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數位影像為何需要經過後製?(上)   (點閱1873955)
器材分類:Nikon 尼康 / 應用軟體 / 其它    日期:2008/8/26

數位影像為何需要經過後製?
(上)

 

很多人誤以為攝影就是利用相機「精確地」複製我們想拍攝的場景。然而,實際場景包含的資訊範圍,遠超過任何攝影工具所能夠複製。人類視覺系統經過長期演化,藉由非常特殊、神奇的方式擷取這些資訊。人類視覺系統不同於相機,是以其獨特的方式來處理與儲存場景,將其壓縮為物件、關係與情緒。當我們望著某場景所看到的、所記憶的,以及該場景所喚起的情緒反應,只有一部份是來自於物理實體。所以,對於所拍攝的影像,如果要複製我們的視覺經驗,有些東西必須被刪除、有些東西必須被彌補、有些東西必須被修改。

場景給我們啟示,攝影是我們的工具,如何藉由攝影來闡述場景,則是一種藝術。因此,攝影者的任務,就是把場景解釋為影像(照片)。

 

前言

關於這個問題,每個人的答案未必一樣,我個人的看法如下。

數位相機只能拍攝 raw 檔,這種由 0 1 構成的數位檔案,唯有經過後製處理才能變成肉眼看得見的一般影像。所以,後製屬於必要程序;沒有後製,沒有影像。

人類的視覺系統是在幾萬年的演化過程中,為了求取生存、適應環境而慢慢形成的,絕非任何機械程序所能精確模擬。相機拍攝的影像,如果想具體反映人類看到的場景,勢必要經過後製才能達到這種『真』的境界。

很多情況下,攝影被當成是一種媒介或工具,藉以傳達個人的美學觀點或哲學意念。換言之,『真』沒有必要是最後結果。影像除了反映肉眼看到的真實場景之外,也可以反映攝影者的其他想像。

數位相機拍攝的影像,畢竟要透過某種輸出設備顯示:或是顯示在電腦螢幕上,或是 顯示為照片或某種形式的印刷品。輸出設備存在各種限制,數位影像通常都必須經過後製,才能適當地透過輸出設備顯示。

 

本文分為下列 4 個部分討論:

1.     數位相機的影像處理程序。

2.     相機 vs. 肉眼。

3.     美感與意念。

4.     輸出設備。

 

首先,我準備討論數位相機如何擷取資訊,然後將其擷取的資訊轉換為可供觀賞的影像。關於這個影像處理程序( image processing pipeline ),除了屬於數位攝影的基本知識之外,也有助於界定何謂『後製』( post processing )。

至於第 2 、第 3 與第 4 點,基本上是反映影像後製的 3 個標準程序。第一,求真。此處所謂的『真』,也就是說影像應該反映人類視覺系統看到的實際場景。正因為這個緣故,相機(不論傳統相機或數位相機)拍攝的影像,必須經過後製,才能達到適當程度的『真』。

第二,攝影者想要傳達自己的訊息或意念,影像可以只是一種表達工具。在很多情況下,『真』的影像是不夠的。

第三,數位影像必須透過輸出設備(顯示器、印表機、印製機)才能呈現實際可供觀賞的影像。任何輸出設備都有其限制,影像通常必須經過後製,方能透過輸出設備適當地表達出來。

 

I. 數位相機的影像處理程序

任何數位相機都只能擷取 raw 檔。想要由 raw 檔取得一般影像( jpeg 檔、 tiff 檔、 psd 檔…等),就必須經過後製。所以,我把『後製』定義為:「 raw 檔轉變最終可觀賞影像的一系列程序」。這個程序概略可以分為兩部分: raw 檔轉換與影像編輯。

就觀念上來說, raw 轉換與影像編輯之間的差別很清楚; raw 檔轉換是作用在 raw 檔轉換為 tiff 或其他影像檔案的過程中,影像編輯則是作用在轉換之後的 tiff 檔案(或 jpeg psd 等)。

可是,就實務操作上來說,這兩個部分未必很容易化分。譬如說, Canon DDP Nikon NX ACR Lightroom… 等,都屬於 raw 檔轉換軟體,但其中也包含很多影像編輯功能(作用在 raw 檔轉換之後的 tiff 或其他影像檔案)。

這一節的討論主題是: raw 檔轉換,也就是 raw 檔如何轉換為一般影像格式的程序。至於影像編輯,則是本文第 2 4 節的討論主題。

 

*****     ******     *****

 

