MÄLARDALENS HÖGSKOLA
DATORN OCH FOTO
QUY VAN LUU
JOHN BÄCKSTRAND
Institutionen för datateknik (IDt)
CT 3620Vetenskapsmetodik för teknikområdet, 5p
09 november 2003, VÄSTERÅS
SAMMANFATTNING
Vår rapport är en återgivning av hur datorn kan underlätta arbetet med bildbehandling. Vi har
först och främst lagt vår fokus på fotografering. Begrepp som punktgrafik, vektorgrafik,
bildupplösning och färgdjup har vi tagit upp eftersom de är viktiga i sammanhanget.
Dessutom har vi gett en rad exempel på olika typer av bildkorrigeringar, till exempel
färgnyans, färgmättnad och färgintensitet, och ett exempel på hur man kan manipulera en bild.
Vi har använt ett bildbehandlingsprogram som heter Adobe Photoshop för att ta fram
ovannämnda exempel.
Astronomisk bildbehandling är ännu mer anknuten till datorn, därför har vår ambition varit att
berätta om dess problem, lösning och fördelar.
Både att korrigera och manipulera bilder är något som är enkelt, och som är givande, speciellt
med tanke på att kanske just det där speciella fotografiet kunde räddas, trots att det inte var
taget under dåliga förhållanden.
2
INNEHÅLLSFÖRTECKNING
SAMMANFATTNING .............................................................................................................. 2
INLEDNING .............................................................................................................................. 4
Bakgrund ................................................................................................................................ 4
Problemformulering ............................................................................................................... 4
Mål ......................................................................................................................................... 4
Syfte........................................................................................................................................ 4
Metod ..................................................................................................................................... 4
Avgränsning ........................................................................................................................... 4
BILDBEHANDLING ................................................................................................................. 4
Vad är en digital bild? ............................................................................................................ 5
Punktgrafik och vektorgrafik .................................................................................................. 5
Bildupplösning ....................................................................................................................... 5
Färgdjup.................................................................................................................................. 6
Bitar per bildpunkt.............................................................................................................. 6
VERKTYG ................................................................................................................................. 6
Justering av en bilds tonomfång ............................................................................................. 6
Nivåer ................................................................................................................................. 6
Justering av en bilds färger ..................................................................................................... 7
Justering av färgstick .......................................................................................................... 7
Nyans/mättnad/ljushet ........................................................................................................ 7
Bildmanipulering .................................................................................................................... 7
Kloning ............................................................................................................................... 7
Övriga verktyg ........................................................................................................................ 8
Skärpa/oskärpa ................................................................................................................... 8
Utsmetning ......................................................................................................................... 8
Beskärning .......................................................................................................................... 8
Rotation .............................................................................................................................. 9
ASTRONOMISK BILDBEHANDLING .................................................................................. 9
Problem .................................................................................................................................. 9
Lösningar ................................................................................................................................ 9
Andra fördelar ...................................................................................................................... 10
SLUTSATS ............................................................................................................................. 10
REFERENSER....................................................................................................................... 10
3
INLEDNING
Bakgrund
Den digitala bilden är på stark frammarsch, speciellt för amatörer som inte vill betala pengar
för varje film som framkallas. Digitalkamerans snabba utveckling och prisfall gör att den ur
ett långsiktigt perspektiv kanske både är billigare och bättre än traditionella filmkameror.
Bildbehandling är dock något som kanske ofta förbises av nybörjare, och som samtidigt är
mycket viktigt för att få så bra bilder som möjligt av sin kamera.
Problemformulering
Vilka sorters fotografiska misstag kan rättas till i datorn, på vilket vis och med vilket
resultat?
Hur enkelt är det att luras med manipulerade bilder, och vad krävs?
Mål
Vi strävar efter att ge en generell beskrivning av digital bildbehandling utan att ange något
speciellt datorprogram. Vi vill förmedla principerna bakom de specifika operationer man kan
göra på en bild, och i vilket syfte man oftast använder specifika verktyg. Det kan ses som en
rad grundläggande tips om bildbehandling, eller som en lite referens över vad som kan göras
med dagens mjukvara.
