Понимание RAW

raw_pic2

Вашему вниманию предлагается перевод оригинальной статьи Understanding Digital Raw Capture, Copyright © Adobe Systems Inc.

В данной статье изложены основы, необходимые для понимания, что такое RAW-формат

Перевод выполнил © Илья Хондожко

RAW от английского raw — сырой, необработанный.

Возможно вы уже слышали разговоры о цифровых RAW снимках, но поиск информации об этом, скорее всего приводил к некоторым затруднениям в понимании. Часть этой проблемы состоит в том, что RAW это не совсем простая вещь. Точнее, это общий термин для различных патентованных форматов файлов — таких как .CRW и .CR2 у Canon, .MRW у Minolta, .ORF у Olympus а также целый букет различных форматов у Nikon обозначаемых как .NEF . Чтобы все-таки понять как формируется RAW файл, нужно знать немного о том, каким образом камера получает сырой необработанный образ снимка.


По сути, RAW-файл это запись данных получаемых непосредственно матрицей при захвате изображения. И хотя существует много различных путей кодирования RAW-данных от сенсора, в любом случае это необработанные данные из матрицы. Цифровые камеры построены на основе множества различных технологий, но почти все камеры имеющие возможность снимать в RAW формате, основаны на технологии «mosaic sensor» или так называемой «color filter array» (CFA).

CFA-камеры используют двухмерную матрицу, которая поглощает фотоны формирующие изображение. Матрица образуется из строк и столбцов фоточувствительных датчиков. Датчики обычно выполнены на основе CCD (charge-coupled device) или CMOS (complementary metal oxid semiconductor) технологий. Обычно один элемент матрицы соответствует одному пикселю конечного изображения (см. Рис. 1)

raw_pic1

Рис. 1
Каждый элемент-фотодатчик матрицы соответствует одной точке конечного изображения.

Однако, каждая ячейка такой матрицы, просто подсчитывают фотоны. Т.е. формируемый в датчике-ячейке электрический заряд прямо пропорционален количеству света попадающего в него. Отметим также один важный момент, в RAW-файле от CFA-камеры содержится, прежде всего информация о яркости полутонов, т.е. об оттенке серого каждой ячейки матрицы.

От оттенков серого к цвету

Назначение цветовой мозаики состоит в том, чтобы создать цветное изображение на основе полутонового снимка получаемого из матрицы. Каждый элемент матрицы покрывается цветным фильтром так, что каждый элемент воспринимает только красный, зеленый или синий свет. В большинстве камер используется используется схема раскраски элементов, называемая фильтром Байера. (см. Рис. 2)

raw_pic2

Рис. 2
В Байеровском фильтре каждая ячейка фоточувствительной матрицы воспринимает один из основных цветов (красный, синий или зеленый). При этом количество зеленых ячеек вдвое больше, чем красных или синих. Это связано с тем, что человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленой части спектра.

Возможны также и другие варианты раскраски и расположения элементов. Некоторые камеры используют вместо RGB, CMY цветофильтры, так как последние пропускают больше света. Иногда также используются дополнительный четвертый цвет фильтра для более точной передачи цветовых оттенков. Однако независимо от цвета используемых фильтров, каждая ячейка воспринимает только один цвет. Т.е. ячейка находящаяся под красным фльтром определяет яркость красной составляющей света части изображения проецируемого именно на эту ячейку, ячейка под зеленым фильтром — соответственно зеленую составляющую и т.п.

RAW-файлы содержат информацию двух типов. Во-первых, это данные об освещенности каждого пикселя. Во-вторых, это метаданные. Метаданные, буквально, это «данные о данных». Для примера, в RAW и JPEG файлах содержатся EXIF-метаданные (Exchangeable Image Format), в которых содержатся данные о снимке, такие как тип и серийный номер камеры, значения выдержки и диафрагмы, фокусное расстояние объектива и использовалась ли вспышка. RAW-файлы содержат также дополнительные метаданные необходимые RAW-конвертору при преобразовании RAW снимка в RGB картинку.

