Ostření a šum

Cílem této praktické části cvičení je podívat se na nástroje a techniky pro doostřování fotografií, které Photoshop nabízí. Ukážeme si, že přímé použití dostupných nástrojů nevede na optimální výsledek doostření. Je tedy třeba rozumět, jak nástroje fungují, jaké mají vlastnosti a jak je vhodně zkombinovat.  

Doostření je zvýšení kontrastu podél hran v obraze. Provádí se ztmavením tmavých tónů v okolí hrany a zesvětlením světlých tónů v okolí hrany. Doostřením vzniká halo v okolí hran.

Výchozí obraz a jeho řez podle červené linky.

Doostřený obraz a jeho řez podle červené linky.

• Ne abychom zachránili špatně zaostřenou fotografii!
• Rozostření vzniká při převodech:
  • fotonů na pixely (spojitý svět na diskrétní),
  • Bayerova vzoru (interpolace) na barevný obraz,
  • pixelů na tečky inkoustu (roztečení inkoustu, kolečka místo čtverečků).

• Doostřováním zvýrazňujeme také šum.
• Odstraněním šumu se hrany vyhladí.
• Jde tedy o dva protichůdné procesy, mezi kterými hledáme rovnováhu.

• Náhodné statistické odchylky v počtu dopadlých fotonů (viz např. What's that noise? Shedding some light on the sources of noise)
  • Počítáme fotony dopadající na senzor z různých směrů
  • Tmavé plochy = málo fotonů = větší relativní chyba v počítání = větší pozorovaný šum
  • Signal to Noise Ratio (SNR) - odstup signálu od šumu
• Elektronický šum ve vyčítacích obvodech a převodníku
  • Náhodně indukovaný nebo pevný (horké pixely, proužky)
• Interpolace kvůli Bayerovu vzoru (demosaicing)
  • Balanc mezi lokálním kontrastem („ostření“) a antialiasingem („rozmazání“)
  • Omezené možnosti kontroly ve fotoaparátu
  • Větší možnosti nabízí zpracování RAW v počítači
• JPEG komprese (8 x 8 bloky)

• Používat s mírou a jen u fotografií, které jsou masivně zašuměné.
• Vždy před ostřením!
• Víc potřeba pro větší ISO, podexponované snímky.
• Odstranění šumu v jasovém kanálu ovlivňuje ostrost výrazněji, než odstranění barevného šumu.
• Se zmenšováním obrazu klesá nutnost odstraňovat šum a doostřovat (opak platí pro zvětšení).

Při doostřování bereme v potaz zdroj obrazu, obsah obrazu a použití obrazu.

Možné zdroje obrazu: digitální fotoaparát, filmový scanner, …

Různé vstupní zařízení mají různé typy šumu:

• filmový scan – problém zrna,
• Digitální fotoaparát – barevný šum,
• JPEG – artefakty,
• atd, …

Důležité je vzít v potaz také:

• ISO citlivost,
• rozlišení fotoaparátu (u čipu i u filmu),
• jak je snímek exponován,
• zda budeme snímek zvětšovat.

Různý obsah obrazu: portrét, krajina, …

• Doostřujeme tak, abychom zachovali jistou úroveň detailu.
• Hodně malých detailů (krajina) – vice globálního ostření, menší poloměr.
• Portrét – méně ostření, spíše lokální (oči, vlasy), zbytek obrazu méně a s větším poloměrem.

Je třeba vzít v potaz:

• výstupní rozlišení
• technologie tisku
  • monitor (web),
  • inkoustový tisk,
  • ofsetový tisk,
  • osvit na fotopapír,
  • atd, …

Pro dané zařízení víceméně deterministický proces.

• Různá výstupní zařízení (halftone, inkjet, continuous, LCD, CRT).
• Výstupní rozlišení.
• Pozorovací vzdálenost.
• Rozlišovací schopnost oka.

Stáhněte si následující doostřování obrazec, na kterém budeme zkoumat vlastnosti doostřovacích nástrojů Photoshopu.

obr. 1

Photoshop nabízí několik doostřovacích nástrojů: Sharpen, Sharpen More, Sharpen Edges, Unsharp Mask a Smart Sharpen. Všechny najdete v menu Filter → Sharpen.

V naší analýze se zaměříme na nástroj Unsharp Mask, jehož princip spočívá v odečtení rozostřené verze obrázku od sebe sama (odtud i název).

Nastavuje sílu doostřovacího haló efektu. Čím nastavíme vyšší hodnotu Amount, tím menší rozdíl intenzit v obraze je potřeba k tomu, aby intenzita haló efektu byla nastavena na maximum (úplně bílá vs. úplně černá).

