Balans bieli i temperatura barwowa w praktyce.docx

Balans bieli i temperatura barwowa w praktyce

Nawet w najprostszych aparatach cyfrowych, w których zrobienie zdjęcia ogranicza się do naciśnięcia spustu migawki, znajduje się opcja regulacji balansu bieli. Zrozumienie wpływu tego parametru na rejestrowany obraz oraz właściwe jego kontrolowanie jest kluczem do uzyskania fotografii o pięknej kolorystyce.

Błędne ustawienie balansu bieli niesie za sobą przykre konsekwencje. Może się bowiem okazać, że wszystkie zdjęcia ze spaceru po zabytkowych dzielnicach miasta mają niebieską dominantę, a fotografie z urodzin przyszłej teściowej są paskudnie zaczerwienione (najbardziej zaś twarz solenizantki, co z pewnością nie przysporzy nam jej sympatii). Niekiedy różnice są bardziej subtelne, choć równie ciekawe – np. po sesji w plenerze okazuje się, że na wszystkich kadrach trawa jest niebieskawa. Pojawiają się wówczas pytania: dlaczego tak się stało i jak tego uniknąć w przyszłości?

O pewnej właściwości światła
Postrzegane przez nas kolory różnych przedmiotów nie są niezmienne w każdych warunkach. Zależą one od padającego na te obiekty światła, gdyż to właśnie ono – odbijane bądź przechodzące przez nie – po dotarciu do naszych oczu staje się rzeczywistym źródłem obrazu powstającego w mózgu (pomijam tu sytuację, w której oglądany przedmiot świeci własnym światłem). Światło tzw. białe jest w rzeczywistości mieszaniną różnych barw należących do jego spektrum (czasem możemy je zobaczyć na niebie w pełnej okazałości jako tęczę). Jednak nie wszystkie te barwy są wymieszane ze sobą w równych proporcjach. W praktyce zawsze pewna grupa ma większy udział – jest to jedna z przyczyn, dla których światło zawsze ma tzw. dominantę.

Szczególnym rodzajem dominany jest ta, którą opisujemy za pomocą temperatury barwowej. Parametr ten określa wrażenie barwy światła, uznawanego powszechnie za „ciepłe” lub „zimne”. Mamy tu zatem do czynienia z dominantą przechodzącą od koloru pomarańczowego, przez niemal biały, do bladoniebieskiego. Jest w tym jednak pewna pułapka słowna: światło określane potocznie jako ciepłe ma niską temperaturę barwową, a zimne – wysoką (kwestię tę wyjaśniamy dokładniej na ostatniej stronie tego artykułu).

Jak przystało na parametr wywodzący się z nauk ścisłych, temperatura barwowa wyrażana jest w kelwinach, czyli jednostce temperatury zdefiniowanej w układzie SI, tożsamej ze skalą Celsjusza, przy czym pozbawionej wartości ujemnych (0 kelwinów to -273,15 stopni Celsjusza). Istnieje szereg określonych wartości temperatur barwowych różnych źródeł światła takich, jak świeca (1850 K), żarówka (2800 K) czy światło słoneczne (5000–6500 K, w zależności od pory dnia i pogody). Istnieją też źródła światła, których temperatura nie ma wiele wspólnego z dominantą barwną. Przyjmuje się dla nich pewne uproszczenie i określa, jaka temperatura najbardziej odpowiada jego barwie, np. dla świetlówki jest to 5000 K.

Jak aparat rozpoznaje barwy?
Dzięki ogromnej pracy, jaką wykonuje nasz mózg, potrafimy w dużym stopniu prawidłowo rozpoznawać te same kolory różnych obiektów w świetle słonecznym, żarowym czy pochodzącym z lampy jarzeniowej. Przedmiot oświetlony przez światło świecy lub znajdujący się w blasku dnia wygląda dla nas tak samo i ma takie same kolory – przynajmniej do tego stopnia, że jesteśmy je w stanie rozpoznać i nazwać. Udaje nam się to, ponieważ umiemy bardzo szybko i precyzyjnie określić rodzaj światła, który nas otacza, a ponadto po prostu pamiętamy, jakie kolory mają przedmioty wokół nas. Na podstawie tych danych w błyskawicznym tempie rozpoznajemy kolory wszystkiego, co znajduje się w naszym polu widzenia. Niestety aparaty fotograficzne nie potrafią tego tak dobrze, jak my.

