Dynamiikan maksimointi

Minua pyydettiin kirjoittamaan, miten digikameran kuvaan saisi mahdollisimman paljon sävyinformaatiota. Aihetta on käsitelty paljon, esimerkiksi tässä Luminous Landscapen artikkelissa, mutta ehkäpä asiaa voisi käsitellä suomeksikin.

Dynamiikan maksimoinnilla tarkoitetaan siis sitä, että digikuvassa olisi käytettävissä mahdollisimman suuri valoisuusero. Vaalean pään sävyt eivät saisi olla puhki, vaan valkoisessakin olisi sävyeroja. Tummasta päästä löytyisi mahdollisimman pitkään sävyeroja, ennen kuin ne hautautuvat kuvan kohinaan.

Mitä on dynamiikka?

Digikameran kennon valoherkkä anturi kerää valoa eräänlaisen vesiastian tapaan. Valoa tulee sateena astiaan valotusajan keston ajan. Lopuksi mitataan paljonko valoa on saatu. Jos valoa tulee liikaa, astia alkaa vuotaa yli ja mittausarvo jää maksimiinsa riippumatta todellisesta valomäärästä. Kuva "palaa puhki" tästä kohtaa.

Toisaalta mittaustarkkuudella on rajansa. Jos vettä tulee astian pohjalle vain pisaroita, ei oikeaa määrää voida nähdä astian kyljen asteikosta. Mittaustulos menee arvaukseksi, satunnaiseksi arvoksi, joka vaihtelee. Todellinen informaatio jää "kohinan" sekaan.

Kennoilla on dynamiikka, joka on näiden kahden ääripään väli – se määrä "valoa", joka voidaan kerätä ja mitata. Dynamiikka voidaan ilmaista eri yksiköillä ja myös arvioida eri tavoin. Usein se ilmoitetaan maksimi- ja minimivalointensiteetin suhteena, ja minimiarvo arvioidaan halutulla signaali/kohina -suhteena. Alarajaksi voidaan esimerkiksi arvioida se kohta, jossa todellista signaalia on yhtä paljon kuin satunnaista kohinaa.

Valokuvaajillekin tuttu tapa ilmaista dynamiikka on käyttää "aukkoja" (ev, stops). Yksi aukko on sitä, että valon määrä kaksinkertaistuu. Kaksi aukko on valon nelinkertaistuminen ja niin edespäin. 8 aukkoa on valon 256-kertaistuminen.

Hyvän nykyaikaisen kompaktikameran dynamikan määrä on noin 9 aukkoa, vanhemman ehkä 7 aukkoa. Nykyisten järjestelmien dynamiikka on 10-13 aukkoa. On kuitenkin huomattava, että näissä luvuissa tumma pää jo kärsii silmin nähtävästä kohinasta.

Dynamiikan lisäksi on huomioitava sävymäärä. Normaalissa JPEG-kuvassa voidaan esittää kullekin kolmelle päävärille 255 eri sävyä. Vaikka dynamiikka levenisikin, tarkoittaa se vain portaiden erojen kasvamista. Tällainen sävyjen puute voi näkyä vaikkapa taivaan sinen väriliukuun muodostuvissa rajoissa, kun väri vaihtuu vaaleammaksi.

Sävymäärissä käytetty värin koodaus aiheuttaa ongelmia. Lineaarisessa koodauksessa värissä on vaaleimmassa aukossa (valoisuuden kaksinkertaistumisen) 128 sävyä, seuraavassa 64 sävyä ja niin edespäin aina puolittuen. Tummien sävyjen esittämiseen on vähiten arvoja ja kohinaa syntyy myös tästä.

Perusteet valotukselle

Koska digikenno leikkaa liian kirkkaan valon yhtäkkisesti, on kameran valotus säädettävä niin alas, ettei varmasti yksikään värikanava pala puhki.

Toisaalta koska digitaalinen kuva säilyttää sävyjä sitä paremmin, mitä valoisampaa on, kannattaa kuva pääsääntöisesti valottaa niin valoisaksi kuin mahdollista.

Ennen puhuttiin siitä, että negafilmi valotetaan varjon mukaan ja dia valon mukaan. Digikameralla pitää tehdä suunnilleen samaa kuin diallakin, ja mitattava valotus valoisien kohtien avulla.

