Photography 笔记(七)

相机历史

摄影在历史上曾经作为艺术的一种辅助形式,帮助画家获得一些相当的素材。后来摄影自身也希望在 fine art 中占有一席之地,有两个流派一个是 allegory(主要是和宗教信仰有关) 一个是静物(通过静物反应一些意识流 -,-b)。欣赏美图好了。不过可能这就是为啥有人觉得这类摄影有 zb 行为。

看起来是不是有点 zb 呢?

之后就开始有反对的声音,认为 zb 是没有前途的。一个流派 naturalism 大概是最直接的,它认为应该去掉一些照片里的人为因素,它提倡 romanticism、lyricism 和早期的 impressionism,因此它注重 pose、camera vantage point 和氛围。还有一种 pictorialism 却认为照片的形式上应该模仿 painting,这导致对相片的大量处理,强调 photographic impressionism。之后有 realist(一般选择社会问题作为拍摄的目标),modernist。

相机内的图像处理

前面列举了一些流程,包括 demosaicing,tone mapping and white balance,denoising,sharpening 和 compression。这个方面的研究比较困难,主要是每个相机厂商使用了自己私有化的过程,即便是第三方的软件也很少公开自己解析 RAW 的细节。前面介绍过 demosaicing 过程,一般是使用相邻像素(RGB)进行线性插值,但每家都会有一定自己的 trick,我们无从得知。

在 tone mapping 和 white balancing 阶段核心的问题是:精确重现 relative luminance on a display screen(绝对的光照是难以重现的,而且人对光线的感知有自己的特点,使用相对强度就可以达到很好的效果了),某些情况像素值正比于场景的亮度,有时候是感知亮度,比如 CTR 一般选择的 \gamma = 2.5,而相机一般使用的是 2,这个差异是为什么呢?这个和人眼在不同环境下对光线的感知亮度不同有关系,在户外光比大,人眼观测到亮度 B \propto L^{0.5},而在昏暗的地方这个关系是 \propto L^{0.4},这个指数上的差异表明了对暗部的不同解读,越小暗部就会越被提亮。这样一来我们在室外拍摄拿到的图片到室内观看时由于存在 CRT 的 \gamma = 2.5 就保证在室内仍然获得在室外一样的 perceived brightness。相机 \gamma 与 CRT 的乘积称为系统 \gamma。在 tone mapping 中比较粗鲁的方案就是使用 Gamma 变换,另一种策略就是使用 histogram equalization。这个技术是图像处理常用的,但是个人感觉对一般的照片来说有点太重口味了。更好地可能是 global versus local 这种变换方式,事实上像 Ansel Adams 原先处理照片的时候也会使用 dodging 或者 burning 的策略提高局部反差,

其实天空的云层肯定比下面的亮很多,这里会适当降低云层的亮度,使得整体的 tone 更平一些,而不是那么两极分化,事实上人眼观察时这种较平的 tone 会更舒适,云层的细节也更加让人觉得漂亮。

tone mapping 在生成 HDR 图片时也非常有用。通常我们可以利用相机的硬件直接捕获不同曝光下的图片,然后后期拼接成为具有 HDR 的照片(Fujifilm 应用在 S5 上的 super CCD 技术),也可以拍摄一系列不同曝光水平的照片,后期合成。为了展示这种 HDR 的照片理想的情况是使用支持 HDR 的显示器(如 Sunnybrook),这一般是通过两层发光体结合产生的效果。另外一种策略我们还是用正常的显示器,那问题是如何将一个比如通过更高 bit 数量化后的图片放到比如 JPEG 的 8bit 里面,并且还是对人眼的亮度感知合理的。对艺术家来说他们处理这类问题一般是将高光部分进行压缩,而将过黑的的区域进行 cutoff。这里将一个简单的策略,比如使用 gamma 变换,这会导致颜色的饱和度牺牲严重。为了避免对色彩发生变化,一种策略就是仅仅让 gamma 变换作用在 luminance 上,而把 saturation 和 hue 不变,之后拼回来就能得到较好的效果了。这个方法也有缺点,就是饱和但是明亮的区域变好了,暗的部分仍然不好。因此可以考虑使用局部的策略与全局的结合,比如降低低频的对比而增加高频的对比,这可能导致出现 halo,另一种想法是通过 bilateral filtering 保持 edge 获得的 large-scale 部分,这部分反差降低,而将残差(高频部分)不变,这样再加上颜色部分就得到了没有 halo 的效果。

HDR 的策略

我们强调 local constrast 主要源于人对明暗的认知是相对于一个较小的环境获得的现象。

这里题外话是常用的 ND filter 并不是为了获得不同曝光下的照片,而是为了延长曝光时间获得等量曝光的策略。比如拍摄流水常用这种伎俩让水变成雾状。

下面讨论 denoising 和 sharpening。很多时候 denoising 的本质是在做 blurring,但这会减少 edge 让人觉得图像并不锐利,一种策略也是使用 bilateral filtering 这种号称保留 edge 的 blur。sharpening 一般是做 linear filtering,通过每个像素与周边的相减。常用的一种策略称 USM(unsharp masking),将原图与 high-contrast 版本进行 blending,blending 是通过一个表示 edge 的 mask实现的,这个 mask 会有非线性的部分(去掉最暗部分的 pixel)。

最后谈一下 compression,即 JPEG 的压缩原理和 EXIF 信息,后者其实是一种文件格式,它可以嵌入到 RAW、JPEG 等文件里面表示拍摄的一些参数、环境信息等。JPEG 压缩首先对文件分块到 8×8 大小,然后分别做 DCT,选择某一部分系数存储(有损压缩),根据 entropy 压缩(无损)。解码时解开无损部分根据 DCT 逆变换恢复,然后把 block 拼回原图即可。下图是 DCT 使用的一组基。

DCT 使用的基

选择系数的时候一般是用 zig-zag 顺序的前几位。但是对品质的衡量可能每个软件选择的不一样。

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Come, let us make our father drink wine, and we will lie with him, that we may preserve seed of our father.

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