Syfte
Bildbehandling omfattar mycket saker. Det kan handla om att förstå den digitala bilden, till
exempel vad den består av och hur datorn hanterar dess data. Begrepp som pixlar, färger och
upplösning kan då förekomma.
Vi kommer därför att visa exempel på de tekniker man behöver vara bekant med för att kunna
bearbeta bilder både på ett kreativt sätt och för att korrigera större eller mindre fel.
Metod
Vi kommer att skapa de ovannämnda exemplen genom att använda ett
bildbehandlingsprogram som heter Photoshop.
Nivåer, korrigering av färgstick, färgnyans, färgmättnad, färgljushet, kloning, skärpa, oskärpa,
utsmetning, beskärning och rotation är de verktyg som bland annat finns med i programmet
och som vi kommer att syssla med i detta projekt.
Dessutom kommer vi att förklara begrepp som vektorgrafik, punktgrafik, bildupplösning och
färgdjup.
Avgränsning
Vi kommer att förklara vad som är skillnad mellan vektorgrafik och punktgrafik, men
koncentrerar oss bara på den senare.
BILDBEHANDLING
Vi börjar med att dela in bildbehandling i två stora områden:
4
1. Korrigering
2. Manipulation.
Man kan till exempel korrigera ljushet, mörkhet och färg och man kan också manipulera en
bild av olika skäl.
Man kan lära sig hur man förbättrar en bild i datorn, men man kan också råka ut för att
försämra dess kvalitet genom att använda fel tekniker. Därför är det en fördel om man först
förstår vissa begrepp och behärskar vissa tekniker innan man börjar ge sig på det roliga.
Vad är en digital bild?
Det är en bild som lagras som siffror, det vill säga ”ettor” och ”nollor”. Bilden är uppbyggd av
ett rutmönster, där varje rad och kolumn delar in bilden i bildrutor eller pixlar.
Punktgrafik och vektorgrafik
Punktgrafik och vektorgrafik är två tekniker som används för att lagra en bild digitalt.
Vektorgrafik betyder att en bild byggs upp av matematiska formler och har därmed den
fördelen att förstora bilden hur mycket som helst utan att filstorleken ökar. Vektorgrafik är
dessutom inte taggig.
Punktgrafik (rastergrafik) betyder att en bild byggs upp av ett antal bildpunkter (pixlar) i höjdoch sidled. Man kan likna att skapa en bild i punktgrafik med att ha ett rutat papper och måla
bilden genom att fylla de olika rutorna med färger. Filstorleken på punktgrafik bestäms bland
annat av hur många pixlar punktgrafiken består av. Om man förstorar en rasterbild tillräckligt
mycket ser den antingen taggig eller suddig ut, beroende på vilken metod man använder sig av
att beräkna de nya pixlarna.
Sammanfattningsvis lagras fotografier i datorn som punktgrafik medan tredimensionella
bilder bygger på båda tekniker.
Bildupplösning
Bildupplösning är tätheten av pixlar (bildpunkter) i en bild och mäts i pixlar per tum. Om en
bild har 72 pixlar per tum, innebär det att en 1 x 1 tum stor bild består 5184 pixlar. (72 pixlar
bred x 72 pixlar hög = 5184). Ju högre upplösning desto fler pixlar finns det i bilden. En 3 x 3
tum stor bild med en upplösning av 72 pixlar per tum består av 46 656 pixlar med färger.
Samma bild med en upplösning på 300 pixlar per tum skulle ha 810 000 pixlar med färger.
Högre upplösning gör att bildens detaljer syns bättre och att mjukare färgövergångar erhålls.
En bild med en bredd på 355 pixlar och en höjd på 290 skrivs ut med 106 pixlar per tum,
vilket motsvarar att den i utskrift blir 355/106 = 3,35 tum bredd. Multiplicerat med 2,54 (1tum
= 2,54 cm) ger det en bredd på 8,5 cm. Höjden blir (290/106)*2,54=6,95 cm.
En annan tolkning av upplösning är det totala antalet pixlar i en bild, eller hur många pixlar
bred och hög en bild är. En vanlig upplösning hos digitalkameror är till exempel 3
megapixels, alltså miljoner pixlar, eller runt 2000 pixlar bred bild och 1500 pixlar hög bild.
