最近论坛里在讨论使用RAW和JPG的问题。相对于对摄影设备的关心来说，数字图像的基本原理就不容易引起爱好者的注意了，梅花做了些这方面的学习，和大家交流。这仅仅是个人的学习笔记，错误和误解是难免的，欢迎指正！

先说说色调分离。

色调分离：

是指一幅图像原本是由紧紧相邻的渐变色阶构成，被数种突然的颜色转变所代替。这一种突然的转变，亦称作“跳阶”。摄影上的色调分离往往是由于图像编辑产生的。

这里仅讨论图像的色调分离。图1是一张原始图像，图2是色调分离后的图像。

图1：原始图像


图2：色调分离后的图像


视觉检查是检查色调分离最简单的方法，但最有效的检查工具还是直方图。（还未掌握直方图的同学回头一定要弄懂直方图!）

图3是一张JPG格式的欠曝一档的图片，是由RAW格式转8位JPG的。

图4是转为16位 TIFF格式的（网页浏览不支持TIFF格式，用PNG格式来显示）。同样尺寸的图片，大小相差十倍！



(以下图片可以点击小图来看大图）

图3：8位JPG格式


图4：16位 TIFF格式


为了把图片提亮（原图欠曝）,我们在Photoshop中使用“色阶”工具，调整输入色阶到210，图5：



完成后的直方图如 图6：



说明一下：色阶的这个调整过程是使210~255区段统一为255，完成后的直方图其255就是原图的210~255区段。即直方图被拉开了。）

对TIFF格式图片完成同样的色阶调整如 图7：



可以注意到，16位TIFF图像应用“色阶”命令后的色调分离现象明显弱于8位JPG图像。

色调分离是如何产生的呢？

色调分离是如何产生的呢？

色调分离是由于较小的信息量要展开在较大的区间造成的。对于图像来说这个信息就是影调。图6的例子就是0到210的信息要展开在0到255的空间过程。例如把电影院里一排的观众分散到整个电影院，电影院原来的位子没有变化，以后的位子也不会变化，变化的是：开始的时候，一排大家都是你挨着我，我挨着你坐着，非常紧凑，现在变成东一个西一个坐着。那些没有人坐得位子就像色调分离的间断部分。

任何直方图的拉伸都能造成色调分离，在Photoshop中，“色阶”，“曲线”工具和色彩空间的转换都将导致直方图拉伸。

Photoshop中，新建一个600X200的8位文件，打开标尺，分别选区填充R=G=B=0至9.观察直方图，为一连续色阶，如图8。

图8：


对这个文件做“曲线”，再观察其直方图，发现有间断，如图9，图10。

图9：



图10：



用颜色取样器读取“曲线”后的RGB值。图10至图12.

图10:


图11:


图12:


编辑前后的RGB值对比：

原始RGB 曲线编辑后RGB

0 ------------- 0

1 ------------- 2

2 ------------- 4

3 ------------- 7

4 ------------- 9

5 ------------- 11

6 ------------- 13

7 ------------- 15

8 ------------- 17

9 ------------- 20

这种编辑的程度越大，色调分离越严重，图像画质劣化越明显！

如何来防止色调分离呢？

It is easier to put on a coat than to cure pneumonia.添衣容易吃药难。类似的，防止色调分离比修正色调分离容易多了。这里有三点来预防色调分离：


1.尽量少编辑图像。


2.通过RAW 来增加影调数量(包括选择更高位的RAW)。


3.通过曝光来增加影调数量

1.尽量少编辑图像。

例如，减少"色阶"，"曲线"，"色度/饱和度"调整将减少色调分离的程度。另一方面，我们可以使用较小拉伸直方图的工具，比如用“亮度/对比度”代替“曲线”。图层模式也是很好工具。

如果实在避免不了，就使用蒙版来限制使用区域，减少图像的整体劣化。

2.通过RAW 来增加影调数量(包括选择更高位的RAW)。

最最有效的减小色调分离的办法就是使用RAW格式来拍摄！RAW 格式记录的影调数量是JPG格式十几倍。因此影调排列更紧密，比如电影院一排按照JPG模式，每个位子坐1人，而按照RAW格式，每个位子坐了十几个人！

通常把RAW转为16位TIFF来编辑，例如图7.16位TIFF图像应用“色阶”命令后的色调分离现象明显弱于8位JPG图像。

通常，大部分数字相机的RAW格式是12位的，通过模拟—数字转换后，每个像素能记录 212=4096级光强，换句话说就是每个像素记录4096个影调。习惯上0代表全黑，4095代表全白。

观察图5的直方图，发现没有伸展到右边。

图5：



假设传感器动态范围是5档，为了简化分析，假设传感器刚好接收了4档的光，这说明对于传感器，没有像素能达到第五档的曝光！如图14，说明了5档动态范围的传感器曝光在4档只记录了2048个影调，把4096个影调的另一半丢弃了！意思是说，我们的传感器只是用了一半，我们记录的信息只有一半，这是多么的可惜啊！

