Разрядность

Разрядность или глубина цвета цифрового изображения – это число двоичных разрядов (бит), используемых для кодирования цвета единичного пикселя.

Следует различать термины бит на канал (bpc – bits per channel) и бит на пиксель (bpp – bits per pixel). Разрядность по каждому из индивидуальных цветовых каналов измеряется в битах на канал, сумма же разрядов всех каналов выражается в битах на пиксель. Например, изображение в палитре Truecolor имеет разрядность 8 бит на канал, что эквивалентно 24 битам на пиксель, т.к. цвет каждого пикселя описывается тремя цветовыми каналами: красным, зелёным и синим (модель RGB).

Для изображения, закодированного в RAW-файле, число бит на канал совпадает с числом бит на пиксель, поскольку до интерполяции каждый пиксель, полученный с помощью матрицы с массивом цветных фильтров Байера, содержит информацию лишь об одном из трёх первичных цветов.

В цифровой фотографии принято описывать разрядность преимущественно с помощью бит на канал, и потому, говоря о разрядности, я буду подразумевать исключительно биты на канал, если прямо не указано иное.

Разрядность определяет максимальное количество оттенков, которые могут присутствовать в цветовой палитре данного изображения. Например, 8-битное чёрно-белое изображение может содержать до 2⁸ = 256 градаций серого цвета. Цветное же 8-битное изображение может содержать по 256 градаций для каждого из трёх каналов (RGB), т.е. всего 2^8x3 = 16777216 уникальных комбинаций или цветовых оттенков.

Высокая разрядность особенно важна для корректного отображения плавных тональных или цветовых переходов. Любой градиент в цифровом изображении не является непрерывным изменением тона, а представляет собой ступенчатую последовательность дискретных значений цвета. Большое количество градаций создаёт иллюзию плавного перехода. Если же полутонов слишком мало, ступенчатость видна невооружённым глазом и изображение теряет реалистичность. Эффект возникновения визуально различимых скачков цвета в областях изображения, исходно содержащих плавные градиенты, называется постеризацией (от англ. poster – плакат), поскольку фотография, в которой недостаёт полутонов, становится похожей на плакат, отпечатанный с использованием ограниченного числа красок.

Разрядность в реальной жизни

Чтобы проиллюстрировать изложенный выше материал, я возьму один из своих карпатских пейзажей и покажу вам, как бы он выглядел при различной разрядности. Чёрно-белая фотография выбрана для простоты и наглядности – чтобы не путаться в трёх каналах. Помните, что увеличение разрядности на 1 бит означает удвоение количества оттенков в палитре изображения.

1 бит позволяет закодировать всего два цвета. В нашем случае это чёрный и белый.

С появлением полутонов изображение перестаёт быть просто набором силуэтов, но всё равно смотрится довольно абстрактно.

Уже различимы детали переднего плана. Полосатое небо – яркий пример постеризации.

Начинают проявляться детали на склонах гор. На переднем плане постеризация уже почти незаметна, но небо остаётся полосатым.

Очевидно, что области с низким контрастом, отображение которых требует большого количества близких полутонов, больше всего страдают от низкой разрядности.

Горы уже почти в порядке, а вот небо по-прежнему выглядит немного ступенчато, особенно ближе к углам кадра.

Мне не к чему придраться – все градиенты выглядят плавными.

И вот перед вами исходная 8-битная фотография. 8 бит вполне достаточно для реалистичной передачи любых тональных переходов. На большинстве мониторов вы не заметите разницы между 7 и 8 битами, так что даже 8 бит могут показаться излишними. Но всё же стандартом для высококачественных цифровых изображений являются именно 8 бит на канал, чтобы с гарантированным запасом перекрыть способность человеческого глаза различать градации цвета.

Но если 8 бит хватает для реалистичной цветопередачи, то для чего же может понадобиться разрядность больше 8? И откуда весь этот шум о необходимости сохранять фотографии с разрядностью в 16 бит? Дело в том, что 8 бит достаточно для хранения и отображения фотографии, но не для её обработки.