數位相機的感應器( sensors )上,佈滿一系列方格狀的「畫素」,它們就像水桶收集雨水一樣,用以收集光線的「光子」( photons )。當光線落在感應器上,每個畫素都會收集光線的能量構成元素「光子」,然後根據光子的數量,經由對於光線敏感的光電兩極體( photodiode )轉換為電荷。電荷再轉換為電壓,電壓經過擴大,又經由「類比 - 數位轉換器」( analog to digital converter ,簡稱 ADC ),把類比訊號轉換為電腦軟體能夠處理的數位訊號,然後相機(或電腦)軟體將這些數值資料做處理 —— 本節的主題 —— 就成為可供觀賞的數位影像。

數位影像就像 Excel 試算表一樣,由矩陣般的畫素欄位構成,每個欄位都儲存前述感應器提供的數值。數位影像的畫素,在顯示於電腦螢幕或印製為照片之前,其本身只是一堆由 0 1 構成的數值資料,並沒有大小。

請注意,目前的數位相機大多採用貝爾型態的感應器(參考圖 01 ),只能夠透過畫素的光電兩極體衡量光線亮度,不能區別光線波長(所以不能辨識色彩 )。因此,感應器之上,必須裝置「彩色濾片陣列」( color filter array ,簡稱 CFA ),這也是圖 01 顯示的馬賽克型態彩色濾片,讓它們濾出落在該畫素位址之光線的紅色、綠色 藍色成分。圖 01 顯示的這種 CFA ,是由 25 %的紅色、 50 %的綠色與 25 %的藍色濾片構成,稱為 GRGB 貝爾型態( GRGB Bayer Pattern )。請特別注意,每個畫素上的濾片都只有 一種 顏色(或是紅色,或是綠色,或是藍色),所以每個畫素偵測的亮度資訊,只夾帶一種色彩的資料,完全沒有另外兩種色彩的資訊;另外兩種色彩資料,必須根據附近其他畫素的資料進行估計。

 

001

 

 

每當我們按下快門,數位相機就會根據前述程序擷取資料,內容包括感應器每個畫素的亮度資訊,夾帶著 CFA 的色彩資訊(每個畫素只有紅 - - 藍濾片之中的一種顏色),這就是所謂的 raw 檔。相較於傳統攝影,這等於拍攝完成而未經任何處理的底片,還沒有任何實際影像可言。

Raw 檔雖然具備影像的全部資訊,但 raw 檔要變成實際可以看到的影像,必須經過一系列處理,這個處理程序,屬於『後製』的一部份。

所以,當我們拍照時,實際取得的東西稱為 raw 檔,這個 raw 檔必須經過後製,才能成為真正的影像。我們在相機 LCD 或電腦螢幕上看到的所謂 raw 檔,實際上是 raw 檔夾帶的 jpeg 檔, raw 檔本身只是數碼,看不到影像。現在,讓我們看看 raw 檔必須經過什麼處理而成為肉眼看得到的一般影像(請參考圖 02 ,請注意,此處呈現的是大體上的概念,每種 raw 檔轉換軟體的實際處理程序未必相同):

 

02

 

 

讓我們稍微解釋這個流程圖。首先是解馬賽克程序( demosaicing process )。相機拍攝取得 raw 檔,其中包含每個畫素的亮度資訊,夾帶著 CFA 的色彩資訊。請參考圖 03 ,裝置在相機感應器前面 GRGB CFA ,使得每個畫素只能產生 R-G-B 之中的一種色彩讀數,另外兩種色彩資訊則是經過插補( interpolation )或解馬賽克程序估計取得的。唯有透過解馬賽克程序,每個畫素才有完整的 R-G-B 資料。這個程序,請參考圖 03

03

 

 

CFA 濾鏡上,有 25 %紅色濾片, 50 %綠色濾片,還有 25 %藍色濾片。綠色濾片的數量最多,因為人類肉眼對於綠色最敏感。由於紅色濾片只佔整個感應器畫素的 25 %,所以整個影像的紅色資訊,有 75 %是經由(相機或電腦軟體)估計得來的;同理,有 50 %的綠色資訊與 75 %的藍色資訊都是經過估計得來的。

由於每個畫素的另外兩種色彩資訊,都必須根據周遭畫素的資料進行估計,這涉及插補的程序,因此而造成影像的銳利程度下降,這稱為「解馬賽克假影」( demosaicing artifacts )。換言之,畫素經過插補而呈現的色彩,雖然很接近理論上應該呈現的精確色彩,但畢竟不會完全相同,這種現象最在色彩差異很大的邊界區域尤其明顯。請參考圖 04 ,紅色蓮花與綠水的邊界畫素,原本應該是「紅」「綠」分明的,但「解馬賽克運算」造成紅色侵入綠色部分,綠色也侵入紅色部分,請注意黃線圈起來的 2 × 2 畫素範圍。可是,隨著感應器畫素增加,再加上軟體進步,這種「解馬賽克假影」的影響已經愈來愈小了。