	Amount = 100
	Amount = 300
	Amount = 500

Tip: Šířka je ve skutečnosti směrodatná odchylka normálního rozdělení, které je použito pro definici okolí pixelu použitého při ostření.

Určuje šířku haló efektu. Všimněte si, že šířka efektu závisí také na kontrastu hrany, která je doostřována. To není úplně to, co bychom chtěli.

Pokud doostřujeme, v závislosti na obsahu snímku použijeme menší hodnotu pro obrázky s množstvím malých detailů, na portrét použijeme naopak spíše větší hodnotu. Při doostřování tedy hledáme poloměr, který je vhodný pro daný obrázek.

	Radius = 0.4
	Radius = 1
	Radius = 5

Říká, jak velký musí být kontrast hrany, aby byla doostřena. Všimněte si na následujícím obrázku, jak se zvětšuje nedoostřená oblast směrem doleva.

	Threshold = 0
	Threshold = 10
	Threshold = 30

Toto nastavení použijeme například pro objekty s jemnou texturou (kůže), kterou chceme uchránit od doostření. Nicméně stupeň ochrany je spíš malý a pro větší hodnoty vytváří nepřirozené přechody mezi doostřenými a nedoostřenými oblastmi.

• Různé kombinace nastavení poloměru a množství doostření vedou na podobné výsledky
• Příliš velký poloměr vede na méně ostré malé detaily
• Lepší tedy napřed nastavit poloměr a pak až hýbat dalšími parametry
• Pokud se tento rozdíl neprojeví hned, tak při druhém doostřovacím průchodu (pro výstup) ano

• Doostřuje větší měrou více kontrastní hrany. Tedy pravý opak toho, co bychom chtěli!
• Ochrana jemných textur, kterou umožňuje nastavení prahu není příliš efektivní

Abychom mohli pracovat s doostřováním o něco flexibilněji, použijeme vrstvy. Zároveň nám to umožní dělat nedestruktivní zásahy do obrazu. Navíc budeme moci použít masky pro aplikaci ostření jen na část obrazu.

Pro demonstraci principů práce s vrstvami budeme používat následující obrázek (stáhněte si ho).

obr. 2

1. Vytvořte novou vrstvu jako kopii vrstvy pozadí (pravý klik na vrstvu, Duplicate layer)
2. Snižte neprůhlednost vrstvy na cca 66%. Umožní nám to po aplikaci doostření nejen ubírat, ale i přidávat na síle doostření snižováním nebo přidáváním neprůhlednosti.
3. Nastavte si mísení (blending) vrstev na 'Luminosity'. Zabráníme tak nechtěným posunům barevných odstínů.
4. Vytvoření hranové masky
   • Vyberte barevný kanál, ve kterém jsou hrany, které nás zajímají dobře viditelné. Můžete použít funkci pro míchání kanálů Image → Calculations. Dobře funguje smíchání červeného a zeleného kanálu metodou Pin Light (modrý kanál většinou není moc vhodný, protože bývá nejvíc zašuměný).
   • Aplikujte na tento kanál detekci hran (Filter → Stylize → Find Edges)
   • Místa určená k doostření budeme potřebovat světlá, ostatní tmavá. Invertujte intenzity pixelů masky (Ctrl-I).
   • Vyhlaďte masku pomocí Filter → Blur → Gaussian Blur. Šířku gaussiánu volte tak, abyste zachovali hrany, které chcete doostřit. Toto rozostření také zajistí, aby přechod mezi ostrou a neostrou částí obrazu byl plynulejší.
   • Zvyšte kontrast masky (viz cvičení na křivky). Ovlivníte tím sílu doostření pro různě výrazné hrany a uchráníte před doostřením jemnou texturu. Platí, že čím světlejší je pixel v masce, tím silněji na něj bude aplikováno doostření.
   • Převeďte hranovou masku na masku ostřicí vrstvy vytvořené v kroku 1: Ctrl-klik na kanál s hranovou maskou; u ostřicí vrstvy Add layer mask (ikonka s kolečkem dole v panelu s vrstvami). Tip: Pro náhled výsledku doostření používejte zvětšení 200%, 400%, … abyste minimalizovali efekty interpolace při vykreslování.
5. Nyní můžete aplikovat doostření pomocí Unsharp Mask na vrstvu s maskou. Jelikož ostření bude aplikováno pouze na hrany, můžeme aplikovat v případě potřeby silnější doostření, aniž bychom poškodili zbytek obrazu.