Denna bild kan man skriva ut i 6,6x5 tum i upplösningen 300 pixlar per tum, vilket
ungefärligt motsvarar en vanlig pappersbild som man får från en 35mm kamera i fysisk
storlek.
5
Färgdjup
En bit är den minsta beståndsdelen i något som lagras på en dator. Det går åt antingen 7 eller 8
bitar för att lagra ett tecken. Det finns plats för 128 olika tecken med 7 bitar, vilket bara räcker
till för att rymma de engelska bokstäverna och några specialtecken medan det finns plats för
256 olika tecken med 8 bitar, vilket räcker till för att rymma de svenska bokstäverna å, ä, ö
och ytterligare några andra främmande tecken.
Det går alltså åt 8 bitar för att lagra en bokstav, men hur många sådana det går åt för att lagra
en bildpunkt beror däremot på hur många färger man vill arbeta med i sin bild. Antalet
möjliga färger i en bild bestäms av antalet bitar som varje bildpunkt lagras med.
Bitar per bildpunkt
Som bekant finns det två möjliga lägen för varje bit, noll eller ett. Om en bild lagras med 1 bit
per bildpunkt kan man välja mellan två färger, oftast svart och vitt. Bilden tar då litet utrymme
på hårddisken och i minnet och kan snabbt bearbetas i datorn.
Om en bild däremot lagras med 4 bitar per bildpunkt kan man välja mellan 16
kombinationsmöjligheter, det vill säga 16 olika färger eller gråtoner.
För att återge en bild fotorealistiskt krävs det hela 24 bitar per bildpunkt. De 24 bitarna är
uppdelade i 3 färgkanaler, röd, grön och blå, där varje kanal upptar 8 bitar och alltså kan anta
256 olika värden. Detta ger varje bildpunkt möjlighet att anta en av drygt 16 miljoner olika
färger, vilket är ungefär så många som ett mänskligt öga kan uppfatta.
VERKTYG
Justering av en bilds tonomfång
Nivåer
Nivåer (se figur 1) är ett stapeldiagram över en bilds alla pixlar (bildpunkter) och hur färgerna
i dessa fördelar sig med tanke på ljushet och mörkhet. Antalet staplar speglar hur många
åtskilda värden varje pixel kan ha, till exempel 256 för en bild med 8 bitar per färgkanal.
Nivåer visar med andra ord att i bilden finns några helt svarta och några helt vita pixlar. De
flesta pixlarna i bilden har en ljusstyrka som motsvarar mellangrått.
Figur 1.
Exempel på hur nivåer kan se ut.
Bild 1 & 2. Bilden till vänster
kommer oredigerad från en
digitalkamera. Bilden till höger
visar resultatet efter att nivåerna i
bilden har justerats.
6
Justering av en bilds färger
Justering av färgstick
En bild som avbildar ett i verkligheten vitt föremål, bör ju självfallet avbilda föremålet vitt i
slutändan. Så är dock inte alltid fallet, och när en bild har en färgförskjutning kallas det
färgstick. Oftast uppstår färgstick på grund av att kamerans automatiska vitbalans har
misslyckats med att gissa hur bilden ska se ut. Det kan avhjälpas i bildbehandlingsprogram
med hjälp av ett färgbalansverktyg. Ett sätt att få en korrekt färg är att kontrollera ett föremål i
bilden som bör bara färgneutralt, till exempel snö eller ett vitt papper. Ser man att de har
närliggande färger i både den röda, gröna och blå färgkanalen så är vitbalansen i bilden
återställd.
Nyans/mättnad/ljushet
Nyans, mättnad och intensitet är egenskaper som används för att definiera färg. Nyans har att
göra med färgens våglängd, till exempel röd, orange och lila. Mättnad har att göra med
mängden grått i färgen, där 100% Mättnad betyder inget grått alls. Intensitet mäter mängden
ljus i en färg. Nyans/mättnad är i första hand till för att ändra hela färgskalan i en bild eller för
att förstärka de urblekta färgerna, men kan också användas för att göra svart/vita bilder.
Bild 3: Bild med blåstick.
Bild 4: Denna bild har färgkorrigerats.