W artykule Typy matryc aparatów cyfrowych Marcin Pawlak przedstawił podstawowe zasady działania przetwornika obrazu w aparacie cyfrowym. Komórki światłoczułe reagujące na barwy składowe (zazwyczaj czerwoną, zieloną i niebieską) przetwarzają natężenie światła na impulsy elektryczne, a te z kolei są tłumaczone na wartości liczbowe, na podstawie których później obraz odtwarzany jest ponownie z jego barw składowych. Podobny proces zachodzi w fotografii analogowej, z tym że w tym wypadku mamy do czynienia z substancjami fotochemicznymi reagującymi na fale światła o różnej długości. Jednak mechanizm taki dawałby prawidłowe rezultaty tylko przy założeniu, że fotografowany obiekt oświetla światło wyłącznie idealnie białe, co w naturze się po prostu nie zdarza. Aby kolory na zdjęciu odwzorowane były poprawnie, tzn. tak, jak my byśmy je postrzegali, aparat musi jeszcze dysponować informacjami o oświetleniu sceny i na ich podstawie wprowadzić do kolorystyki odpowiednią korektę.

Proces kompensacji barw w aparacie cyfrowym nosi nazwę balansowania bieli (ang. white balance). Może być on dokonywany automatycznie lub manualnie. W tym pierwszym wariancie zdjęcie jest analizowane pod kątem odnalezienia najjaśniejszego (ale nie wypalonego) fragmentu zdjęcia. Punkt ten jest przyjmowany za wzorzec bieli lub neutralnej szarości i w oparciu o niego dokonywana jest korekta całego obrazu. Jak można się domyślić, mechanizm ten nie zawsze zdaje egzamin i wówczas może się pojawić konieczność manualnego dopasowania kolorystyki zdjęcia.

a jak to się robi samemu?
Istnieje kilka metod manualnego ustawiania prawidłowego balansu bieli. Pierwszym i najprostszym jest wykorzystanie predefiniowanych ustawień, które udostępnia nam sam aparat. Oprócz trybu automatycznego balansu bieli, każdy cyfrak ma jeszcze co najmniej cztery opcje: dla światła słonecznego (zazwyczaj w kilku odmianach), żarowego, flesza oraz świetlówki. Dokonanie wyboru jest bardzo proste, ale tak naprawdę rzadko zdaje egzamin – w rzeczywistości oświetlenie może się bowiem znacznie różnić od zaprogramowanego w aparacie, zatem w efekcie na fotografii i tak zobaczymy niepożądany zafarb. Niektóre modele cyfraków pozwalają wprowadzić do ustawień fabrycznych dodatkową korektę temperatury barwowej, co jest bardzo przydatne w sytuacji, gdy żadna z dostępnych preselekcji balansu bieli nie umożliwia wykonania zdjęcia o prawidłowej kolorystyce.

Zaawansowane aparaty umożliwiają precyzyjną regulację balansu bieli przez podanie temperatury barwowej oświetlenia. Jeżeli ją znamy – a taka sytuacja może mieć miejsce w studiu (lampy studyjne z reguły mają precyzyjnie podaną tę wartość) lub korzystamy z wysokiej klasy światłomierza – to mamy bardzo ułatwione zadanie. W takich warunkach wystarczy ustawić balans bieli raz, na początku sesji, a następnie spokojnie fotografować, dopóki nie zmieni się nam oświetlenie.

