodny dzień ma właśnie
temperaturę barwową około 6500K, więc w pokoju oświetlonym dziennym
światłem białe pole na monitorze będzie postrzegane jako prawidłowo
białe, jeśli będzie świecić też 6500k.
Oczywiście, jeśli pracujemy przy zwykłych żarówkach (światło poniżej
3000K), postrzeganie barw będzie nieco zakłócone - biel będzie wyglądać
zimniej niż powinna...

A teraz drogie Dzieci, misiu z okienka idzie spać. A jak się Wam nudzić
będzie i przekopiecie się przez tę chaotyczną klepaninę, to możecie
pytać śmiało, a ja pewnie i tak nie będę wiedział :O)
--
Marek Lewandowski    ICQ# 10139051/GG# 154441
locustXpoczta|onet|pl
http://www.stud.uni-karlsruhe.de/~uyh0
[! Odpowiadaj pod cytatem. Tnij cytaty. Podpisuj posty. !]