Кроме информации о яркости каждого пикселя, большинство RAW-форматов включают в метаданные так называемое декодирующее кольцо (decoder ring), в котором описан порядок размещения элементов мозаики цветового фильтра над чувствительными ячейками матрицы. Эта информация позволяет RAW-конвертору понять какой цвет представляет конкретно взятая ячейка. RAW-конвертор использует эту информацию при преобразовании полутонового RAW-снимка в цветное изображение интерполируя «предполагаемый» цвет каждого пикселя опираясь на значение яркостей нескольких соседних ячеек матрицы, а также на информацию о цвете фильтра соответствующего этим ячейкам.

raw_pic3

Рис. 3
RAW-снимок декодируется RAW-конвертором с учетом метаданных включенных в файл во время съемки. Качество декодирования сильно зависит от алгоритма реализованного в конкретном RAW-конверторе.

Этот процесс обычно называют «разбор мозаики» (demosaicing). Он играет ключевую роль в конвертировании RAW-снимка, но не только он. RAW-преобразование, кроме процесса разбора мозаики, включает следующие шаги:

  • Баланс белого (White balance). Установленный в камере баланс белого не оказывает влияние на данные о цвете пикселей при съемке в RAW-файл. Установленные параметры просто записываются в раздел метаданных RAW-файла. Некоторые RAW-конверторы могут использовать эти данные и применять их по умолчанию при конвертировании изображения, оставляя пользователю возможность отключить эту опцию. Однако, некоторые RAW-конверторы могут полностью игнорировать эту информацию и устанавливать баланс белого на основываясь на свой собственный алгоритм анализа данных RAW-снимка.
  • Колориметрия (Colorimetric interpretation). В RAW-файле для каждого пикселя записывается яркость одного из цветов фильтров мозаики (например красного, зеленого или синего). Но красный, зеленый или синий цвет это довольно неопределенные термины. Если взять сотню людей и попросить их представить красный цвет, мы конечно же увидели сто различных оттенков красного, имей мы возможность читать их мысли.
    В цифровых камерах используется огромное количество различных цветофильтров. Поэтому RAW-конвертор должен точно представлять что означают «red», «green» или «blue» пиксели. Обычно это описывается в колометрическом цветовом пространстве CIE XYZ, основанном непосредственно на человеческом цветовосприятии.
  • Корректировка гаммы (Gamma correction). Цифровой RAW-снимок имеет линейную гамму (гамма 1.0), что сильно отличается от тонального восприятия фотопленки или человеческого глаза. RAW-конвертор производит коррекцию гаммы ,перераспределяя информацию о полутонах, что больше соответствует тому как человеческий глаз видит света и тени. (Эта особенность цифровых снимков имеет исключительно важное значене при выборе экспозиции. Более подробно эта тема раскрыта в статье «Raw Capture, Linear Gamma and Exposure».)
  • Снижение шума, устраниение алиасов и повышение резкости Часто возникают проблемы с очень мелкими деталями изображения. Если деталь изображения проецируется лишь на один пиксель матрицы, только на красный или синий, RAW-конвертор может затратить значительное время расчитывая какого же все-таки цвета должен быть этот пиксель изображения на самом деле. Простейшие методы «разбора мозаики» ничего не делают для обработки граничных деталей, в то время как многие RAW-конверторы производят обработку границ и удаления алиасов с целью устранения цветовых артифактов, понижения шума и улучшения четкости изображения.

Все RAW-конверторы выполняют вышеперечисленные действия, но используемые алгоритмы могут сильно различаться. Вследствие этого одно и тоже изображение может довольно сильно различаться будучи обработано разными RAW-конверторами. Одни конверторы делают тона более «плоскими», предоставляя возможность последующей коррекции. Другие, наоборот, изменяя кривые контрастов делают изображения больше похожим на пленочное.

И все-таки, обработку RAW-изображения нельзя назвать «совершенно корректной». Производители имеют свою субъективную точку зрения, как наилучшим образом «должно выглядеть» ваше изображение, и соответствующим образом подстраивают свои конверторы для получения ожидаемого ими результата.

