Annons
Artiklar > Digitalkameran - från motiv till bild

Digitalkameran - från motiv till bild

I den här artikeln försöker jag att kortfattat beskriva hur datat från en digitalkamera hanteras för att bli en bild. Jag baserar det hela på en Canon PowerShot G2, men förhoppningsvis stämmer detta med hur de flesta andra modeller också fungerar.

Tillägg 2005-05-28 ang. kurvor, gå till slutet av artikeln.

Innehåll
Exponeringsomfång
Test av exponeringsomfång
Vitbalansering
Färginterpolering
Färgkorrigering
Exponeringskompensation

Exponeringsomfång

Digitalkamerans sätt att registrera ett motivs omfång mellan mörkt och ljust är inte det bäst lämpade för fotografi. Den böjda kurvan nedan visar hur digitalkameran beter sig och den raka linjen är vad vi är ute efter.

För de fyra ljusaste stegen är det dock inga problem att korrigera den böjda kurvans form. Vad det handlar om är att den raka kurvan "vill ha" en lika stor informationsmängd inom varje steg medan det som digitalkameran har att erbjuda är en halverad informationsmängd för varje steg mörkare exponeringen är.

Om den raka kurvan (som här omfattar sex steg) befinner sig i en skala med 256 olika gråtoner (det normala för en bild i en dator) ska digitalkameran minst ska ha 256/6 = 43 toner inom varje steg. I andra steget från vänster har kamerans informationsmängd halverats fem gånger. Således måste totala registrerade omfånget ha en upplösning på 43·2·2·2·2·2 = 43·32 = 1376 toner, om ingen kvalitetsförlust ska tillåtas vid kurvkorrigeringen.

En mer praktisk och förhoppningsvis mer begriplig tillämpning av detta resonemang visar jag i nästa avsnitt. Några roligare kurvor än den raka sex-stegs-varianten visar jag i sista avsnittet.

Test av exponeringsomfång

Min Canon G2 har en upplösning på ca 980 toner, vilket motsvarar ett omfång på knappt tio steg. Nedan visar jag kvalitetsskillnaden på de olika delarna av omfånget. Växla bild genom att föra muspekaren över kurvorna.


Det skiljer alltså två steg i exponering mellan var och en av de fyra bilderna. Exponeringsomfånget för G2-modellen kan väl sägas vara sex steg i normalfallet och upp till åtta steg om motivet kräver det. Det är ju ofta rimligt att offra lite pixelkvalitet i bildens mörkaste delar för att inte fräta ut det ljusaste.

Vitbalansering

En vit eller grå ton i en RGB-bild består av lika stora värden för de tre färgerna (RGB=rött, grönt, blått). De flesta digitalkameror är dock konstruerade så att en vit/grå yta i dagsljus inte exponeras så att RGB-värdena blir lika stora.

För att vitt ska bli vitt måste därför en matchning göras så att de färger som blivit mindre exponerade skalas upp. För dessa innebär detta dels att de högsta värdena slängs bort, dels att kvaliteten försämras (mera brus).

Att simpelt slänga bort värden verkar ju fånigt. Mycket riktigt kan därför rådatakonverteringsprogram kopiera data från den minst exponerade kanalen till de mer exponerade, för dagsljushimlar typiskt från den röda till de gröna och blå. Om t ex den röda kanalen måste skalas med en faktor två, för att dagsljusvitt ska blir korrekt, har man exakt ett stegs extra exponeringsomfång (för det ljusaste) i den röda kanalen.

Vill man ha en svartpunkt utan för mycket färgbrus är det också vettigt att kopiera data mellan kanalerna, fast då istället för det allra mörkaste i bilden. Man förlorar färg, men vinner alltså i bildkvalitet.

Färginterpolering

För att få fram färginformation ur ljuset som lyser på en pixel sitter det ett filter framför som gör att enbart en av de tre grundfärgerna (rött, grönt eller blått) når pixeln. De andra två måste gissas fram (interpoleras) utifrån intilliggande pixlars värden.