 

04

 

 

請注意,每家相機製造商或 raw 檔轉換軟體的解馬賽克運算都不盡相同;所以,即使相機感應器相同,影像性質也可能顯著不同。

讓我們回到圖 02 Raw 檔經過解馬賽克程序之後,這些數據必須經過線性化。大體上來說,數位相機感應器本身就是線性的。現在,每個畫素都有 R-G-B 的資訊,但這些紅 - - 藍究竟是怎麼樣的紅(綠或藍),如果沒已經過明確的定義,只是很模糊的概念。所以,對於這些色彩讀數所代表的真正色彩,我們必須給予明確的定義,這通常是透過一個 3 ´ 3 的矩陣,把相機 RGB 讀數,映射到 CIE XYZ 之類的色彩空間(這類空間的色彩具有明確定義)。前述映射過程,要考慮曝光亮與白平衡的調整。然後,影像再由 CIE XYZ 轉換到特定 Gamma 的一般 RGB 空間(譬如: AdobeRGB sRGB )。

此處有幾點特別值得注意。數位相機擷取的資料,基本上線性資料(場景的實際亮度與相機記載的讀數,兩者之間成固定比例關係,場景亮度增加一倍,記錄讀數也增加一倍)。這和人類視覺或其他感覺系統是完全不同的。所以,由 raw 檔轉換出來的一般影像,需要映射到比較符合人類視覺之亮度變動比例關係的色彩空間(通常是 gamma 1.8 2.2 )。

關於圖 02 顯示的程序,攝影者雖然能夠選擇採用哪種 raw 檔轉換軟體,但對於轉換程序內的某些動作,原則上是沒有辦法控制,譬如:解馬賽克程序與線性化。可是,關於另外一些行動,攝影者是可以控制的,例如:白平衡設定、曝光補償調整、選擇輸出的 RGB 空間、其他非線性調整、階調曲線等,甚至可以透過相機校正(或 Adobe 最近提供的相機描述檔)來控制相機 RGB 轉換到 CIE XYZ 的程序等。

總結:數位相機只能拍攝 raw 檔。 Raw 檔包含每個畫素擷取的亮度資料,並夾帶 CFA 的不完整色彩資訊。 Raw 檔只是數碼檔,唯有經過轉換軟體的作用,才能變成肉眼看得見的影像。這部分後製程序是必要的。

 

II. 相機vs.肉眼

人類肉眼所看到的東西,實際上是由三部分構成:物體性質、光線,以及大腦的解釋(由某種角度來說,根本沒有所謂客觀存在的景象或影像)。即使相機能夠精準記錄前兩者,畢竟還是沒有辦法站在人類大腦的角度解釋影像。人類視覺是經過數萬年時間慢慢演化而成的,對於亮度與色彩的解釋,程序非常複雜。所以,關於這點,我們要立即面臨的問題就是:影像究竟應該「忠實」反映相機拍到的東西?或是反映肉眼看到(大腦解釋)的東西?哪個影像才是攝影者真正想要或應該要的?

人類視覺存在一些值得攝影者特別留意的性質(這部分資料,大多取材自 Dan Margulis Professional Photoshop ):

1.      色彩適應( chromatic adaptation )。人的視覺具有適應彈性。演化程序讓人類具備一種能力,會根據我們認定 —— 而不是實際 —— 的顏色(尤其是以白色做為參考基準),藉以判斷周遭環境的其他顏色。譬如說,在高色溫環境下,光線偏藍,但我們看到的白色還是白色(因為經驗告訴我們,某種東西是白色的);可是,相機看到的白色會偏藍。在森林裡拍照,中性物體會染上黃綠色,但肉眼仍然認定這些物體的色彩是中性的,例如:白襯衫或黑頭髮。所以,這些「白」襯衫究竟應該顯示相機記錄的黃綠色,或反映肉眼看到的白色?