Další tipy: Může být výhodné kopii vrstvy rozmazat pomocí Gaussian Blur. Šířku doostřovacích haló efektů ovlivňujete (do jisté míry) pomocí rozmazání gaussiánem. Přechod mezi ostrými a neostrými hranami kontrolujete pomocí nastavení kontrastu.

Obzvláště v prvních dvou doostřovacích průchodech (zdroj a obsah obrazu) chceme chránit extrémní stíny a jasy před nežádoucím přeostřením. K tomu použijeme Blend If nástroj (Dvojitý klik na thumbnail ve vrstvě). Ten umožňujě omezit prolínání vrstev (v našem případě tedy aplikaci ostření) jen na určitý rozsah intenzit.

Následující obrázek ukazuje příklad toho, jak nastavit Blend If, aby ostření proběhlo jen ve středních tónech. Šoupátka rozdělíte tak, že držíte klávesu Alt. Tip: V preview Blend If můžete dobře sledovat efekt vašeho nastavení např. na obrázek 1.

• Horní nastavení určuje rozsahy intenzit pro vrstvu, kterou chceme prolínat (v našem případě doostřovací vrstva) a dolní určuje rozsahy intenzit vrstvy, do které prolínáme.
• Prolínání vrstev nastane v rozmezí vnějšího černého šoupátka a vnějšího bílého šoupátka.
• Vnější šoupátka určují, kde prolínání začne, vnitřní určují, kde dosáhne 100% efektu.
• Tím získáváme plynulejší přechod mezi pixely, na které je doostřování aplikováno a pixely, na které aplikováno není.

Tip: Celý postup se přímo nabízí, aby byl automatizován pomocí Actions.

• Ovlivňovat globálně sílu ostření můžeme pomocí nastavení neprůhlednosti doostřovací vrstvy
• Sílu ostření na hranách můžeme ovlivnit zvýšením/snížením intenzity hranové masky (jsou na to vhodné Levels)
• Přechod mezi ostrými a neostrými částmi ovlivníme pomocí kontrastu masky
• Šířku haló efektů ovlivníme šírkou gaussiánu, kterým rozostřujeme hranovou masku
• Blend If nástroj nám umožňuje ovlivnit, na které tóny bude ostření aplikováno

Jiný způsob doostření využívá High Pass filter, který hledá v obraze vysoké frekvence. Použijeme ho opět pro vytvoření masky. Výsledkem tohoto doostřovacího postupu bude lokální zvýšení kontrastu bez vytvoření (či zvětšení) nežádoucích haló efektů. Tento postup má široké uplatnění, nicméně v našem víceprůchodovém doostřování bychom ho použili nejlépe pro doostření před samotným vytištěním.

Postup budeme demonstrovat na tomto obrázku (stáhněte si ho)

obr. 3

1. Vytvořte novou vrstvu jako kopii vrstvy pozadí (pravý klik na vrstvu, Duplicate layer)
2. Snížte neprůhlednost vrstvy na cca 66%. Umožní nám to po aplikaci doostření nejen ubírat, ale i přidávat na síle doostření snižováním nebo přidáváním neprůhlednosti. Tip: 50% šedá v masce pro Overlay mísení znamená “zde neaplikuj”.
3. Nastavte si mísení (blending) vrstev na 'Overlay'. Tento mód funguje víceméně tak, že zvyšuje kontrast.
4. Aplikujte na novou vrstvu High Pass filtr (Filter → Other → High Pass). Poloměr volte mezi 0.8 až 3 pixely.
5. Opět můžete vyzkoušet omezit efekt doostření jen na střední tóny pomocí Blend If.

(one-pass sharpening)

• vychází z optického ostření před-digitální éry,
• funguje globálně,
• snaží se v jednom kroku optimalizovat potřeby ostření pro daný zdroj, obsah i použití obrazu.

(multi-pass sharpening) bere v potaz zdroj, obsah i použití obrazu

• Cílem je připravit obraz pro další doostřovací kroky.
• Výsledkem je jen velmi jemné doostření (vyrovnáváme měkkost fotografie, rozdíl mezi šumem a hranami).
• Až po všech tonálních úpravách.
• Poloměr doostření nastaven na nejmenší detail.
• Aplikováno jen na intenzitu (kvůli barevným posunům).
• Doostření jen ve středních tónech (25-200).

• Hranová maska izoluje doostření jen na hrany.
• Umožňuje kontrolu šířky haló efektu.
• Rozhodujeme se, jestli zvýrazníme nízké, střední nebo vysoké frekvence.
• Poloměr doostření nastaven podle obsahu.
• Aplikováno jen na intenzitu.
• Zaměřeno na střední tóny (25-200).
• Výsledkem je use-neutral (univerzálně použitelný) obraz, který může být automaticky doostřen pro různé výstupy.