Ointerpolerat.

Canon.

Minnebo mjuk.

Minnebo max skarp.

Minnebo skarp.

dcraw VNG.

Med Minnebo menar jag skaparen av gratisprogrammet PowerShovel II.

mjuk
metod:  Lanczos(G) + Bilinear(Chroma)
filter: Ultra resolution
Color Filter 9-tab fork median
Smoothing
max skarp
metod: Lanczos(G) + Bilinear(Chroma)
filter: Ultra resolution
Color Filter 9-tab fork median
skarp
metod: VNG(G) + Bilin(chr)
filter: Color Filter 9-tab fork median

Jag har tittat lite på Capture Ones interpolering också och den är väldigt imponerande. Det blir skarpt utan den prickighet som förhoppningsvis går att ana i testbilden ovan (speciellt "max skarp").

Värt att nämna är att Sigmas kamera SD9/10 med sin Foveon-sensor helt slipper färginterpoleringen.

Färgkorrigering

Det bör finnas någon slags avvägning för hur en perfekt konstruerad digitalkamera reagerar på färg. Å ena sidan är det bra att den inte reagerar för kraftigt eftersom det då är större risk att t ex den röda kanalen blir överexponerad när man fotar en röd färg. Om den å andra sidan reagerar för lite blir noggrannheten med vilken kameran klarar att registrera färgskillnader lägre.

Det handlar om samma sak när man specar en RGB-färgrymd. Ju större den är, desto större färgskillnad är det mellan varje RGB-värde (typiskt åtta bitar, 0-255).

Min Canon G2 återger rött på ett sätt som matchar en stor färgrymd bra, medan gröna och blå kanalerna måste förstärkas.

Enklaste sättet att göra en färgkorrigering är genom att multiplicera RGB-datat med en matris. Matrisen konstrueras bl a så att inte gråtoner påverkas och den placerar det korrigerade datat i valfri RGB-färgrymd. Formler för att räkna på färg kan man hitta på Bruce Lindblooms utmärkta sidor och en påsiktsbild med referensfärg kan man skaffa här.

Exponeringskompensation

Omfångskurvorna spänner över min Canon G2:s teoretiska tio steg (se tidigare avsnitt). Den första är utan någon exponeringskompensation och de övriga tre alla med 1,5 stegs pluskompensation.

För att göra en kontrastsänkning (fjärde kurvan) i en bild från en Canon G2 krävs alltså att originalbilden är för mörk. Andra kurvan har jag med för att visa på hur bilden skulle sett ut om man exponerat ljusare istället.

Tillägg ang. kurvor

Kurvorna i den här artikeln visar överföringen från linjärt RGB-värde till RGB-värde för skärmen. Detta är inte särskilt snyggt teoretiskt då skärmvärdena innehåller en kurva som har sin enda egentliga funktion i att göra värdena någorlunda lämpliga att skicka till en CRT-skärm. Det enda korrekta är att visa kurvor i ett log-log-diagram, så jag planerar att uppdatera artikeln ordentligt vid tillfälle.

Med en log-log kurva med lutningen ett bevaras (teoretiskt) kontrasten från motivet till skärm / påsiktsmedium. I princip alla digitalkameror har dock ett större omfång mellan medelgrått och utfrätt än vad som går att återskapa med en sådan kurva - dvs. alla digitalkameror har en skuldra i kontrastkurvan vid normal kontrastinställning.



Publicerad 2004-05-17.

24 Kommentarer

Atle Hansen 2004-05-18 09:00  
Betyg: 4
Intressant läsning även om jag inte till 100 % begriper allt (ännu!;-))
JohannaReb 2004-05-18 16:43  
Betyg: 5
har letat efter information om vad allting egentligen handlar om! (vitbalans etc). Måste läsa igenom allt flera gånger innan jag förstår allting, men det är ju en bra grund för mig.
Måns H 2004-05-18 19:01  
Intressant, fast jag som kör analogt inte fattar mycket. En fråga: Finns nån sv-vit digital kamera? Den borde kunna bli skarpare, ingen interpolering.
kaw 2004-05-19 00:15  
Tack för kommentarer! Jag har försökt skriva så lättbegripligt jag kan (kanske lite väl kortfattat?), men problemet är förstås som alltid att det först är efter man "hållt i grejerna" själv som man har någon chans att verkligen förstå.

