Y33DIF, 5. cvičení: raw formát

Syrovost raw formátu

• Zdroj digitálních fotografických dat: čip (měřicí senzor ~ hodnoty pod každým barevným filtrem).
• Výstup digitálních fotografických dat: bitmapa (3D matice ~ RGB hodnoty v každém pixelu).
• Převod naměřených surových (raw) dat do bitmapy: odmozaikování (demosaicing).
• Raw není zkratka jako JPEG, TIFF ap., ale jde o slovo ve významu prvotní, nezpracovaný, surový, syrový.
• Proces odmozaikování se též nazývá digitální vyvolávání nebo práce v bílé komoře jako analogie k černé komoře a mokré cestě vyvolávání fotografie.

Typy senzorů

• Fyzikální podstata

  Existují dva typy světlocitlivých senzorů pro digitání fotoaparáty: CCD a CMOS.

  Ačkoliv v současnosti není mezi oběma technologiemi výrazný kvalitativní rozdíl, trend je zřejmý: ústup od CCD k CMOS. Ty mají dnes již vyšší dynamický rozsah, vyšší rychlost odečítání, nižší spotřebu, klesá jejich cena.


• Geometrie

  Cílem konstrukce senzorů je snížit šum, zvýšit citlivost a zvýšit jejich rozlišení. Při současném miniaturizačním trendu se však tato snaha zvrhla do marketingové soutěže o větší počet megapixelů aniž by se zároveň přihlíželo ke kvalitě objektivu a celkové velikosti jednoho pixelu. Čím menší je plocha pixelu, tím méně fotonů na něj dopadne, tím více musíme zesílit signál, abychom dosáhli potřebného rozsahu hodnot a tím zároveň roste šum. Přitom 10 Mpxl postačuje na tisk fotografie 20x30 cm. Dnes, kdy téměř každý digitální fotoaparát dosahuje této hodnoty či ji přesahuje, má větší význam hustota pixelů. Zrcadlovky mívají 5 Mpxl/cm² a méně, většina kompaktů více jak 40 Mpxl/cm². Dobré kompakty mají pod 25 Mpxl/cm².
  
  

  Většina výrobců používá Bayerův senzor s barevnými filtry RGGB. Patentován 1976.
  

  Bayerův vzor filtrů RGB	řez Bayerovým vzorem	demozaikování Bayerova vzoru

  Zlepšit poměr signál/šum při vysokém rozlišení a malém rozměru senzoru se snaží výrobci vyřešit různými triky:

  • Mikročočky
    
  • Rozdělení světla na více senzorů.
    
  • Využití různé prostupnosti světla v závislosti na vlnové délce (Foveon X3, aparáty Sigma).
    
  • Plástvový (Super CCD Fuji).
  • Různě citlivé senzory v jedné buňce.
    
  • Senzory s více jak třemi barevnými filtry.
    

    RGBE	CYGM	panchromatický

  • Vícenásobná expozice při pohyby senzoru o velikost pixelu.

Proč další formát?

Protože umožní dělat technicky kvalitnějsí fotografie. A umožní nám soustředit se v okamžiku fotografování na komponování a ne na nastavování desítky parametrů. Ty nám raw formát umožní v případě potřeby pozměnit později.

V čem spočívá odmozaikování?

• Vytvoření jednotlivých barevných kanálů (barevných rovin) pravidelné bitmapové mřížky – interpolace (geometrie).
• Transformaci hodnot jasů každého kanálu do zvoleného množiny (8 bit, 16 bit, HDR).
• Přiřazení vhodné interpretace vytvořeným hodnotám (ICC profil). Vyvážení bílé, nastavení černé, transformace primárních barev, tonální křivky.
• Volit vhodné parametry tohoto procesu s přihlédnutím k zobrazené scéně, nastavení expozice, vyvážení bílé i dalších parametrů fotoaparátu a záměru fotografa. Proto pro odmozaikování neexistuje obecný optimální algoritmus a jde o tvůrčí proces srovnatelný s vyvoláváním v černé komoře.

