Открываем «Класс цветокоррекции» и начинаем публиковать цикл обучающих статей от колориста и моушн-дизайнера Олега Шарабанова. Урок первый, вводный, посвящен основам цветного изображения — детали в видеоинструкции и тексте. 
 

Видеоурок 1 «Восприятие цвета: глаз и камера» в рамках проекта «Берем Canon на тест».  

Чтобы понять, как работает цифровое изображение, стоит, на мой взгляд, начать с феномена цветного зрения. Человеческое цветное зрение — это комплексное явление, которое изучают еще со времен античности. Это способность организма различать объекты на основе частот видимого спектра, которые они отражают, испускают или пропускают через себя.

Исаак Ньютон экспериментально открыл явление дисперсии, пропуская белый солнечный свет через призму. Он обнаружил, что свет разлагается в спектр, а при попытке повторно расщепить спектральные составляющие они просто преломляются. Обнаружили также, что разделенный спектр можно собрать обратно в белый свет с помощью собирающей призмы. Теоретическое обоснование явления дисперсии было написано значительно позднее.

Эффект оптической дисперсии при прохождении света через призму / Фото: Vilisvir

На внутренней оболочке нашего глаза есть небольшая область с фоторецепторами. Она называется сетчатка (лат. retina). Фоторецепторы — это клетки, которые преобразуют электромагнитное излучение видимого спектра в нервные импульсы. Они бывают двух видов: палочки и колбочки. Палочки отвечают за ночное и периферийное зрение. В сетчатке глаза здорового человека их около 120 миллионов. Последние исследования показали, что палочки способны фиксировать даже попадание одного фотона. При этом палочки чувствительны в изумрудно-зеленой части спектра с пиком 498 нм. Поскольку палочки расположены на сетчатке менее плотно, чем колбочки, при ночном зрении мы видим все в сине-зеленом цвете и не можем различать цвета.

Колбочки, в свою очередь, имеют коническую форму и у взрослого человека их около 6-7 миллионов. Светочувствительность колбочек примерно в 100 раз меньше, чем у палочек, но при этом они лучше воспринимают контрасты, резкость и, как следствие, движущиеся объекты.

Человек имеет трихроматическое зрение. То есть мы способны различать красную, зеленую и синюю части спектра. Исследования Аманды Мелин из университета Калифорнии, результаты которых были представлены на конференции AAAS 2017 в Бостоне, показывают, что трихроматическое зрение по сравнению с дихроматическим дало приматам преимущество в виде способности различать плоды на фоне листьев, а также более точно определять потенциальную угрозу.

Дихроматическое и трихроматическое зрение у приматов

Итак, у человека есть три вида колбочек, которые обозначаются как S, M, L (от определения длин волн: short, middle, long). Эти клетки чувствительны к синей, зелено-желтой и желто-красной частям спектра, соответственно. Общая спектральная чувствительность нашего глаза при дневном зрении имеет пик в области 555 нанометров. Это означает, что при эквивалентной освещенности мы будем видеть зеленый цвет ярче, чем красный и синий.

Нормализованные значения отклика колбочек на спектральные стимулы

В 1861 году шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл для доказательства теории о трихроматическом зрении при помощи фотографа Томаса Саттона делает первую в мире цветную фотографию. Для этого на три фотопластины сняли бант — с красным, зеленым и синим фильтрами. Получившийся результат Максвелл демонстрировал через проекторы с соответствующими фильтрами на проекционном экране. Это заложило базис для появления аддитивной цветовой модели, которая используется в камерах, смартфонах, телевизорах, проекторах и другой электронике с цветными дисплеями.

Первая в мире цветная фотография / Фото: James Clerk Maxwell

В 1903 году по чертежам Адольфа Митте и Сергея Михайловича Прокудина-Горского создали камеру с возможностью последовательной съемки на три негатива с цветными фильтрами. Технология цветоделения была аналогичной процессу Максвелла. Благодаря этой технологии, Прокудину-Горскому удалось получить цветные снимки Российской империи в достаточно высоком качестве.