Jednak najlepszą metodą, jaką możemy zastosować w trudnych warunkach z każdym modelem cyfraka, jest użycie odpowiedniego wzorca. Niemal wszystkie aparaty, łącznie z prostymi kompaktami, umożliwiają pomiar temperatury barwowej z obiektu o barwie neutralnej – białej lub szarej. W tym celu wystarczy, że wybierzemy odpowiednią opcję i wskażemy naszemu cyfrakowi punkt, który według nas jest neutralny (w przypadku lustrzanki będziemy musieli go sfotografować). Wszystko teraz zależy od neutralności wzorca: jeżeli dysponujemy czymś tak precyzyjnym jak szara karta firmy Kodak lub XpoBalance firmy Lastolite, to problem z balansem bieli niemal przestaje istnieć (oprócz przypadków z mieszanymi źródłami światła, o których piszemy poniżej).

Niestety wiele przedmiotów, które wydają się białe, w rzeczywistości takie nie są – np. zwykły papier w zależności od techniki jego wytwarzania jest niebieskawy albo żółtawy. Próba zmierzenia balansu bieli na przypadkowym obiekcie może zaowocować przekłamaniami kolorów na zdjęciach. Jeżeli więc zależy nam na pełnej i precyzyjnej kontroli kolorystyki zdjęć, powinniśmy zaopatrzyć się we wzorzec dobrej jakości.

W świecie fotografii tradycyjnej
Naturalnie problem balansowania bieli istnieje też w technikach analogowych i z oczywistych względów rozwiązuje się go nieco inaczej. Przez lata rozwoju fotografii przyjęły się dwa podstawowe rodzaje błon i filmów barwnych: do światła dziennego (5500 K) i do światła sztucznego (3200–3800 K, w zależności od producenta). Pewne odchylenia tych wartości od rzeczywistych są z reguły akceptowalne w fotografii pamiątkowej, bądź artystycznej – wręcz pozwalały one na podkreślenie np. romantycznego nastroju zachodów słońca. Jednak zdjęcia reprodukcyjne wymagają już precyzyjnego odwzorowania barw, a więc dodatkowej korekty.

Gdy zachodzi konieczność dopasowania temperatury barwowej światła do materiału światłoczułego (a także gdy świadomie chcemy osiągnąć jakiś efekt, np. ocieplić kolorystykę zdjęcia) stosuje się filtry konwersyjne podwyższające (niebieskie) lub obniżające (różowe) temperaturę barwową światła. Istnieją też filtry pomagające w robieniu zdjęć przy selektywnym źródle światła (np. jarzeniowym), redukujące dominantę charakterystyczną dla danego oświetlenia. Wszystkie one działają na zasadzie mniejszego lub większego odcinania fragmentów spektrum światła. To z kolei powoduje straty, które wymagają dłuższej ekspozycji lub większego otwarcia przysłony. Ponadto jeżeli mierzymy światło nie przez obiektyw (pomiar TTL), a np. zewnętrznym światłomierzem, musimy – w zależności od rodzaju filtra – wprowadzić do ustawień odpowiednią poprawkę (zazwyczaj jest ona podana w instrukcji lub oznaczeniu filtra).

Oprócz współczynnika tłumienia światła, filtry konwersyjne mają też podany zakres działania, tzn. stopień, w jakim ocieplają lub ochładzają światło. Wartość ta jest podana w miredach – jednostce będącej odwrotnością temperatury pomnożoną przez milion. Zależność między temperaturą barwową wyrażaną w tych jednostkach i kelwinach przedstawiamy na ilustracji poniżej.

Fotografujący w RAWach mają lepiej
W najbardziej komfortowej sytuacji znajdują się ci fotografowie cyfrowi, którzy zapisują swoje zdjęcia w formacie RAW. Z ich punktu widzenia problem balansu bieli i temperatury barwowej podczas fotografowania praktycznie nie istnieje. Balansowanie bieli jest bowiem procesem przeprowadzanym już po zebraniu danych z przetwornika aparatu, a takimi właśnie danymi są zdjęcia w formacie RAW. Pozwala to przeprowadzić balansowanie już po przeniesieniu zdjęć do komputera w dowolnym programie graficznym obsługującym pliki RAW z naszego aparatu.

