צבע דיגיטלי 2 – מרחב דינמי

זהו חלק השני מתוך שלושה מאמרים בהם מאור אלימלך יעזור לכם לעשות סדר במושגים השונים ולבאר כיצד הם קשורים אחד לרעהו. לקריאת החלק הראשון על עומק צבע לחץ כאן.

 

מרחב דינמי גבוה ודחיסת גמא
High Dynamic Range & Gamma Compression

שימוש במספר ביטים גבוה אמנם יאפשר תמונה עשירה בגוונים אך תרגום התמונה למספרים הוא רק חלק אחד בשרשרת. בכדי שתתקבל תמונה בעלת מרחב דינמי גבוהה אנו זקוקים לחיישן המסוגל לקלוט את המרחב הזה. הבעיה היא שטכנולוגית רוב רובם של חיישני הוידאו אינם מסוגלים לקלוט מרחב גבוה של צבעים.

מה זה בכלל מרחב דינמי גבוה?

בניגוד לחיישנים דיגיטליים העין האנושית קולטת אור בצורה לוגריתמית. ובעברית, בכדי לאפשר למוח לקבל תמונה עם מרחב גדול של עוצמות אור, העין רגישה פחות ופחות ככל שעוצמת האור גדלה.

בכדי לפשט את העניין נניח שאנו בתוך חדר סגור עם חלון המשקיף ליום שטוף שמש. אם נסתכל החוצה ממרחק מה מן החלון נוכל לראות בבירור גם את העצמים הנמצאים בחדר החשוך וגם את הנוף המשתזף בשמש הקופחת זאת משום שהעין שלנו נבראה בצורה שהיא רגישה פחות לאור ככל שעוצמתו גדלה. לעומת זאת אם נצלם את אותה הסצנה במצלמה סטנדרטית נאלץ לבחור במה להתמקד – אם נתמקד בעצמים שבחדר, הנוף “יישרף” ונאבד פרטים בתמונה ואם נבחר להתמקד בנוף, העצמים בחדר יראו כהים מאוד ושוב נאבד פרטים. זאת משום שהחיישן  קולט אור בצורה לינארית ישרה, עוצמת האור שנקלטת בחיישן היא זו שיוצאת ממנו ולכן מהר מאוד החיישן מגיע לקצה יכולתו .

High Dynamic Range) HDR) ובתרגום – מרחב דינאמי גבוה הוא מאפיין המעיד על כך שהתמונה מכילה טווח צבעים רחב שמתבטא ברובו ביכולת לתאר אזורים חשוכים, כהים ובו בזמן להציג אזורים בהירים לפרטים. המושג “גבוה” הוא ביחס לראייה האנושית וביחס ליכולות הטכנולוגיות הנפוצות.

העין האנושית מסוגלת לקלוט 14 דרגות של חשיפה (Stops) כאשר עליה במדרגה אחת מייצגת תוספת כפולה של אור. לדוגמה אם נצלם חנוכייה ביומה השמיני בחדר חשוך בחשיפה של ‘סטופ’ אחד נקבל עוצמת אור של 8 נרות (בלי שמש…) כשנצלם את אותה חנוכייה בחשיפה של שני ‘סטופים’ אנו נוסיף כמות כפולה של אור לחיישן דהיינו 16+8= 24 נרות. ככל שהתמונה תכיל מרחב גבוה יותר של חשיפות כך היא תהיה יותר ראויה לתואר HDR.

על אף המגבלה הטכנולוגית של חיישני התמונה הנפוצים בייצור תמונה בעלת מרחב דינאמי גבוה ישנם מספר פתרונות וטכניקות להתגבר על המגבלה הזו:

1) צילום התמונה במספר חשיפות שונות ולאחר מכן לעבד אותה בתוכנות מחשב שמאחדת את כל תחומי המרחב הצרים. אותה טכניקה כמעט בדיוק מיושמת גם בוידאו בעזרת המצלמות  RED Epic ו-RED Scarlet  כאשר בהן מתבצע צילום וידאו של שתי תמונות בחשיפות שונות במקביל בפורמט HDRx שחברת RED פיתחה, לכדי תמונה אחת בעלת מרחב דינאמי גבוה. טכניקה זו נפוצה בעיקר בתמונות סטילס ומייצרת תמונות בעלות מראה ייחודי מאוד.

בעזרת עדכון קושחה למצלמת Canon 5D M3 ניתן ליישם את אותה הטכניקה של ה-HDRX

 

2) צילום עם חיישן שמסוגל לקלוט מרחב גבוה יחסית. ישנן מספר מצלמות שעושות שימוש בחיישנים כאלה כדוגמת Black Magic Cinema Camera, RED Scarlet, RED Epic, Sony F3, ARRI Alexa. עדיין לא נקבל אפקט שדומה לשימוש בטכניקה בסעיף 1 אבל יחסית למרחב שמצלמות רגילות יכולות לתפוס הוא גבוה, במיוחד בזכות שימוש בדחיסת צבע בעזרת נוסחת Gamma עליה נלמד להלן.