En digitalkamera för svartvitfoto vore absolut en intressant produkt för ganska många (men ändå för få). Har nog diskuterats i forumet, tror problemet är att det måste till en stor serie för att man ska få ner priset vid sensortillverkningen.

Kul Johanna att du blev glad över att hitta min artikel. Själv undrar jag om den uppenbara info jag skriver här om t ex vitbalans går att hitta någon annanstans på webben? Jag har inte gjort det i alla fall...
peternilsson75 2004-05-19 13:04  
Lite väl teknisk för min del. Gissar att man måste vara riktigt vass fotograf för att kunna bli bättre med hjälp av denna artikel.
tormig 2004-05-19 15:46  
Du skriver att "De flesta digitalkameror är dock konstruerade så att en vit/grå yta i dagsljus inte exponeras så att RGB-värdena blir lika stora". Vet du vad de är optimerade för?
kaw 2004-05-19 17:11  
Peter -
Sambandet mellan att vara fototekniskt kunnig och vass fotograf är ju inte precis glasklart. Det gäller väl även sambandet mellan teknisk förståelse och praktisk nytta ;-)

Det jag själv vunnit är en kraftfull exponerings- och kontrastkorrigering, överlägsen den som t ex finns i Capture One.

Torbjörn -
Bra fråga, jag undrar detsamma själv.
pontus.h 2004-05-20 21:14  
Brukar använda skolans G3 och undrar över korrigeringarna du gjort. Finns de i det medföljande programmet (som vi inte installerat) eller hur gör du?
Bra att någon går igenom begreppen ordentligt, måste bara lära mig vad de betyder nu också :-)
Vet någon vilka färgtemperaturer som motsvaras i vitbalansinställningen? Min teori:
Daylight 6500K, Cloudy ~9300K, Tungsten 3000K (2700K), Flourescent 4000K, Flour.H 5300K, Flash ?
kaw 2004-05-20 21:38  
Medföljande program till Canon G2 erbjuder minimalt med korrigeringsmöjlighet. Jag har använt hembyggda funktioner.
larban 2004-05-22 16:31  
Betyg: 2
Få orkar läsa färdigt.
kaw 2004-05-22 17:34  
Artikeln är skriven för de som är intresserade. Men min tanke är att det ska vara enda kravet. Alltså - ställ frågor ni som är intresserade men tycker det jag skriver är för krångligt.
jonas_lindquist 2004-05-26 00:17  
Bra artikel! Har dock en liten fråga om dcraw. Jag är inte helt nöjd med det själv, men du verkar få det att fungera mycket bra! Kör du den i konsol eller..? Vilka flaggor?

Tacksam för svar!
//Jonasl
kaw 2004-05-26 11:07  
Det enda (men det är desto viktigare) som är bra med dcraw är att man får tillgång till bilddatat i smidig C-kod-form. För att få ett bra utseende på bilderna har jag programmerat egna funktioner.
cwe 2004-05-27 00:56  
Betyg: 4
Hej Anders,
intressant, som sagt. Jag har märkt att min
blå-kanal ofta är underexponerad på digitalaren, och här har vi ju lite förklaring på det, misstänker jag.
En fråga: fungerar det på samma sätt med en scanner? Är det skillnad på grundteknik mellan en digitalkamera och en scanner i hur de använder färginformationen osv? Det borde ju vara bättre "analog" optik på en digital-kamera, tycker man, så ljuset som når sensorn borde ju kunna vara mer avpassat??
-Christian
kaw 2004-05-27 13:31  
En skanner exponerar väl alltid de tre färgerna separat.
jonas_lindquist 2004-05-28 00:27  
Anders skriver:
"För att få ett bra utseende på bilderna har jag programmerat egna funktioner."