При редактировании цифрового изображения тональные диапазоны могут как сжиматься, так и растягиваться, в результате чего часть значений постоянно отбрасывается или округляется, и в конечном итоге количество полутонов может упасть ниже того уровня, который необходим для плавной передачи тональных переходов. Визуально это проявляется в возникновении всё той же постеризации и прочих режущих глаз артефактов. Например, осветление теней на две ступени приводит к растягиванию диапазона яркостей в четыре раза, а значит, отредактированные участки 8-битной фотографии будут выглядеть так, как если бы они были взяты из 6-битного изображения, где ступенчатость очень даже заметна. Теперь представьте, что мы работаем с 16-битным изображением. 16 бит на канал означают 2¹⁶ = 65535 цветовых градаций. Т.е. мы можем свободно выбросить большую часть полутонов и всё равно получить тональные переходы теоретически более плавные, чем в исходном 8-битном изображении. Информация, содержащаяся в 16 битах избыточна, но именно эта избыточность позволяет осуществлять самые смелые манипуляции с фотографией без видимых последствий для качества изображения.

12 или 14? 8 или 16?

Обычно фотограф сталкивается с необходимостью принимать решение о разрядности фотографии в трёх случаях: при выборе разрядности RAW-файла в настройках камеры (12 или 14 бит); при конвертации RAW-файла в TIFF или PSD для последующей обработки (8 или 16 бит) и при сохранении готовой фотографии для архива (8 или 16 бит).

Съёмка в RAW

Если ваша камера позволяет выбирать разрядность RAW-файла, то я однозначно рекомендую вам предпочесть максимальное значение. Обычно выбирать приходится между 12 и 14 битами. Дополнительные два бита лишь незначительно увеличат размер ваших файлов, но зато вы получите бо́льшую свободу при их редактировании. 12 бит позволяют закодировать 4096 уровней яркости, в то время как 14 бит – 16384 уровня, т.е. в четыре раза больше. Ввиду того, что самые важные и интенсивные преобразования снимка я провожу именно на стадии обработки в RAW-конвертере, мне бы не хотелось жертвовать ни единым битом информации на этом критическом для будущей фотографии этапе.

Конвертация в TIFF

Самый спорный этап – это момент конвертации отредактированного RAW-файла в 8- или 16-битный TIFF для дальнейшей обработки в Фотошопе. Весьма и весьма многие фотографы посоветуют вам конвертировать исключительно в 16-битный TIFF, и они будут правы, но только при условии, что вы собираетесь проводить в Фотошопе глубокую и всестороннюю обработку. Часто ли вы этим занимаетесь? Лично я – нет. Все фундаментальные преобразования я осуществляю в RAW-конвертере с 14-битным неинтерполированным файлом, а Фотошоп использую только для шлифовки деталей. Для таких мелочей, как точечная ретушь, избирательное осветление и затемнение, изменение размеров и повышение резкости обычно достаточно и 8 бит. Если я увижу, что фотография нуждается в агрессивной обработке (речь не идёт о коллажах и HDR), это будет означать, что я допустил серьёзную ошибку на стадии редактирования RAW-файла, и самым разумным решением будет вернуться и исправить её, вместо того, чтобы насиловать ни в чём не повинный TIFF. Если же фотография содержит какой-нибудь деликатный градиент, который я всё-таки захочу поправить в Фотошопе, то я без труда перейду в 16-битный режим, проведу там все необходимые манипуляции, после чего вернусь к 8 битам. Качество изображения при этом не пострадает. Чуть позже я докажу это на практическом примере.

Хранение

Для хранения уже обработанных фотографий я предпочитаю использовать либо 8-битный TIFF, либо JPEG, сохранённый в максимальном качестве. Мною движет стремление к экономии дискового пространства. 8-битный TIFF занимает вдвое меньше места, чем 16-битный, а JPEG, который в принципе может быть только 8-битным, даже в максимальном качестве примерно вдвое меньше 8-битного TIFF. Разница в том, что JPEG сжимает изображение с потерями данных, а TIFF поддерживает сжатие без потерь по алгоритму LZW. Мне не нужны 16 бит в финальном изображении, поскольку я не собираюсь его больше редактировать, иначе оно попросту не было бы финальным. Какую-то мелочь можно без труда поправить и в 8-битном файле (даже если это JPEG), но если мне приспичит провести глобальную цветокоррекцию или изменение контраста, то я скорее обращусь к исходному RAW-файлу, чем буду мучить уже сконвертированную фотографию, которая даже в 16-битном варианте не содержит всей необходимой для подобных преобразований информации.

Практика

Чтобы мои утверждения не показались вам голословными, проведём пару несложных экспериментов, а вы уж сами решите: нужны ли вам 16 бит или достаточно 8.