כיום ישנם מצלמות וידאו בודדות מאוד שיודעות לצלם בHDR בצורה חלקית. אלו שעושות זאת נדרשות להתמודד עם בעיה נוספת באחסון המידע, משום שעל כל קפיצה בדרגת חשיפה אחת כמות המידע גדלה פי שתיים, הרי שאנו זקוקים להקצות רוחב פס כפול לאחסון המידע עבור כל קפיצה בדרגת חשיפה. לשם כך מצלמות הקצה מצלמות בפורמט גולמי (RAW) ובעומק צבע של 12bit, מספיק מידע כדי לאחסן  את מרחב הצבעים. צילום גולמי הוא אמנם אידאלי לתיקוני צבעים בפוסט אבל זולל הרבה שטח אחסון משום כך ישנן מצלמות (FS100, FS700 ועוד) שמייצרות תמונה עם מרחב דינאמי גבוה יחסית ומאחסנות אותו ב-8bit. בכדי לפתור את בעיית רוחב הפס עבור כל קפיצה בדרגת חשיפה מתבצע שימוש באלגוריתם Gamma. (ייתכן וסביר להניח ששימוש בנוסחת גמא קיים גם באחסון חומר גולמי, אך כאן זה בא לידי ביטוי בצורה יותר משמעותית עקב מגבלת עומק המידע (8bit))

מה זה Gamma?

אם אתם גרפיקאים, עורכי וידאו או סתם משתמשים בתוכנה גרפית מתקדמת כלשהי, גמא הוא מאפיין שלבטח נתקלתם בו אבל יכול להיות שלא ממש הבנתם מה הוא בדיוק אמור לעשות?

גמא הוא מושג שקשור במקריות מפליאה בין כמה תחומים שקשורים לוידאו ולכן לעתים הוא יופיע בהקשרים שונים ומבלבלים כאן בחרתי להתעסק בהקשרו למרחב הדינמי בתמונה. משום שהראיה האנושית זקוקה לכמות אור גדולה מאוד בכדי לקבל תמונה אמינה של  יום שטוף שמש. החיישנים אינם מסוגלים לקלוט כמות אור במרחב כזה והמסכים אינם מסוגלים לפלוט כמות אור במרחב כזה אז מה עושים? בנוסף, בכדי לאחסן מספר גבוה של חשיפות יש צורך בכמות כפולה של רוחב פס עבור כל קפיצה בדרגת חשיפה אחסון המידע בצורה ישרה. ללא התחשבות בנתון הזה תחלק את הביטים בצורה שווה. להלן גרף המתאר את התחלקות רוחב הפס עבור מספר חשיפות נתון עם ובלי שימוש בנוסחת גמא.

בכדי לפתור או לפחות למזער את הבעיה הזו נשתמש בתיקון גמא. הנוסחה שממירה את עוצמת האור בצורה לוגריתמית ובכך עושה מיפוי מחדש של הגוונים בתמונה. העיקרון סביב הפתרון הזה הוא: אם העין יותר רגישה לעצמה נמוכה ופחות רגישה לעוצמה גבוהה, במקום להכפיל ולשלש את כמות האור הנפלטת מהמסך כדי להציג תמונה באיזון נכון, נוריד את כל עוצמות האור בתמונה בצורה משתנה (לוגריתמית) ובכך הרווחנו, שכן כעת העין רגישה יותר לעוצמות נמוכות ותתקבל תמונה עם מרחב יותר גבוה של גוונים.

לכידת מספר גבוה של חשיפות בעזרת נוסחת גמא מומלצת בעומק צבע גבוה של 10bit אם כי היא תהיה אפקטיבית אך פחות גם על עומק צבע נמוך מזה.

כיום ישנן שתי עקומות גמה בולטות בתעשייה האחת S-Log של Sony, בין היתר בשימוש במצלמות: F3, F65, F35  והשנייה C-Log מבית ARRI שנהוגה, בין היתר, בשימוש במצלמות: ARRI Alexa, Canon C100, C300, 1D.

לשימוש בנוסחת גמא לאחסון מרחב דינמי בצורה מיטבית יש גם חיסרון,  חומר שעבר את התהליך הזה חייב לעבור תיקון צבעים בכדי להציגו באיזון נכון. התמונה הגולמית תתאפיין בניגודיות ורוויה נמוכות אך תאפשר מנעד רחב של טונים ותיקון צבעים גמיש ונוח מאוד.

על סט הצילום לא ניתן לעשות תיקון צבעים כפי שעושים בפוסט  לשם כך ניתן להשתמש ב LUT טבלה עם הגדרות גמה המקובלות כך ניתן לבחור את הגמה איתה מצלמים והמוניטור יציג תמונה שלא תגרום לבמאי לפטר את הצלם…

גמא ב-CGI

שימוש בנוסחת גמא נפוץ גם בתעשיית ה-CGI (תמונה שיוצרה ע”י מחשב). שם הצורך גדול אף יותר. אם בצילום רגיל נשתמש לכל היותר בעומק צבע של 12bit הרי שבאפטר אפקטס ובתוכנת תלת מימד, כגון Cinema 4D או Maya אנו יכולים להשתמש בעומק צבע של 32bit כשעובדים עם רוחב פס כזה מומלץ מאוד לעבוד עם Gamma 2.2 ולשמור כמובן בפומרט תומך כמו exr או HDRI.

עשיתי ניסוי הגדרת גמא על סצנה שבניתי , להלן התוצאות:

 

 

כפי שניתן להבחין, הגדרת הגמא ל-2.2 הגדילה את המרחב הדינאמי וחשפה בפנינו שטחים שלמים שנעלמו מעינינו בתמונה העליונה.

בחלק זה למדנו מהו רחב דינמי. כיצד ניתן להגדיל אותו ואיך מאחסנים אותו בצורה אופטימלית. בחלק הבא נדון בתהליך הצבע במצלמות דיגיטליות.