图14：


通过这个分析，我们看到，尽量向直方图的右边曝光，增加了记录的影调数量， 前面的分析例子已经知道，影调数量越多越密，色调分离越不明显。



如何向右曝光？向右曝光还有什么好处？

向右曝光，要点在控制直方图右边临界点。你可以选择直方图一点不溢出或选择性溢出。

如果你不知道自己的相机有几档宽容度，请做一个实验来测定：使用M档来拍摄，曝光指示标尺在+1EV, +1.33EV , +1.66EV, +2EV，+2.33EV ，+2.66EV，+3.0EV拍摄18%灰板,转为灰度图像，统计RGB值，以EV为横坐标，RGB为纵坐标作出高光曝光曲线。以这个曲线为参考， 使用曝光补偿结合相机直方图训练一久你就能熟练地控制直方图了。

图15是我作的EOS 50D的实测曲线（ISO=100 -3EV下未有作）



向右曝光还有一个好处就是减轻图像噪点。这一点非常好理解：增加了曝光量，好的信号增加了，信号对噪声的比例SNR增加了，SNR越高，图像质量越好。

说了那么多RAW,什么是RAW？

为了弄懂什么是RAW，我们来看看数字相机是如何产生图片的。

数字相机里面有一个很小的芯片叫图像传感器，尽管很小，这个芯片却是整部机器中最复杂和最昂贵的。这个芯片收集光用来产生图像，它代替了传统相机中的胶片。每个传感器由像素阵列构成（这里的像素指光电二极管实体）

图16：像素示意图



图16示意了一个非常简单的像素，光以光量子的形式到达像素外面，通过一个微透镜，再穿过颜色过滤阵列最后到达像素（光电二极管）。

光和二极管中的半导体相互作用就产生了电荷。

像素现在有了电荷，当然，同样的过程也发生在传感器中的其它像素上面。例如一个600万像素的数字相机，大约有600万个像素里储备了电荷用来产生美丽的图像。

接下来的过程用图17来示意。

图17：RAW过程



1. 光量子到达像素(光电二极管）

2. 像素产生电荷

3. 电荷产生电压

4. 电压被放大

5. 模拟-数字转换（电压被转为离散值）

6. 模拟-数字转换（离散值转为二进制值），在这一步，RAW文件产生了。接下来的步骤就是在RAW转换器中处理RAW文件了，这些转换器包括相机厂家的软件比如佳能的Digital Photo Professional和通用的软件比如Adobe Camera Raw

7. 拜耳插补（产生颜色信息）。这一步 很有意思 ：昂贵的数字相机其实是色盲，它既不能看也不能度量颜色，所有的像素只能记录光的强度，即只能记录灰度。那么颜色是如何产生的？

答案是：颜色滤镜和软件

在图一中我们注意到在像素上面都有一个颜色滤镜，这种滤镜使得像素只能看到红绿蓝三原色中的一色。在这一步中，软件拾取特定像素和它周围的像素的光强和颜色，应用这些信息，软件算出像素的颜色并且分配颜色值给它。这个过程就叫做拜耳插补

8. 白平衡调整

9. 色调及其他调整

RAW过程结束在第6步骤。在这一点，传感器的数据被转换为数字形式。最重要的是在这里数据是非常纯净的：仅仅做了模拟-数字处理-没有其他过程产生-没有颜色被分配没有白平衡被分配-没有色调曲线被应用。

RAW的灵活性

当一个摄影师拍摄了JPG格式图像，白平衡，色调曲线，锐化，压缩就凝固在文件里了，锐化，压缩是不可逆的，（其实，从《为什么我们用RAW?-说说色调分离》这个帖子中我们知道，色调曲线，白平衡也是不可逆的，调整了这些，图像就会劣化）图像在拍摄时，相机就把这些参数设置了，想在后期改变它们非常困难或不可能。

另外一方面，对于RAW格式文件，白平衡，色调曲线可以在RAW转换器中设置，锐化可以在图像编辑器中设置。摄影师在拍摄后想要改变拍摄时的设置，在RAW转换器中就能轻松搞定。这些改变不会劣化图像质量。



RAW格式文件 颜色的分配是在RAW转换器中完成的，也就是在相机外完成。这是非常巧妙和必要的。对于单镜头反光照相机来说，连拍速度是一个很重要的指标，如果拜耳插补在机内完成(转16位TIFF)，巨大的运算任务将使机器处理器负担加重，连拍速度将大大降低。

例如：EOS 50D 的RAW格式文件是 14位的，一个RAW文件(20M左右)转换为16位TIFF后有80多M,如果这种转换在机内完成，时间消耗与存储容量消耗，将是单反的噩梦!

下面对比机内转换和第三方（机外）转换器：