• Kompenzujeme rozostření při zmenšení na požadovanou velikost a rozostření výstupního zařízení.
• Aplikováno globálně (bez masky), v celém tónovém rozsahu.
• Předchozí doostřovací fáze umožňují vzít jeden obrázek a použít ho pro různá výstupní rozlišení.
• Velikost pixelů (rozlišení) na výstupu definuje velikost přijatelných haló efektů (můžou být vidět na monitoru, ale nejsou vidět na výtisku).
• Při velkém zvětšení na monitoru budou správně zaostřené obrázky typicky vypadat přeostřeně.

Na závěr zmíníme několik rad z knihy [1]:

• Doostřování typicky vyžaduje 2-3 průchody:
  • Doostření respektující zdroj (demosaicing, antialiasing ve fotoaparátu) a obsah obrazu (úroveň detailů)
  • Lokální a kreativní doostření (oči, zajímavá textura, potenciálně i rozostřování, …)
  • Doostření po zmenšení na výstupní velikost, které respektuje vlastnosti výstupního zařízení (př. LCD vs. minilab)
• Jediný způsob, jak zjistíte, jestli jste dobře doostřili je, že ho zkontrolujete na daném výstupním zařízení (výtisk, či LCD pro web). Zkoumat pixely na obrazovce při 400% zvětšení je ošidné.
• Abychom nemuseli každý obrázek zpracovávat individuálně, je dobré si najít vyhovující nastavení pro tři kategorie obrázků (obrázky obsahující převážně vysoké, nízké, či oboje frekvence) a proces co nejvíce zautomatizovat.
• Doostřovat až jako poslední krok před vytištěnýma jen jednou během celého procesu zpracování fotografie!
• Pozor na ostření ve fotoaparátu či při převodu z RAW.

CameraRaw a Photoshop Lightroom umožňují vysoce kvalitní vstupní ostření (zdroj obrazu) pokročilým algoritmem, který se podobá výše popsanému postupu s hranovou maskou. Komplikovaný postup je však schován pod kapotou a uživatel ho jednoduše kontroluje pomocí čtyř resp. pěti táhel (Luminance je vlastně pátým ostřicím táhlem, protože šumový filtr má na ostrost také vliv).

Photoshop Lightroom navíc poskytuje výstupní ostření ve svém tiskovém modulu a modulu pro export. Umožňuje tak jednoduše do produkčního procesu začlenit víceprůchodou ostřicí strategii s minimální víceprací.

Funkci doostřování v pluginu CameraRaw si ukážeme na výřezu z fotografie krajiny:

Celá fotografie je ke stažení ve formátu DNG zde (v panelu Snapshots si můžete přepínat mezi různýma variantama doostření). Otevřete si ho v CamerRaw a vyzkoušejte si jednotlivé parametry ostřicího algoritmu sami. Najdete je v záložce panelu Detail.

1. Ostříme tak akorát, tj. obraz by měl pokud možno ostrý, ale halo by ještě nemělo být patrné. Pokud bychom to přehnali můžeme ztratit některé detaily a výstupní ostření by pak tento efekt ještě zesílilo.
2. Přidržením klávesy Alt během tahání za šoupátka v panelu Detail se nám zobrazí černobílá vizualizace efektu šoupátka. Dokud se nenaučíte dobře odhadovat efekt jednotlivých šoupátek na různé typy snímků, je vhodné tento náhled používat.
3. Táhla jsou v panelu seřazena v pořadí v jakém by je měl uživatel postupně upravit. Někdy ale třeba postup opakovat a projít jednotlivá nastavení vícekrát, protože se jejich efekty vzájemně ovlivňují. To platí obzvláště pokud zároveň chceme odstranit v obraze šum.

Kontroluje sílu efektu, typicky budeme chtít tuto hodnotu mírně zvyšovat, základní hodnota 25 je velmi konzervativní (s ohledem na kompatibilitu s předchozími verzemi CameraRaw).

Toto táhlo má vliv na dvě věci současně. Směrem doprava vypíná potlačení haló efektu a zvyšuje zdůraznění vysokofrekvenčních detailů. Směrem doleva zesiluje potlačení halo efektu a současně snižuje zdůraznění vysokofrekvenčních detailů (a šumu).

S ohledem na zpětnou kompatibilitu se staršími verzemi CameraRaw je základní hodnota 25 nicméně autoři softwaru doporučují jako základní hodnotu použít 50 (tu lze samozřejmě podle potřeb konkrétní fotografie kdykoliv změnit).

