影像階調的調整 (1)

天文攝影的影像處理最重要的工作是要得到富於色彩與明暗層次的影像, 這是基本中的基本, 就好比義大利麵的麵條如果不能煮得富有嚼勁而達到"彈牙"的境界, 那配料再花俏也是枉然.

下方的影像是剛從掃瞄器取得的檔案, 不論是什麼原因讓它有嚴重色偏且看起來灰暗無力, 我們要設法改變它.

1. 亮度分布圖的認識

拿到一幅影像, 第一件要做的事就是使用Image--Adjust--Levels功能, 讓影像的亮度分布儘可能佔滿整個數位檔所能提供的動態範圍. Levels視窗長得如下圖左, 視窗上方有個Channel選單, 讓我們選擇要處理R或G或B色頻, 或三者一起處理. 此處我們要對三色做各別處理, 以R為例, 利用Channel選單選擇R色頻, 我們在視窗中央看到的會如下圖右.

我們先認識一下上圖右的意義, 這個圖代表的是畫面中的像元亮度分布統計, 橫軸是亮度, 縱軸是具有該亮度的像元總數. 圖中有幾個基本特徵, 我們可以將之分成以下數區來看:

1. 相當多的像元 (可能在2/3以上) 的亮度分布集中在某個中低亮度區, 顯然地, 它們是影像中顏色較深的天空背景, 它們佔據影像中絕大部份的面積, 這是天文攝影照片的基本特徵. 我們要知道的是, 雖然理想中的天空背景應該具有均一的亮度, 但因為光學系統的週邊減光, 或極暗淡的雲氣, 或雜訊, 不同地區的背景的亮度是有明暗之別的. 這是為什麼代表背景的高峰在圖中有一定的寬度, 而非一極窄的高峰 (代表背景只有一種亮度而已).

2. 比背景亮的, 有少量像元分布在中低亮度區到中高亮度區這個區間, 它們應該就是畫面中的紅色雲氣. 因為畫面中並沒有綠色的雲氣, 如果你開啟G channel的亮度分布, 你並不會看到雲氣的這個成份.

3. 高亮度區有少部份的像元分布, 直到接近飽和亮度, 它們來自星點. 在中高亮度區有個小高峰, 這應該也是來自一些特定亮度的星點, 這樣的一個小高峰在別的影像中通常不會出現.

4. 比背景還暗的部份, 我們發現有非常少量的像元分布往暗區延伸, 因為一張天文照片中, 最暗的就該只是背景而已, 所以這些明顯比背景還暗的像元, 很可能就只是底片上或掃瞄器或數位相機的雜訊.

5. 最後, 在影像的最暗區, 以及極亮區, 我們發現有區域並沒有像元分布, 尤其是暗區.

在整個數位檔所允許的亮度範圍 (此稱動態範圍, 從0到255, 如果是16 bit影像, 則為0到65535, 雖然Photoshop仍會顯示為0到255), 這幅影像 (R channel) 的像元亮度只佔了中間的約85%, 扣掉雜訊段以及最亮的星點段, 絕大部份的像元, 包括背景及雲氣, 其實只佔了動態範圍的約60%而已, 這是造成影像看起來灰暗無力的主因.

2. 動態範圍粗調

要改變影像的灰暗無力, 我們要讓影像主體 (背景, 雲氣, 以及大部份的星點) 的亮度分布佔滿整個動態範圍, 方法就是移動分布圖下方的三個小三角型, 目前我們只使用外側的兩個, 中間那個暫時不管它.

在上圖右中, 我把左側的三角型移到比背景的分布谷底略暗處 (譬如40), 這表示, 具有亮度40的像元, 在新影像中會有亮度0, 而比40更暗的像元, 也都通通變成0. 右側的三角型被我移到星點與雲氣分布的右端谷底, 約亮度210處. 這表示亮度210及210以上的像元, 在新影像中皆會有255的亮度. 而原影像中亮度介於40與210之間的像元, 則被放大成亮度成介於0與255之間, 如下圖所示. 在技術上, 我們稱此為階調擴張.

將R, G, B三channel都依其像元分布亮度做如上調整後, 得到的影像如下圖左. 這裡要強調一點, 原影像中所有亮度落於左方三角形的像元, 在新影像中的亮度都會是0, 換句話說, 它們原先載有的亮度資訊都將會失去. 因此, 我們決不能將這三角型移到影像主體的亮度範圍內, 包括背景. 一幅有質感的天文影像, 其背景不該是一片死黑, 其中仍該有許多微妙的亮度變化, 包括來自暗淡天體與雜訊的貢獻. 如果我們此處失去了這些資訊, 就不可能透過後續的處理將這些暗淡天體提取出來, 後果就是一幅暗部階調強烈不連續的影像. 這是為什麼在此例中, 我讓左側三角形離背景分布的谷底尚有一段距離. 同樣的狀況亦適用於高亮度區.

3. 動態範圍細調

經過以上Levels調整的影像, 其亮度與整體反差看來已大有改善, 但畫面的顏色仍嚴重偏紫. 上圖右是上圖左在R, G, B的階調分布, 我們可以看出, R, G, B三色中代表背景的三個峰並不彼此重疊, 這是畫面偏紫的主因. 要改善這點, 我們要繼續使用Levels功能做微調, 讓R, G, B三色的背景亮度分布儘量重疊.

譬如, 以上圖右的B來說, 相對於R與G而言, 其背景的峰位置偏右, 寬度亦較寬. 位置偏右這一點, 將分布圖下方任一三角形往右移都可以修正, 只是移不同的三角形的效果會略微不同, 這有待各位去細細體會. 其中, 乍看之下, 最右方的三角型已無法再右移, 其實是可以的. 我們看到, Levels視窗下方有道灰階, 將其中右方的三角形左移, 效果等同於將色調分布圖下右方的三角形右移. (何以如此? 請閱讀PhotoShop使用手冊.) 以上是針對將背景峰的位置向左修正而言, 若要修正背景峰過寬的問題, 此處有兩個選擇, 一是將代表中間調的小三角形右移, 這會壓縮背景區的階調但擴張高亮度區的階調, 另一做法是將Levels視窗下方灰階的兩個三角形皆內移, 這會壓縮整個畫面的階調.

這樣的細微修正可以在不同的channel重覆進行多次, 最後若能讓三色的背景分布都有差不多相同的位置與寬度, 那麼我們的微調工作便算完成. 我得到的結果如下. 可以看到, 色偏的問題修正了很多, 背景成了不帶色彩的深灰 (但非死黑). 在很多情形下, 這樣的影像已能令大部份的人滿意, 可以上桌了. 但身為一位高級廚師, 我們的標準要再提高, 這幅影像仍不夠好. 哪裡不夠好? 如何更進一步改善它? 下回揭曉.

小菜: 8 Bit 與 16 Bit

以上的影像在輸入PhotoShop後便以16 Bit/channel存在, 我在做以上處理時也維持使用16 Bit模式. 這一點是很重要的, 如果一開始的影像 (本文最上方的照片) 是8 Bit模式, 在經過第一道Levels處理後, 其G channel的色調分布圖會變得如下所示, 色調不再是連續的了. 這樣的影像很難禁得起後續的處理, 也禁不起高品質的輸出. 所以, 在影像的輸入以及初期的動態範圍調整階段, 維持使用16 Bit模式是很重要的, 最好是整個影像處理過程都在16 Bit模式下進行. 當然, 要達到這一點, 需要軟硬體的配合.