Эта фотография сделана в лиственничной роще неподалёку от моего дома и сконвертированна с помощью Adobe Camera Raw. Открыв RAW-файл в ACR, я введу поправку экспозиции –4 EV, тем самым сымитировав недодержку в 4 ступени. Разумеется, никто в здравом уме не допускает подобных ошибок при редактировании RAW-файлов, но нам необходимо с помощью единственной переменной добиться идеально бездарной конвертации, которую мы затем попробуем исправить в Фотошопе. Изрядно потемневшее изображение я дважды сохраняю в формате TIFF: один файл с разрядностью 16 бит на канал, другой – 8.

На данном этапе оба изображения выглядят одинаково чёрными и ничем не отличаются друг от друга, в связи с чем я демонстрирую только одно из них.

Разница между 8 и 16 битами станет заметной только после того, как мы попытаемся осветлить фотографии, растягивая при этом диапазон яркостей. Для этого я воспользуюсь уровнями (Ctrl/Cmd+L).

На гистограмме видно, что все тона изображения сконцентрированы в узком пике, прижавшемся к левому краю окна. Чтобы осветлить изображение, необходимо отсечь пустующую правую часть гистограммы, т.е. изменить значение точки белого цвета. Взявшись за правый ползунок входных уровней (точку белого), я подтягиваю его вплотную к правому краю сплющенной гистограммы, тем самым давая команду распределить все градации яркости между нетронутой точкой чёрного и заново обозначенной (15 вместо 255) точкой белого. Проделав эту операцию на обоих файлах, сравним результаты.

Даже в таком масштабе 8-битная фотография выглядит более зернистой. Увеличим до 100 %.

16-битное изображение неотличимо от оригинала, в то время как 8-битное сильно деградировало. Если бы мы имели дело с настоящей недодержкой, ситуация была бы ещё печальнее.

Очевидно, что столь интенсивные преобразования, как осветление фотографии на 4 ступени (если оно почему-то не было сделано в RAW-конвертере), действительно лучше проводить на 16-битном файле. Практическая же значимость этого тезиса зависит от ответа на вопрос, как часто вам приходится исправлять подобный брак? Если часто, то вероятно вы что-то делаете не так.

Теперь представим, что я по своему обычаю сохранил фотографию как 8-битный TIFF, но потом внезапно решил внести в неё какие-то радикальные изменения, а все резервные копии моих RAW-файлов были похищены пришельцами.

Чтобы симулировать разрушительное, но потенциально обратимое редактирование, вновь обратимся к уровням.

В ячейки выходных уровней (Output Levels) я ввожу 120 и 135. Теперь вместо доступных 256 градаций яркости (от 0 до 255) полезная информация будет занимать только 16 градаций (от 120 до 135).

Фотография предсказуемо посерела. Изображение на месте, просто контраст уменьшился в 16 раз. Попробуем исправить содеянное, для чего снова применим к многострадальной фотографии уровни, но уже с новыми параметрами.

Теперь я изменил входные уровни (Input Levels) на 120 и 135, т.е. придвинул точки чёрного и белого цвета к краям гистограммы, чтобы растянуть её на весь диапазон яркостей.

Контраст реанимирован, но постеризация заметна даже в мелком масштабе. Увеличим до 100 %.

Фотография безнадёжно испорчена. Оставшихся после безумного редактирования 16 полутонов явно недостаточно для хоть сколько-нибудь реалистичной сцены. Не означает ли это, что от 8 бит действительно нет никакого толку? Не торопитесь делать поспешные выводы – решающий эксперимент ещё впереди.

Вернёмся-ка снова к нетронутому 8-битному файлу и переведём его в 16-битный режим (Image > Mode > 16 Bits/Channel), после чего повторим всю процедуру надругательства над фотографией, согласно описанному выше протоколу. После того, как контраст был варварски уничтожен, а затем вновь восстановлен, переведём изображение обратно в 8-битный режим.

Неужели всё в порядке? А если увеличить?

Безупречно. Никакой постеризации. Все операции с уровнями проходили в 16-битном режиме, а значит даже после уменьшения диапазона яркостей в 16 раз, у нас осталось 4096 градаций яркости, которых с лихвой хватило для восстановления фотографии.

Иными словами, если вам предстоит ответственное редактирование 8-битной фотографии – превратите её в 16-битную и работайте, как ни в чём не бывало. Если даже настолько абсурдные манипуляции можно проводить с изображением не опасаясь за последствия для его качества, то уж тем более оно спокойно переживёт ту умеренную и целесообразную обработку, которой вы действительно можете его подвергнуть.

Благодарю за внимание.

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью (хотя и с меньшим удовольствием).

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы в некоммерческих целях при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Вернуться к разделу "Матчасть"