Skulle du kunna dela med dig av dessa??

//Jonasl
Aristofanes 2004-05-28 09:57  
Betyg: 5
Detta var en utmärkt artikel med seriösa länkar. Artikeln ger en fråga med en praktisk konsekvens. Vilken färgtemperatur är den ljuskänsliga plattan i en typisk digitalare (i mitt fall Nikon D100) mest optimerad för. Dvs, för vilken färgtemp behöver konverteringsprogrammen göra minst justeringar.
Jag gissar att det är runt 5000K. I så fall kan jag ju hjälpa konverteringsprogrammen genom att ha ett blåfilter när jag fotar i elljus. Därigenom skulle inte den blå kanalen behöva multipliceras upp, eller den röda ner, så våldsamt som jag tror är fallet, och därmed skulle bilden bli mindre brusig.
tobias l 2004-05-28 10:49  
Betyg: 4
Bra artikel. Jag skulle vilja veta mer om olika färgomfång etc. hos olika digitalkameror. Vad är det i tekniken som gör att de skiljer sig åt? Kan vi förvänta oss att "pixeldragracingen" upphör och det blir en utveckling mot bättre färgåtergivning?
Agrynnis 2004-05-28 15:31  
Betyg: 5
Artikeln är ett bra fundament att bygga vidare på för att till fullo utnyttja den digitala tekniken.

Fler såna här.
kaw 2004-05-28 19:04  
Tack för trevliga kommentarer! Insåg plötsligt att det inte alls är konstigt detta med att de flesta kameror inte är optimerade för dagsljus. Då skulle ju konstljus fungera ännu sämre.

I dagsljus förstärks rött mest och i konstljus blått och någonstans däremellan förstärks de alltså lika mycket och färgbruset blir minst.

Om kameran är optimerad för ett särskilt ljus (att ingen skalning alls behövs i t ex dagsljus) skulle alltså filter behövas för att få samma tjusiga optimering vid andra färgtemperaturer. Eftersom ett filter snor ljus så måste känsligheten ökas och därmed bruset, så det kanske inte är någon optimal lösning det heller - förutom att det är hopplöst att behöva byta filter...

Tobias -
Jag kan inget om sensorteknik, men jag har lyckats att skapa en "egen färg" till min Canon G2. Det har varit struligt, men i bästa fall kan jag nu med endast en liten jobbinsats använda exakt samma metod på en annan kamera - och då alltså få någon slags relevant jämförelse i praktiskt färgomfång.

Jonas -
Visst vill jag dela med mig av det jag hittat på. Jag borde kunna fixa en kommandoprompt-version som fungerar med Canon G2 och 10D, men för att göra det hela användbart krävs ett grafiskt gränssnitt där man direkt ser hur bilden ändras när man t ex ändrar kurvformen. Själv kan jag så lite om programmering att detta skulle ta en evighet att bygga, men om någon annan har lust så...
Johanandren 2004-05-29 20:24  
Betyg: 4
Många av de grafiska verktygen jag användt har varit frontends till dcraw, så jag tycker att det vore kanon om du fixade en kommandopromtversion och skickade patch till Dave Coffin. På så sätt kunde dina listiga tillägg gagna fler.

Om inte annat kan du maila koden för dina tillägg till mig så styr jag upp det.

Tack för en bra artikel.
jonas_lindquist 2004-05-30 13:03  
"Visst vill jag dela med mig av det jag hittat på. Jag borde kunna fixa en kommandoprompt-version som fungerar med Canon G2 och 10D, men för att göra det hela användbart krävs ett grafiskt gränssnitt där man direkt ser hur bilden ändras när man t ex ändrar kurvformen. Själv kan jag så lite om programmering att detta skulle ta en evighet att bygga, men om någon annan har lust så..."

Anders, detta är JÄTTEINTRESSANT och jag tror att många med mig tycker detsamma! Kanske det är dags att flytta denna diskussion till en forumtråd?