[Ashford98]
Bildmanipulering
Kloning
Används för att både lägga till och ta bort föremål i en bild. Kloning går ut på att man kopierar
delar av bilden för att dölja eller ta fram saker. Kloning kan användas för att manipulera
bilder, men även för korrigering av bilder. Kloning används lokalt i en bild, inte på hela
bilden.
7
Bild 5: En kopplad hund
Bild 6: Hund med koppel bortklonat.
Övriga verktyg
Skärpa/oskärpa
Används då man vill göra en del av en bild skarpare eller tvärtom. Oskärpa kan till exempel
användas när man har en bakgrund som är för skarp och därför distraherar från bildens
huvudmotiv. En oskarp bakgrund både riktar mer uppmärksamhet mot huvudmotivet, och får
motivet att se skarpare ut. Skärpa kan användas på bilder som inte är tillräckligt skarpa.
Skärpa och oskärpa kan användas båda lokalt i en bild, eller appliceras på hela bilden. Att
skärpa en bild för mycket kan medföra att man får oönskade bieffekter. Detta beror på att
bruset förstärks, och även på att skärpningsalgoritmen inte kan få fram mer information än
vad som finns i bilden från början.
Utsmetning
Det hörs på namnet att verktyget används då man vill smeta ut någonting.
Man får den färg man har valt i förgrundsfärg om fingerfärg är förvald.
Man kan ställa in hur stor verktyget ska vara och hur känsligt verktyget ska vara, från 0 –
100%.
Beskärning
Används
dåmed
man
ut en
del av
enoskärpa
bild som man vill ha kvar. Detta görs med hjälp av
Bild 7: Porträtt
skarpvill skära Bild
8: Porträtt
med
distraherande
bakgrund.
applicerat
på
bakgrunden.
en markering som visar vilken del av bilden som kommer behållas. Beskärning kan användas
för att få ett motiv att fylla ut bilden på ett bättre sätt, eller att ta bort distraherande element i
8
utkanten av bilden. Detta kan ge en viss frihet vid fotograferandet, eftersom man inte alltid
kan rama in sitt motiv på det sätt man vill, eller kan komma tillräckligt nära.
Bild 9: Originalbild.
Bild 10: Beskuren bild.
Rotation
En bild måste inte alltid vara tagen med en alldeles rak horisont, tvärtom så kan man utnyttja
lutning för att ge bilder mer dynamik. Vissa bilder blir dock onekligen bättre om de har en
horisontell horisont, främst naturbilder eller panoramabilder där horisonten är en viktig del.
En liten snedvinkling av horisonten kan där förstöra en i övrigt bra bild.
ASTRONOMISK BILDBEHANDLING
På senare år har utvecklingen när det gäller astronomisk fotografering gått åt ett kanske lite
oväntat håll. Nu kan man nämligen använda billiga webkameror och från de få bilder med
mycket hög kvalitet. Även digitala videokameror kan användas för astronomisk fotografering.
Problem
Generellt sett ger webkameror inte bilder med hög kvalitet. Det beror på flera saker:
1. Alla fotoner träffar inte en sensor. Detta gör att det krävs mer ljus, eftersom en del ljus
“kastas bort”. Andelen som träffar kallas kvant-effektivitet och typiskt för digitala
bildsensorer är 30%-60%.
2. Sensorerna har alltid ett litet värde även om inget ljust har träffat dem
3. Sensorernas värde ökar även om inget ljust träffar under en exponering. Olika pixlar
kan också öka olika mycket.
4. När man läser av värdena från sensorn så tillkommer det brus, så kallat avläsningsbrus
5. Sensorerna kan överexponeras, och i värsta fall kan elektroner “rinna” över till
närliggade sensorer / pixlar.
Lösningar
Man kan fråga sig hur man då kan få bilder med hög kvalitet, med tanke på alla dessa problem
hos sensorer? En viktigt anledning är att digitalkameror kan ta i princip obegränsat många
bilder utan kostand, till skillnad från att fotografera med film. Digitalkameror kan också ta
bilder i ganska snabb följd, speciellt digitala videokameror förstås. För att få bättre kvalitet på
bilderna utnyttjar man det faktum att man kan ta många bilder i följd på samma objekt.