Kameran normaali valotusmittari esittää valon määrän yhtenä lukuna ja senkin itseasiassa verrannollisena sen hetkisiin valotusasetuksiin. Lisäksi luku yleensä tuotetaan arvioimalla mittauskohteen olevan keskiharmaa. Eli vaikka kameralla mitattu valotus tietystä paikasta näyttää olevan kunnossa, jos tuo kohta onkin kovin valoisa, niin kuvasta tulee tumma. Vastaavasti tummasta kohdasta mitattu voi ylivalottua.

Valotusmittarin lukema ei myöskään ilmoita kuvan kirkkaimpien tai tummien kohtien suhdetta lukemaansa. Valotusmittari voi näyttää kuvan valotuksen keskiarvon olevan kunnossa, mutta silti kuva palaa jostain kohti puhki.

Hyvä työkalu valotuksen paremmalle arvioinnille on niin sanottu histogrammi. Se näyttää koko kuvan valoisuuden palkkikaaviona, jossa vasemmalla ovat tummat sävyt ja oikealla kirkkaat sävyt. Palkin korkeus kertoo kuinka paljon kyseistä sävyä on kuvan pinta-alassa.

Histogrammi näyttää usein eräänlaiselta kukkulalta. Jos kukkulan huippu on oikealla, kuva on valoisa, jos vasemmalla, kuva on tumma. Jos kukkulan reuna leikkautuu kaavion oikeassa reunassa, kuvassa on puhkipalaneita kohtia. Jos ajatellaan digikuvan valotusta, olisi kukkulan pudottava maan tasalle juuri oikeassa reunassa ja suurimman osan valotuksesta kannattaisi olla oikealla.

Monissa kompakteissa histogrammin saa näkyville jo tähtäysvaiheessa. Niinpä kaavion avulla voi valotusta säätää sellaiseksi, että kuva valottuu oikein. Esikatselukuvissa kamera näyttää ylipalaneet kohdat vilkuttamalla kyseistä kohtaa. Järjestelmissä histogrammin saa näkyville jo otetulle kuvalle. Sen avulla voi valotusta säätää ja ottaa uuden kuvan.

Huippuvalojen mittaaminen

Jos pyritään säilyttämään valoisimmatkin kohdat puhkipalamattomina, on viisainta mitata suoraan niiden mukaan. Kameran pistemittaus ja manuaalivalotus on tehty tähän.

Ensinnäkin pitää tietää, mikä on kameran valotusmittarin arvon paikka kameran dynamiikassa. Yleensä voi arvata, että kuva ei pala puhki vielä kolmenkaan aukon päässä keskiharmaasta. Tarkemmin arvon saa siten, että mittaa pistemittauksella tasaisen valkoisen valonlähteen valotuksen ja sitten säätää valotusta ylöspäin, kunnes valo palaa puhki.

Esimerkiksi kiinnitetään kameran himmentimen arvo vaikkapa f/4:iin. Mitataan käsivalotuksella, että pilviseltä taivaalta mittarin antama aika olisi 1/2000. Pidennetään aikaa aina tuplaksi (1/1000, 1/500, 1/250, 1/125, 1/60) ja havaitaan, että järkkärin ajalla 1/60 taivas palaa puhki, mutta pysyy histogrammissa vielä arvolla 1/125. Tällöin valotusvaraa on käytettävissä noin 4 aukkoa.

Tätä tietoa voidaan nyt käyttää hyväksi. Mitataan kuvan kirkkaimpien kohtien valotusarvo pistemittauksella. Avataan valotusta tästä tuo mitattu 4 aukkoa. Kuvataan.

Siis esimerkiksi halutaan maisema, jossa on pilviä. Himmennin on pienenä f/16 suuren syväterävyyden takia. Mitataan pistemittauksella kirkkaimmaksi pilven valotusajaksi 1/800. Lisätään valotusta 4 aukkoa – pidennetään valotusaikaa neljä kertaa tuplaksi: 1/400, 1/200, 1/100, 1/50. Eli kameraan arvot f/16, 1/50 s ja kuvataan. Tarkistetaan toki histogrammista.

Kaksi asiaa on vielä huomioitava. Ensinnäkin jotkut valot saavat palaa puhki. Aurinko on tyypillisesti sellainen valo, joka on niin kirkas, ettei sitä saa kuvan dynamiikkaan mitenkään. Siitä on turha mitata valoa. Sama koskee sisätiloissa erilaisia valaisimia. Erilaiset kirkkaat heijastukset on myös syytä jättää puhkipalaneiksi, näin ne näyttävät heijastuksilta.