Själv är jag heller ingen fena på GUI-programmering, men det finns det säkert flertalet här som är!

//Jonasl
Hayder Alsahaf 2004-05-30 15:38  
Betyg: 4
intressant läsning, jag erkänner att jag inte förtår alla tekniska detaljer men jag har märkt att det finns en viss skillnad mellan analog fotografering och den digital iform av extrema vita nyanser eller mörka partier i digital bilder.
kaw 2004-06-07 11:38  
Daniel Hjelm 2004-06-08 10:26  
Betyg: 4
Mycket intressant läsning!

En fundering som jag har.. (kanske så att du just berättade det i din artikel :)

Jag knäpper alltid i NEF och tycker att jag får oftast bättre drag i färgerna om jag drar ner färgrymden från "Adobe RGB" till "sRGB".

Är det så att jag komprimerar färgrymden så att jag kan få fler nyanser på ett mer begränsat område?

Vet du om Nikons RAW=NEF format klarar att byta färgrymd utan att tappa kvalité. (Jag gör det i Nikon Capture Editor)
kaw 2004-06-08 14:08  
Att dina bilder ser bättre ut i sRGB beror på ett vanligt missförstånd som uppstår då Adobe RGB-bilden granskas i ett program som inte klarar att hantera olika färgrymder. Det ska gå att hitta en hel del om detta med sökning i forumet.

Din andra fråga är jag inte säker på hur jag ska tolka. Det färgrymdsbyte som sker i Nikon Capture Editor är vid konverteringen av NEF-filen, då färgerna flyttas från sensorns färgrymd till (i det här fallet) alternativt Adobe RGB eller sRGB.

När jag försöker mig på den omvandlingen sker en del förluster, speciellt till sRGB (Adobe RGB är en större färgrymd, så då blir det mindre förluster), men Nikons programvara klarar det säkert utan några större problem.
salar 2004-06-10 17:08  
Betyg: 4
Bra och intressant läsning även om jag som många andra inte fattar allting direkt
Thomasis 2004-09-14 10:54  
jag vill veta mer! Utöka, skriv mer. Jag är själv tekniker och vill veta hur digitalt begränsar (och inte). Fast jag kanske ska titta lite på bildkomposition också!
kaw 2004-09-23 23:33  
Inspirerande kommentar Thomas! Ska se vad jag kan åstadkomma, men det dröjer nog...
Bucke 2004-09-24 12:09  
Betyg: 5
Precis vad jag sökte efter, lik tidigare insändare så förstod jag inte allt till fullo men jag ska läsa texten ytterliggare en gång och försöka brotta ner den till förståelse.. tack
HåkanLundberg 2004-10-23 00:40  
Betyg: 4
Jag citerar "Digitalkamerans sätt att registrera ett motivs omfång mellan mörkt och ljust är inte det bäst lämpade för fotografi." och tittar på kurvorna.
Jag tror digitalkameratillverkarna får skärpa sig och ta fram kameror med bättre och "rakare" exponeringskurvorkurvor!
kaw 2004-11-04 12:39  
Det man gjort istället är att tillverka kameror med en fantastiskt låg brusnivå. Att ändra på kurvans form är betydligt knepigare. Vad jag förstår är det en naturlag att sambandet mellan den laddning som byggs upp i en sensor och den ljusmängd som lyst på den, är linjärt.
Goran 2005-01-16 01:28  
Betyg: 4
verkar intressant, har börjat läsa den, ska läsa nogrannare snarast...finns nog en del att lära känns det som..=)
Pirbos 2006-08-17 02:18  
Betyg: 5
Mycket bra text om problematiken kring ämnet. Även om jag förstår mycket av termerna från andra sammanhang, fattar jag inte hälften här i detta sammanhanget... men det kommer nog ;-)
Richard911 2007-11-13 00:59  
Svårt att häng med när man inte vet termer eller hur man praktiskt måste tänka på de här grejorna. Men jag är glad att det finns för jag ska lära mig =) lite mer än jag kan nu.

Merläsning

ANNONS