Процесс съемки на три негатива

Также в 1903 году братьями Люмьер был запатентован «Автохром» — аддитивный процесс с растровым цветоделением. На стеклянную пластину наносился растр из гранул крахмала трех цветов: красно-оранжевого, зеленого и сине-фиолетового. Гранулы действуют как светофильтры и при обработке по обращаемому процессу на пластине получалось черно-белое изображение под цветными светофильтрами. Таким образом можно было наблюдать цветное изображение. «Автохром» имел более низкое качество по сравнению с процессом Максвелла, но при этом был гораздо удобнее, поскольку требовалась всего одна экспозиция. До середины 1930-х годов «Автохром» оставался самым доступным и распространенным методом цветной фотосъемки.

Фотография, сделанная по процессу Autochrome Lumiere / Фото: Fernand Cuville

В это время в области цветного кино сменился ряд процессов. Эксперименты Эдварда Рэймонда Тернера в 1902 году предвосхитили аддитивный процесс цветной киносъемки, но так и не были воплощены коммерчески. KinemaColor заимстовал результаты его экспериментов и сделал упрощенный двухцветный процесс, который просуществовал до 1914 года. В 1916 году американская компания Technicolor создала аддитивный процесс Technicolor 1, который так и не стал коммерчески успешным из-за технических проблем. В 1924 году был выпущен существенно измененный, уже субтрактивный двухцветный процесс Technicolor II, который завоевал популярность в мире кино. В 1932 году Technicolor выпустила на рынок первый в мире процесс полноцветной съемки: Technicolor 3 strip, который завоевал большую популярность, несмотря на техническую сложность и большую стоимость. 28 июня 1935 года вышел первый полноцветный фильм в истории кино — «Бекки Шарп».
 

Трейлер фильма «Бекки Шарп» (1935)

В 1935 году компания Kodak выпустила Kodachrome, первую в мире цветную трехслойную фотопленку, и это определило дальнейшее техническое развитие цветной фото- и киносъемки.

Сегодня все меньше картин снимается на пленку, а обработка любых изображений происходит в цифровом виде. Вместо пленки в современных камерах используется матрица, или, как ее называют в англоязычных источниках, сенсор — массив фотодиодов.

Матрица камеры Canon C200 / Фото: Canon

Каждый из фотодиодов создает электрический импульс в зависимости от количества попавшего на него света за время экспозиции, после чего этот импульс усиливается и проходит стадию измерения аналогово-цифровым преобразователем. Зная координаты пикселя на матрице, камера записывает показания в соответствующую ячейку. Если бы матрица была реализована только в виде фотодиодов, то таким образом можно было бы закодировать только черно-белое изображение.

Фильтр Байера

Для кодирования цвета в камерах со CMOS-сенсорами используется фильтр, запатентованный в 1976 году сотрудником Kodak Брюсом Байером. Фотодиоды на матрице сверху покрыты цветными фильтрами красного, зеленого и синего цветов. Паттерн фильтра Байера содержит 50% зеленого, 25% красного и 25% синего и имеет вид RGBG. Такое количественное соотношение фильтров было выбрано исходя из нашей физиологии и отклика колбочек на спектральные составляющие. Таким образом, камеры, которые снимают в RAW-формате, фактически, записывают «разобранное» RGBG изображение, то есть, снимок всех показаний фотодиодов. Чтобы создать из этого привычное глазу RGB-изображение, выполняется пересчет и интерполяция этих значений.

Процесс называется дебайеринг, demosaic или просто проявка, а сам RAW-файл часто называют «цифровым негативом». Избыточность и высокая битность при записи RAW позволяют нам гибко менять параметры точки белого, контраста и экспозиции на стадии цветокоррекции. Основные минусы при съемке RAW заключаются в том, что RAW файлы-занимают большой объем дискового пространства и требуют существенных вычислительных ресурсов рабочей станции для обработки.

RGBG-изображение без дебайеринга
 

Обложка: Harry Quan