W większości programów mamy takie same lub nawet bardziej rozbudowane narzędzia niż te, które udostępnia aparat. Możemy regulować temperaturę barwową w kelwinach, przenosić ustawienia z innych zdjęć (bardzo przydatne przy korzystaniu z wzorca), wprowadzać dodatkową korektę barwną niwelującą zafarb, czy też korzystać z predefiniowanych ustawień dla różnych sytuacji. Najważniejsze jest jednak to, że są to działania odwracalne i nieprawidłowa regulacja nie zepsuje nam zdjęć – tak jak miałoby to miejsce w fotografii analogowej czy cyfrowej z zapisaniem obrazu w formacie JPEG.

Czy wobec takiej swobody, jaką daje nam cyfrowa obróbka plików w formacie RAW warto mierzyć temperaturę barwową z wzorca podczas sesji? Tak, ponieważ tylko w ten sposób uzyskamy pewność, że kolory odwzorowane są prawidłowo. Wprawdzie zazwyczaj robimy to „na oko”, pamiętając jaka była kolorystyka sceny, ale nie zawsze możemy sobie pozwolić na takie uproszczenie. Dotyczy to zwłaszcza sytuacji, w których wykonujemy profesjonalne zdjęcia reportażowe, a zwłaszcza z pokazu mody lub ślubne, gdzie właściwe oddanie kolorystyki strojów panny młodej jest przecież sprawą najwyższej wagi.

Nieliczne programy graficzne (np. Paint Shop Pro lub Adobe Lightroom) umożliwiają również korektę balansu bieli w plikach JPEG. Choć nie jest to ani niemożliwe, ani trudne do wykonania (algorytmy takiego przekształcenia są znane i dość proste do zaprogramowania), zadziwiająco niewiele programów to umożliwia – na ogół trzeba samodzielnie zmieniać kolorystykę obrazu różnymi narzędziami, dopóki nie osiągniemy zadowalających rezulatów. Warto jednak pamiętać, że korekta barwna pliku JPEG nigdy nie da tak dobrych rezultatów, jak w wypadku zdjęć w plikach RAW. Dzieje się tak, gdyż obrazy zapisane w pierwszym z wymienionych formatów najczęściej mają zredukowaną paletę kolorów, a ponadto przeszły wcześniej proces scalania barw z ich składowych, co w pewnym stopniu prowadzi do utraty informacji, które byłyby dostępne w formacie RAW.

Przypadki (prawie) beznadziejne
Czasami jednak problem balansu bieli potrafi doprowadzić nawet zaawansowanego fotografa do rozpaczy. Dotyczy to sytuacji, w których nasz obiekt jest oświetlony kilkoma źródłami światła o bardzo różnej temperaturze barwowej. Najczęściej sytuacja taka ma miejsce w pomieszczeniach oświetlonych żarówkami, gdy przez okna wpada duża ilość światła słonecznego lub też gdy pomieszczenie rozjaśniają jednocześnie lampy żarowe i jarzeniowe. Jeżeli nie mamy możliwości tak ustawić fotografowanego obiektu, aby padało nań jednolite światło, to niezależnie od dokonywanych poprawek część zdjęcia zawsze będzie obarczona uciążliwym zafarbem.

Naturalnie zjawisko to można także wykorzystywać świadomie do ukazywania różnic pomiędzy różnymi elementami zdjęcia (na przykład burzowym niebem w tle i oświetlonym ogrodowymi lampami domem na pierwszym planie). Jednak gdy oświetlenie jest pomieszane w obrębie jednego planu, zazwyczaj efekty będą dalekie od oczekiwań.

Najgorsze jest jednak to, że w takim wypadku nie możemy właściwie nic zrobić bez głębokiej ingerencji w obraz za pomocą programu graficznego. Jednym ze sposobów uporania się z takim problemem jest dwukrotna obróbka barwna pliku tak, aby elementy oświetlone różnymi źródłami światła miały na tych fotografiach podobną kolorystykę, a następnie połączyć te dwa kadry w jeden za pomocą odpowiednio wykonanej (np. w Photoshopie) maski obrazu. Również w takim wypadku najlepiej byłoby, gdyby nasze zdjęcie było zapisane w formacie RAW.