Toinen on kameran herkkyyden vaikutus dynamiikkaan. Herkkyysasetus tavallaan muuttaa sitä mittausastian kokoa. Mitä vähemmän valoa, sitä tarkemmin sitä voi mitata pienemmällä astialla. Samalla myös dynamiikka pienenee. Jos valotusvaran on mitannut pienimmällä ISO-herkkyydellä, voi nyrkkisääntönä pienentää puoli aukkoa per ISO-herkkyyden kaksinkertaistuminen. Tarkemmin asiaa voi tutkia tekemällä mittauksen eri ISO-herkkyyksillä.

Värit

Kaikki edellä kerrottu on ajateltu ikään kuin mustavalkokuvan kannalta. Kuitenkin digikennot taltioivat värikuvia käyttäen kolmea värikanavaa (punainen, vihreä, sininen). Jos kohteessa jokin väri esiintyy selkeästi muita voimakkaammin, voi käydä niin, että histogrammi näyttää kunnolliselta, mutta yksittäinen värikanava palaa puhki. Tällainen käy tyypillisesti taivaan siniselle tai ihon punaiselle. Kuvassa näkyy läikkä, jossa on sävyjä, mutta joku väri on kovin tasainen sävyiltään.

Värit on kuvaajan huomioitava ja annettava enemmän valotusvaraa, jos joku väri dominoi. Toinen mahdollisuus on käyttää kameran värihistogramminäyttöä, jossa kukin värikanava näytetään erikseen, ja säädettävä valotusta sen mukaan.

Käytäntö

Aina ei ole aikaa nysvätä. Mittailua ja laskeskelua ei ehdi tehdä. Nopeinta on luottaa kameran mittariin ja tehdä korjauksia otettujen kuvien histogrammin perusteella. Vielä kun ottaa peruslähtökohdaksi, että mittaus kannattaisi tehdä esimerkiski kasvojen valoisammalta puolelta, niin yleensä ainakin välttää ylipalamisen.

Jos on kuvaamassa tilannetta ja haluaa, ettei kohteiden valoisa ympäristö pala, niin tekee tuon huippuvalojen mittauksen ajoissa, laskee ja kokeilee sopivat arvot kameran manuaalivalotustilaan. Tällä voi kuvata yleiskuvia, joissa esimerkiksi taivaan pitää näkyä sinisenä. Aina kun pitää kuvata jotain rajatumpaa, jossa koko maisema ei näy, niin voi pudottautua vaikkapa aukon esivalintatilaan ja antaa kameran huolehtia valotuksesta. Paremmat kamerat muistavat kunkin tilan asetukset erikseen.

Oikean mittaustilan valinta on usein olennaista valotuksen onnistumiselle. Koko alan matriisimittaus on yleispätevä, mutta ei aina pidä huippuvaloja aisoissa. Keskialuepainotteinen keskiarvo puree vähän isompien kohteiden kuvaamisessa. Pistemittauksella varmistetaan yhden kohteen oikea valotus.

Sanomattakin on selvää (onhan?), että laajinta dynamiikkaa ei saada talteen JPEG-kuvauksella. Kuvat on otettava Raw-muotoon ja säädettävä jälkeenpäin konvertterilla sellaisiksi, että halutut sävyalueet näkyvät ja kohina ei näy. Tällä myös saadaa niitä sävymääriä talteen, 14-bittisen Raw:n ja 8-bittisen JPEG:n ero tummissa väriliuissa on melkoinen. Toki oikea valotus parantaa JPEG:ienkin laatua, mutta maksimidynamiikasta ei voida puhua.

Toinen itsestäänselvyys ainakin minulle on kuitenkin se, että valokuvaus ei ole sitä, että yritetään maksimoida kameran suorityskyky. Tarkoitus on tallettaa hetkiä ja saada niitä näkyville sellaisina kuin valokuvaaja niitä haluaa. Tässä tavoitteessa parin aukon puuttuminen dynamiikasta ei merkitse mitään.

Muuta luettavaa

Luminous Landscapen artikkeli histogrammeista. Vaikka englanti ei sujuisi, niin näkyvillä on esimerkkejä kuvista ja vastaavista histogrammeista.

Hiukan vanhempi artikkelini dynamiikasta

Esimerkki taivaan palamisesta kuvassa

Artikkeli kameran käsivalotuksesta

1.9.2009