Generuje hranovou masku. Základní hodnota je 0 (žádná maska). To však neznamená, že by se táhlo mělo používat jen ve speciálních případech, hranovou masku bychom měli použít vždy, ale jednotlivé fotografie mohou být natolik odlišné, že nemá smysl hledat nějakou univerzální hodnotu, která by vyhověla většině fotografií.

Následující snímek ukazuje výřez z optimálně doostřeného snímku po upravení všech čtyř parametrů. Optimalita je zde velmi subjektivní a řídí se vkusem autora.

Panel Detail v CameraRaw/Photoshop Lightroom umožnuje také kontrolu redukce šumu.

• Luminance kontroluje šum v jasovém kanálu. Základní hodnota 0 znamená, že je redukce jasového šumu vypnutá. Se zvyšující se hodnotou roste potlačení šumu, ale může klesat ostrost obrazu.
• Detail ochrana jemných detailů v obraze, s rostoucí hodnou roste ochrana detailů (posouvá se hranice toho co může být považováno za šum a co je ještě detail obrazu), ale snižuje se účinek odšumění (je těžké rozlišit, co je jemný detail a co je šum). Efekt je patrný hlavně na silně zašuměných obrazech focených na vysoké ISO.
• Contrast tažením doprava pomáhá zachovat kontrast a texturu, ale může způsobit, že v obraze zbudou zašuměné fleky a shluky. Poloha vlevo má naopak za výsledek hladký obraz, ale jemný lokální kontrast a textura se mohou vytratit.
• Color nastavuje míru potlačení barevného šumu. Základní hodnota 25 je velmi vhodný kompromis mezi potlačením šumu a zachováním detailu na barevných hranách. Ve většině případů není nutné tuto hodnotu vůbec měnit.
• Color Detail směrem doprava pomáhá zachovat jemné detaily na barevných hranách, ale může vést ke tomu, že v obraze zůstanou zašuměné fleky a shluky. Vhodné pro vysoce zašuměné fotografie pořízené s vysokou hodnotou.

Následuje ukázka velmi zašuměné fotografie, která byla doostřena, ale nebyla na ní aplikovaná redukce jasového šumu. Je vidět, že doostření vedlo také k výraznému zesílení šumu. Celou fotografii si můžete stáhnout ve formátu DNG zde (v panelu Snapshots si můžete přepínat mezi různými variantami odšumění). Otevřete si ho v CamerRaw a vyzkoušejte si jednotlivé parametry odšumovacího algoritmu sami. Najdete je v záložce panelu Detail.

Ukázka optimálně doostřené a odšuměné fotografie. Oproti původní verzi se základními parametry panelu Detail (myš venku z obrázku) je vidět, že ostrost vzrostla a zároveň mírně poklesl šum. Pokud bychom chtěli šum více potlačit, museli bychom již obětovat určitou úroveň detailů v obraze (vyzkoušejte sami!).

Obecná doporučení:

• Experimentujte hlavně s různými nastavení doostření pro výstup.
• Pokuste se vytvořit plynulý přechod od nedoostřené fotky až po přeostřenou.
• Nezapomeňte si napsat postup a nastavení pro každou z variant.
• První doostřovací průchod proveďte v plném rozlišení.
• Doostření pro výstup aplikujte po zmenšení obrázku na požadovanou velikost (viz požadované velikosti fotek v pixelech na stránkách minilabu).
• Pro porovnání si vyberte jen část původní fotky a do výsledné “fotografie” tento výběr vyskládejte vícekrát s různým doostřením (nebudete muset tisknout každou variantu zvlášť a ušetříte).
• Nezapomeňte, že doostření může vypadat opravdu ošklivě na monitoru, ale na papíře bude přijatelné.
• Nastavení i postup doostření se bude lišit pro fotografie různých typů (hodně, středně či málo vysokých frekvencí). I zde můžete experimentovat.
• Experimentujte!

1. Bruce Fraser. Real world image sharpening with Adobe Photoshop CS2
2. Out of Gamut: (Almost) Everything You Wanted to Know about Sharpening in Photoshop but Were Afraid to Ask
3. Out of Gamut: A Two-Pass Approach to Sharpening in Photoshop
4. Smart Sharpen filter tutorial 1
5. Smart Sharpen filter tutorial 2
6. Noise, Dynamic Range and Bit Depth in Digital SLRs
7. What's that noise? Shedding some light on the sources of noise - šum a jeho zdroje
8. Advanced post processing tips: Three step sharpening

Udržuje R.Tyleček. Předchozí verze.