Inną sytuacją, z którą możemy mieć do czynienia, to bardzo selektywne źródło światła, tzn. takie które nie ma ciągłego widma, lecz jest niemal zupełnie monochromatyczne. W takim wypadku praktycznie żadna regulacja balansu bieli nam nie pomoże – obiekty o kolorze zbliżonym do barwy światła będą na zdjęciach bardzo jasne, natomiast inne staną się prawie czarne. Przykładem tego są uliczne lampy sodowe, które emitują silnie pomarańczowe światło. W wypadku tak jednobarwnego oświetlenia bądźmy świadomi, że najczęściej nasze zdjęcia będą pozbawione niemal wszystkich informacji o kolorze. Z drugiej strony fotografie takie mogą być same w sobie bardzo interesujące, gdyż ukażą otoczenie wokół nas nieco inaczej, niż my sami je postrzegamy.

Jeżeli jednak żadna wypróbowana przez nas metoda obróbki obrazu nie da zadowalających rezultatów, a nie chcemy zdjęcia uznać za nieudane, warto pomyśleć o usunięciu kolorów i skonwertowaniu fotografii do postaci czarno-białej (choćby w taki sposób, jak opisuje to Przemek Imieliński w swoim warsztacie). Może się wówczas okazać, że pechowa fotografia nabierze wówczas zupełnie nowego blasku.

Trochę fizyki dla dociekliwych
Światło widzialne to fale elektromagnetyczne w zakresie od 380 do 760 nm długości, na które reaguje ludzki zmysł wzroku. Fale krótsze to obszar tzw. nadfioletu, natomiast dłuższe obejmują promieniowanie podczerwone. Promieniowanie o pewnej długości fali w zakresie widzialnym wywołuje w naszym oku określone wrażenie barwne: np. 520 nm odpowiada kolorowi zielonemu, zaś 620 – pomarańczowemu. Mieszając promieniowanie wszystkich barw wchodzących w skład tzw. spektrum światła widzialnego otrzymamy świato białe. Jednak byłoby ono idealnie białe tylko wówczas, gdyby wszystkie składowe jego widma miały takie samo natężenie. Taka sytuacja zdarza się jednak niezwykle rzadko (za źródła światła o bardzo wyrównanej charakterystyce uważa się drogie lampy studyjne, np. takie jak produkowane przez firmę SoLux) – w praktyce fotograficznej będziemy mieli do czynienia z oświetleniem o bardzo zróżnicowanych barwach.

Ale skąd właściwie biorą się te różnice i pojęcie temperatury barwowej? Żeby to wyjaśnić, musimy dokonać rozróżnienia pomiędzy dwoma rodzajami źródeł światła widzialnego: ogrzane ciała stałe o ciągłym widmie promieniowania (np. świeca, żarówka lub Słońce) oraz te, w których promieniowanie jest emitowane dzięki pobudzaniu atomów, cząsteczek lub pojedynczych elektronów. Skupmy się na tym pierwszym przypadku – powszechnie wiadomo, że ciała rozgrzane do odpowiednio wysokiej temperatury zaczynają świecić. Oczywiście większość z nich nie tylko emituje widzialne promieniowanie po ogrzaniu, ale też odbija światło padające i deformuje przechodzące (np. rozszczepiając je, bądź pochłaniając część widma). Z tego też powodu do opisania właściwości światła rozgrzanych substancji używa się pojęcia ciała doskonale czarnego, czyli takiego, które pochłania całe padające promieniowanie, nie przepuszczając go ani nie odbijając. W przyrodzie oczywiście trudno o podobną substancję, jednak uznaje się, że właściwości zbliżone do ciała doskonale czarnego mają np. sadza oraz... Słońce (jest to przy okazji dowód, że ciało doskonale czarne wcale nie musi być czarne).