Чем JPEG отличается от RAW

Когда вы снимает в JPEG-файл, raw-конвертор встроенный в камеру выполняет все задачи перечисленные выше для преобразования raw-снимка полученного из чипа матрицы в цветное изображение с последующей компрессией его с использованием алгоритма JPEG-компрессии. Некоторые камеры позволяют опционально вручную устанавливать параметры такой конверсии. Обычно это — выбор цветового пространства sRGB или Adobe RGB, параметры резкости, параметры кривой передачи полутонов и контрастности. Этого бывает достаточно, если вы снимаете много кадров в аналогичных условиях. В противном случае, достаточно трудно изменять эти параметры от кадра к кадру, и камере приходится самой интерпретировать в силу своего «разума» условия съемки каждой сцены.

Изображения JPEG, кроме всего, имеют значительные ограничения для редактирования тонов и цветов, что связано с разбивкой изображения на блоки 8х8 пикселей заложенном в алгоритме JPEG-компрессии. Кроме того JPEG выполняет обработку данных о яркости и подвергает значительной компрессии цветовые данные. Причем это особенно заметно на участвках изображения с телесными тонами и мякгими градациями, если вы пытаетесь редактировать JPEG.

Когда вы снимаете RAW, вы получаете независимый контроль интерпретацией изображения черерез все вышеупомянутые особенности конветирования. Только три параметра установленные на камере действительно влияют на ваш RAW-снимок: чувствительность ISO, выдержка и значение диафрагмы. Все остальное, полностью в ваших руках, при конвертировании файла. Вы по своему усмотрению можете изменять баланс белого, колориметрические параметры, параметры передачи полутонов и обработки деталей (повышение четкости и подавление шумов). Эти действия, однако, могут быть ограничены возможностями того или иного RAW-конвертора.

Практически все камеры выдают RAW-снимки с 12-битным разрешением (4096 полутонов). JPEG-формат, как правило, ограничивает это 8-ю битами на канал. Таким образом, когда вы снимаете в JPEG-формат, вы доверяете встроенному в камеру RAW-конвертору отбросить довольно большую часть информации об изображении (примерно 30%) в надежде, что после этого изображение будет достаточно достоверным. Наблюдается довольно сильная тенденция производителей камер сильно увеличивать контраст при RAW-JPEG конвертации, делая изображение JPEG похожим на изображение слайда. В результате этого теряется около одной ступени в динамическом диаппазоне изображения и вы не имеете возможности контроллировать, какая часть информации отбраковалась.

Можно провести аналогию, представив съёмку JPEG как съемку на слайдовую пленку, в то время как съемка RAW больше похожа на съемку негативной пленкой. С JPEG, как и со слайдами, вам необходимо чтобы камера всегда корректно отрабатывала корректную экспозицию, так как вы очень мало можете изменить впоследствии. Напротив, съемка RAW предоставляет широкие возможности в определении передачи полутонов, как негатив, и также дает свободу в регулировке цветового баланса и насыщенности цветов. Кроме всего RAW позволяет вам управлять процессом передачи деталей (подавление шумов и улучшение четкости), что правда не находит отражения в контексте данной аналогии.

Однако, предлагаемые RAW потенциальное преимущества, могут стать большими трудностями. Если вы снимаете RAW, вы возможно получите это преимущество в будующем в новых RAW-конверторах. Цифровая фотография недолго будет находиться во младенчестве, возможно недолго в «юности» и когда нибудь для нее наступит старость. Те кто уже не один год работает с обработкой цифровых изображений знает как часто и происходит смена программного обеспечения. JPEG это относительно «негибкие» файлы — мы можем наблюдать некоторые изменения в их обработке, но они достаточно скромны. RAW-конверторы, как правило, каждые 10 лет претерпевают коренные изменения, например принципы фильтрации цвета в камерах, и есть веские основания полагать, что мы увидем аналогичные перемены в следующие 10 лет. Съемка RAW позволит вам использовать эти изменения, когда они произойдут.

Добавить комментарий