這個效應還有其他意涵,或許值得在此稍做討論。我們透過電腦螢幕觀察影像,面對的情況截然不同於觀看印製影像(照片)。對於印製照片,我們通常有參考基準可以判斷顏色,例如:照片的白邊、周圍的空白或其他,所以相對容易察覺色偏。電腦螢幕的情況則不同,沒有清楚的色彩參考基準,很容易讓我們產生色彩迷航。即使是明顯存在色偏的影像,只要讓視覺經過一段適應時間,在電腦螢幕上看起來就愈來愈正常。這也是為什麼在做色彩修正的過程中,重要基準色彩需要藉由色彩讀數判斷的理由所在。舉例來說,人類的肌膚、綠色植物、藍天、中性物體……等,其色彩讀數都存在特定的關係;我們可以根據這些已知的關係做為輔助,用來判斷影像其他部分的色彩是否合理。另外,也正因為這種緣故,螢幕校正並不特別重要(藉由儀器校正螢幕,確實有其必要性,但沒有必要太講究),關鍵判斷還是需要仰賴 RGB LAB CMYK 的色彩讀數。換言之,螢幕即使能夠精確顯示色彩,能夠清楚顯示某個影像確實存在色偏,但使用者如果沒有能力「看到」色偏,螢幕校正對於色彩修正的助益,恐怕也很有限。

2. 同時反差( simultaneous contrast )。對於色彩非常單調的景象,人類視覺會把主體顏色往相反方向調整,讓主體與背景產生更大的區別。可是,相機不具備這種能力。譬如說,看著一片森林,千萬年的演化程序,會讓我們自然強化眼前各種綠色之間的差異;換言之,單調顏色之間的色彩差異會被自然拉開。所以,當我們拍攝「看」起來很漂亮的森林、沙灘、峽谷 …… 等景象,結果經常會令人大失所望,因為相機拍攝的影像,色彩往往太單調,跟肉眼看到的景像完全不同。一般來說,相較於相機拍攝的結果,我們記憶中的綠色會更綠,肌膚會更健康,天空會更藍……等。這些效應都應該在暗房處理過程中受到強調。

3. 肉眼對於不同光線強度的環境,適應力非常強(很亮的東西,會自動變暗;很暗的東西,也會自動變亮),相機則不然。數位相機是以線性方式擷取亮度資訊,人類的視覺系統則是非線性的。

4. 環境的反射光或刺眼光源,肉眼會自動調整,所以看起來不會特別不舒服,甚至根本不覺得異樣,但相機拍攝的類似景象,就令人覺得很突兀,例如:眼鏡的反射光或臉部的油漬。這些問題都必須在暗房內處理。

5. 我們覺得有興趣的東西,肉眼會讓這些東西的反差自然加大,有別於其他東西。相機則一視同仁。所以,如何凸顯主題,也是暗房的重要工作之一。

6. 反之,對於我們覺得沒有興趣的東西,肉眼會自動喪失色彩感覺,但相機則不會。

7. 即使是色彩非常明確的東西,肉眼覺得其暗部通常是中性的(沒有顏色),但相機會看到明確的顏色。更詳細來說, 肉眼對於暗部的反差比較敏感(對於色彩比較不敏感),對於亮部的色彩比較敏感(對於反差比較不敏感)。這對於暗房處理也有顯著影響。譬如銳利化,影像暗部通常可以做大膽的銳利化,亮部則不適合,或需要採用不同的銳利化程序。

對於攝影,這些都是重要的視覺效應,在暗房處理或色彩修正上,也代表重要的指導準則。事實上,如果仔細研究色彩修正的處理程序,或閱讀這方面的書籍,我們還會察覺到很多類似細節。

相機與人類視覺感知系統之間,存在結構性質上的根本差異(我不想用這個枯燥話題來煩大家)。就人類的感知來說,我們看哪裡、看什麼、記住什麼、覺得什麼是重要的、如何感受,很多東西都非常主觀。對於同一個場景,每個人所記憶、所想描述的,恐怕都不太一樣,都是獨一無二的。譬如說,對於一個雪景,某些人可能覺得詩情畫意,另一些人可能覺得是一場災難。總之,如果我們想讓攝影結果呼應攝影當時的情緒經驗,難免要對於影像素材做一些彌補與修改。這也為什麼攝影是一種藝術而不是科學的道理。

 

(待續)


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回應列表 ( 5 )
stick77tt 留言於2008/8/29 下午 04:45:35  
長知識!!!

leejnshn 留言於2008/9/1 下午 10:15:45  
非常專業有用  感謝

jeans 留言於2008/9/2 上午 01:22:16  
好知識!

p10048 留言於2008/11/11 上午 11:19:02  
dida您好
常閱讀您發表有關數位文章受益良多 有點問題請教 如果一張影像經過Photoshop處理(例如色階 對比 色彩平衡 筆刷修飾....等)完成後另存新檔  有軟體可以辨識它經過那些處理嗎?

練習曲 留言於2016/9/6 下午 09:34:23  
       很實在,很有用的文章,能分享這樣文章真要按個讚啦!                        

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