Výhody raw formátu (oproti zpracování bitmapy v bitmapovém editoru)

• Zpracování probíhá ve větší barevné hloubce (12 či 14 bitů).
• Zpracování probíhá před ořezem do konkrétního barevného prostoru (sRGB).
• Nebyly dosud aplikovány jiné (nutné, protichůdné) jasové transformace (vyvážení bílé, jas, kontrast, konverze dle ICC profilu, gama korekce).
• Úpravy jasu při odmozaikování využívají znalost geometrie zdrojových dat.
• Vynechání některých úprav obrazu nebo snížení jejich agresivity (ostření, filtrace šumu, zvýšení saturace, ...), které pro zvýšení líbivosti implementují výrobci do algoritmu odmozaikování uvnitř fotoaparátu při ukládání do JPEG.
• Nedochází ke snížení kvality vlivem ztrátové komprese JPEG.
• Větší volnost v přiřazení barevného profilu.
• Snazší globální úpravy v specializovaném sw namísto obecného bitmapového editoru.
• Lepší kontrola nad parametry konverze (monitor s vyšším rozlišením).
• Plné jasové rozmezí neořízlé omezeným barevným prostorem (sRGB) umožňuje lepší kompenzaci pod/přeexpozice.
• Využití plnohodnotných algoritmů bez výkonnostních kompromisů.
• Oddálení nastavení na dobu, kdy bude více času (scéna nepočká), kdy bude možno s nastavením experimentovat (komparace variant), kdy budeme moci lépe posoudit výsledek (velký monitor), a kdy bude nastavení snažší (mimo směstnané menu fotoaparátu).

Výsledkem využití raw formátu je obecně kvalitnější snímek s menší posterizací a plynulejšími jasovými přechody než ten, který bychom dostali dodatečnými úpravami v bitmapovém editoru. Proto: co můžeme udělat v raw, udělejme v raw.

Nevýhody raw formátu

• Větší objem dat než JPEG (ale menší než nekomprimovaný TIFF).
• Krok navíc při zpracování fotek a tím větší časová náročnost při dodatečném digitálním vyvolávání.
• Obtížnější prohlížení a zpracování fotek (FastStone).
• Vyšší náklady na paměťová media.
• Proprietálnost formátu. (Obecný raw formátu DNG navrhla firma Adobe, ale mezi výrobci fotoaparátů zatím nevyužit.)

Převod z raw formátu vykonává

• Firmware v digitálním fotoaparátu.
• Software dodávaný s digitálním fotoaparátem s možností ukládat do raw.
• Raw editor (Photoshop Camera Raw Convertor, Adobe Lightroom, Capture One, DxO, Bibble, SilkyPix; open source: DCRaw, Raw Therapee).

Free prohlížeč: např. FastStone nebo IrfanView.

Cvičení

1. Upravte podexponovaný a barevně nevyvážený JPEG (slon-jpeg); zkontrolujte histogram výsledku.
2. Proveďte stejné úpravy s toutéž fotografií v raw formátu v programu Photoshop Camera Raw Convertor (slon-raw). Výsledek uložte v 8bitovém JPEG a porovnejte histogram s předchozím výsledkem.
3. Porovnejte histogram a 1:1 zvětšení se správně exponovaným snímkem (slon-correct).
4. Korigujte vinětaci v raw formátu (slon-raw).
5. Uložte aktuálních korekcí do souboru XMP pro pozdější rekonstrukci úprav (není pak třeba zálohovat kopie v TIFF, PNG či JPEG).
6. Experimentujte s dalšími úpravami v raw editoru s fotografiemi saloon (využijte gradientní filtr) a vagon. Prozkoumejte následující operace:
   • ostření,
   • redukce šumu,
   • změna barevné tonality,
   • konverze do šedotónů,
   • ořez,
   • rotace,
   • retuš,
   • redukce červených očí,
   • uložení do 8 nebo 16 bitů.

Inspirovat se lze animacema aplikace digitálního přechodového filtru pro ztmavení oblohy a barevného nádechu, lokální úpravy jasu, kontrastu a odstínu (raw) a synchronizace úprav pro dávkovou editaci fotografií stejné scény.

Domácí úkol

Vemte si nějaký vlastní snímek v raw formátu, který potřebuje úpravu (např. jeden z těch, co jste nafotili na cvičení v Dejvicich), a zpracujte jej do 8 bitového JPEG s delší stranou 756 pixelů. Spolu s ním odevzdejte

• tentýž snímek v JPEG bez úprav,
• soubor s parametry raw převodu (ve Photoshop Camera Raw Convertoru je to XMP).

Použijte odevzdávací systém (https://cw.felk.cvut.cz/upload/).