Alltifrån ett tiotal till hundratals eller kanske till och med tusentals bilder kan användas för att
producera en enda bild. Mjukvara används som automatiskt kan centrera bilderna ”ovanför”
varandra i lager, och som sedan tar medelvärdet av alla bilder. Detta gör att slumpmässigt brus
tar ut sig självt, och att färgupplösningen kan ökas utöver den som digitalkameran ger.
9
Problemen som listades tidigare går att till stor få bort genom statistiska och kalibrerande
åtgärder. Problem Problem 2 och 3 kan åtgärdas genom att man kalibrerar mjukvaran för
dessa problem hos just den aktuella kameran. Det görs genom att två sorters bilder.
För problem 2, så tar man en bild där man inte låter något ljust träffa sensorn i kameran, till
exempel genom att låta ett linsskydd sitta på kameran. Då får man en bild som beskriver hur
mycket ljus varje pixel ger ifrån sig utan att motta något ljust alls, så dessa värden kan man
helt enkelt subtrahera från den slutgilitga bilden.
För problem 3 så tar man en bild där man försöker belysa alla pixlar i sensorn med ett jämnt
ljust, och det resulterar i en bild som beskriver hur känslig varje endskild pixel i bilden är.
Med hjälp av detta kan man skala om den slutgiltiga bilden, och därigenom få en bild där
varje pixel blir jämnt belyst.
Problem 4 innebär att man inte kan ha allt för korta exponeringstider, eftersom varje utläsning
av en bild adderart brus till bilden.
Problem 5 kan undvikas genom att inte överexponera bilden, helt enkelt.
Andra fördelar
Det finns också andra fördelar med att ha en enkel digital kamera när man fotograferar
astronomiska objekt: efterssom jorden hela tiden snurrar kring sin egen axel så rör sig
stjärnhimmeln och alla himlakroppar i en cirkelrörelse. Om man tar en lång exponering så
krävs därför, oftast dyr, motorik som kan styra teleskopet för att motverka himlens rörelse.
Om man däremot tar många bilder med kort exponeringstid, under 30 sekunder, så kan man
enkelt i datorn förskjuta bilderna så att de stämmer överens, och varje bild i sig är skarp på
grund av den korta exponeringstiden.
SLUTSATS
Med hjälp av datorn och bildredigeringsprogram kan man, relativt enkelt, korrigera en hel del
missar man kan göra när man fotograferar. Detta ger en större frihet vid själva fotograferandet,
eftersom korrigeringar är så enkla att göra. Att beskära en bild är mycket enkelt i datorn, och
det kan lösa flera problem med ett fotografi, både problem där motivet är för litet i bilden, och
där distraherande element finns i bildens utkanter. Mörka och trist gråa bilder kan enkelt
justeras med kontrast och ljusstyrka i ett bildbehandlingsprogram. Oskarpa bilder kan till viss
del göra skarpare med hjälp av till exempel “oskarp mask” verktyget. Om kamerans
automatiska vitbalans av någon anledning har “gissat fel” så kan man korrigera färgsticket.
Vi har visat att det går att korrigera en rad problem och misstag med fotografier, men datorn
kan bara hjälpa till att ta fram information som finns i bilden. Man kan inte helt korrigera
felaktig inläsning, eller dålig kvalitet hos originalbilden. Det bästa är att man använder en bild
med så bra kvalitet som möjligt.
Det är enkelt att manipulera bilder, och det kan vara bra att ha i åtanke så att man är mer
kritisk till bilder med misstänksamt innehåll. För att manipulera bilder krävs inte mer än en
dator, programvara och lite tålamod.
REFERENSER
[Gregory00] T. Gregory,”How to Record the Digital Sky”, “Astronomy”, mars 2000, Vol. 28
Issue 3, sidor 88-94.
10
Norbin, Per (1996) “PhotoshopSkolan” <http://www.norbin.com/photoshopskolan/> (1996)
[citerat 1 okt. 2003]
Karlsson, Mattias (2003) ”Bildbehandling” <http://www.hlk.hj.se/photoshop/index.htm>
(Aug. 2003) [citerat 6 okt 2003]
[Haugland01] A. Haugland,”Digital Bildbehandling”, Pagina Förlags AB 2001
[Ashford01] J. Ashford, J. Odam, “Från skanning till design”, Libris Media Data 2001
11