Właściwości emitowanego w ten sposób światła nie zależą od rodzaju źródła, a wyłącznie od jego temperatury (a dokładnie do różnicy pomiędzy jego temperaturą a temperaturą otoczenia). I co najważniejsze, można je opisać matematycznym równaniem, jest więc w pełni przewidywalne. Co ciekawe, charakterystyka widma klasycznej żarówki jest stała, niezależnie od mocy (zarówno żarówka 20W, jak i 100W ma tę samą temperaturę barwową). Również źródła światła nieciągłego takie, jak lampy jarzeniowe można – choć ich zasada działania nie ma nic wspólnego z podgrzewaniem ich do wysokiej temperatury – z pewnym przybliżeniem opisać wartością wyrażoną w kelwinach lub miredach. W takich wypadkach przyjmuje się, że temperatura barwowa takiej lampy jest taka, jak światła cieplnego o najbardziej zbliżonej barwie.

Na poniższej prezentacji można sprawdzić, jak zmienia się krzywa rozkładu natężenia promieniowania w zależności od temperatury barwowej światła. Aby się o tym przekonać, należy najechać wskaźnikiem myszki na przyciski pod zdjęciem.

Warto zwrócić uwagę na nieregularność widma światła lampy fluorescencyjnej – widoczne na wykresie wybijające się punkty (tzw. piki) są charakterystyczne dla lamp działających na zasadzie emisji promieniowania przez wzbudzane cząstki elementarne. Tak silna emisja monochromatyczna jest główną przyczyną problemów, jakie z tego typu oświetleniem mają fotograficy. Pracując w takich warunkach najlepiej jest się zaopatrzyć w odpowiednie filtry odcinające nadmierne promieniowanie.

Tak więc chociaż temperatura barwowa jest wielkością abstrakcyjną, to można ją wykorzystywać do opisywania rzeczywistych źródeł światła. Największą jej zaletą jest fakt, że wyrażają ją liczby, dzięki czemu można się do niej odnosić precyzyjnie. W fotografii barwnej, a zwłaszcza reprodukcyjnej, ma to bardzo duże znaczenie.

Dlaczego ciepłe jest chłodne, a chłodne jest ciepłe?
Na zakończenie tego artykułu chciałem wspomnieć o pewnej ciekawostce, która może nie ma wiele wspólnego z fotografią ani fizyką światła, ale jej wyjaśnienie wydaje mi się na miejscu. Zagadnienie temperatury barwowej światła zapewne u wielu z Was wywołało pewną konsternację: dlaczego światło potocznie określane jako ciepłe ma niską temperaturę barwową, a to, które uważamy za zimne – wysoką?

Jak w wielu innych podobnych przypadkach winne są temu obserwacje, jakie poczynili nasi odlegli przodkowie i wnioski, jakie z tych obserwacji wyciągnęli. Przez tysiące lat, jedynym źródłem ciepła, do jakiego człowiek mógł się zbliżyć (a później wrócić żywy, aby o tym opowiedzieć) był płomień ogniska. Był on ciepły, a po zbytnim zbliżeniu parzył. Z drugiej strony żywiołem przeciwnym dla ognia była woda – była chłodna i miała niebieskawy kolor, również w postaci stałej, czyli lodu. Doprowadziło to do powstania prostej analogii: kolory ciepłe to czerwień, żółć i im podobne, natomiast kolory chłodne to błękit, zieleń i fiolet.

Oczywiście nasi przodkowie-obserwatorzy nie mogli wiedzieć, że barwa wody nie ma nic wspólnego z jej temperaturą i że palące się drewno jest w gruncie rzeczy najchłodniejszym z możliwych przykładem ciała świecącego się pod jego rozgrzaniu. I choć już dzisiaj wiemy, że ciała rozgrzane do naprawdę wysokich temperatur emitują niebieskawe światło, to stary podział na barwy ciepłe i chłodne pozostał – co z kolei ma niebagatelne znaczenie dla odbioru naszych barwnych zdjęć przez oglądających je ludzi. Jednak zagadnienie roli koloru w percepcji fotografii to już temat na osobny artykuł.