Format RAW a inne formaty cyfrowego zapisu obrazu (Część 1 teoria)

Format RAW a inne formaty cyfrowego zapisu obrazu (Część 2 praktyka)

RAW - na początek słowo wyjaśnienia

Format zapisu danych to sposób zakodowania danych w relacji do odczytującego je oprogramowania. Kiedy włączamy w naszych aparatach cyfrowych tryb RAW, aparat nie zapisuje fotografii w postaci danych o zdefiniowanym formacie. Mało tego, nie jest zapisywany nawet obraz. Zapisywane są jedynie informacje o sile światła padającego na poszczególne elementy światłoczułe matrycy (piksele). Inaczej mówiąc, aparat zapamiętuje na karcie pamięci informacje o warunkach ekspozycji dla poszczególnych komórek światłoczułych matrycy. Co może dziwić, wśród tych danych nie ma jakiegokolwiek opisu koloru sfotografowanej sceny. Zatem zapisując zdjęcie w trybie RAW, otrzymamy surowy (ang. raw) przekaz danych z matrycy, w który możemy ingerować z niewspółmiernie dużą, w porównaniu z innymi formatami zapisu, swobodą.

Fotografowanie w trybie RAW gwarantuje najwyższą jakość obrazów, pochodzących z określonego rodzaju matrycy. Zaznaczam, że obserwując podgląd obrazu na monitorze aparatu (nawet niezwykle dokładnych, o rozdzielczości HD), nie zauważymy żadnej różnicy pomiędzy zdjęciem zapisanym jako RAW czy chociażby jako jpg. Dzieje się tak dlatego, że oprogramowanie aparatu generuje podgląd obrazu na podstawie zapisanych, uogólnionych algorytmów jasności i informacji o kolorze.

Z formatem RAW jest ściśle połączona idea "ciemni cyfrowej". Surowe dane z matrycy traktujemy bowiem jak odpowiednik zapisu negatywowego, któremu musimy dopiero nadać odpowiednią, zrozumiałą dla oprogramowania graficznego, formę, czyli musimy je wywołać w konwerterze plików RAW. Najprostsze konwertery są zwykle dostarczane przez producentów aparatów wraz ze sprzętem fotograficznym. Na rynku obecne są też profesjonalne programy i pluginy do programów, konwertujące zapisy RAW. Są to m.in Camera Raw i samodzielny program Capture One firmy Phase One.

Interfejs wtyczki Camera Raw w Adobe PS CS4

Interfejs programu Capture One

RAW a TIFF

Format TIFF jest bezstratnym formatem zapisu plików bitmapowych, aczkolwiek w odróżnieniu od formatu RAW, mimo swojej bezstratności, format TIFF zawiera już sformatowane informacje o kolorze, balansie bieli i innych warunkach fotografowanej sceny. W porównaniu z plikiem RAW jest to więc plik o mniejszych możliwościach edycyjnych. W sensie logicznym format RAW porównałbym do biblioteki formatów TIFF, różniących się między sobą parametrami koloru, nasycenia, balansu bieli, ostrości i innymi podstawowymi cechami ekspozycji fotograficznej. Byłoby to zatem wiele plików, podczas gdy format RAW wystarcza do przeniesienia tych samych możliwości (i zarchiwizowania) jako jeden, znacznie mniejszy objętościowo, plik.

RAW a JPEG

Przy porównywaniu formatów JPEG i RAW po pierwsze należy zwrócić uwagę na ideę działania pliku RAW. Po zapisaniu zdjęcia w trybie RAW tego zdjęcia de facto jeszcze nie mamy. Przykładowo dla zawodowych fotoreporterów stanowi to wielkie ograniczenie, ponieważ w ich pracy liczy się czas. Informacja prasowa żyje niekiedy bardzo krótko i fotoreporterzy zwykle nie mają czasu na obróbkę plików RAW. W takich sytuacjach reporterzy wykorzystują wyłącznie skompresowany format JPEG. Niektórzy kompromisowo zapisują zdjęcia przy zastosowaniu trybu łączonego – RAW+JPEG. Niestety, ilość danych, zapisywanych na karcie pamięci w takim trybie pracy jest znacznie większa, a zatem znów pojawia się stricte logistyczny problem zorganizowania wolnej przestrzeni na karcie pamięci. To są najważniejsze przyczyny, dla których zawodowi fotografowie decydują się na używanie plików JPEG. Trzeba zaznaczyć, że format JPEG nie oznacza kompletnej straty jakości fotografii. W wielu wypadkach, plik JPEG, pochodzący z profesjonalnej lustrzanki cyfrowej, jest całkowicie wystarczającym (po drobnym retuszu) materiałem do druku, nawet w dużym formacie.
Przyjrzyjmy się jednak bardziej technicznej stronie różnic między formatem RAW i JPEG. Początki formatu JPEG sięgają 1983 r. w organizacji ISO. Trzy lata później zdecydowano o powołaniu Joint Photographic Experts Group (Połączona Grupa Ekspertów Fotograficznych – JPEG). W 1991 r. był już gotowy standard kompresji stratnej, na której bazować miał format JPEG (ISO/IEC IS 10918-1|ITU-T Recommendation T.81). Założono, że mechanizm kompresji stratnej będzie działał w dwóch podstawowych trybach: trybie progresywnym i hierarchicznym.

Tryb progresywny został przewidziany do użycia podczas transmisji danych. W czasach dominacji łącz modemowych był znacznie bardziej rozpoznawalny. Zdjęcia w formacie JPEG ładowały się w charakterystyczny sposób – od nieostrego kadru aż do rozpoznawalnej, dobrej jakości finalnej, załadowanej klatki. Dzisiaj, ze względu na szybkość transmisji danych, nawet gdy stosuje się metodę progresywną, to po prostu nie jesteśmy w stanie jej dostrzec.
Tryb hierarchiczny pozwala na zapisanie w jednym pliku szeregu obrazów tego samego kadru, jednak z tą różnicą, że każdy następny zapisany kadr jest wyższej rozdzielczości. Warto zaznaczyć, że kadry o wyższej rozdzielczości nie są samodzielnymi kadrami, ale zapisem wyłącznie różnicy jakości w stosunku do kadru poprzedzającego o niższej rozdzielczości. Ten sposób pozwala na znaczne zmniejszenie rozmiaru pliku, a także umożliwia szybki podgląd obrazu bez angażowania mocy obliczeniowej sprzętu komputerowego.

Straty podczas kompresji

Co to jest kompresja stratna?

Najprościej mówiąc, kompresja stratna jest zmniejszeniem rozmiaru wyjściowego pliku w połączeniu z bezpowrotną utratą danych, najczęściej zawierających informacje o półtonach kolorystycznych. Najpierw obraz w przestrzeni RGB konwertowany jest na przestrzeń LAB. Polega to na tym, że z kanału czerwonego i niebieskiego tworzy się jeden kanał luminacji i 2 chrominancji. Wynika to z tego, że oko ludzkie jest mniej czułe na zmiany bezwzględnych wartości kolorów, a bardziej dostrzega zmiany jasności i relacji między kolorami. Kolejnym etapem jest odrzucenie części pikseli kanałów chrominancji. Następnie algorytm kompresji dzieli obraz na bloki o rozmiarze 8x8 pikseli i na każdym takim bloku wykonuje tzw. Dyskretną Transformację Kosinusową (DCT). Wartość składających się na blok pikseli jest uśredniana do wartości całego bloku. Dodatkowo wprowadzany jest parametr, opisujący częstotliwość zmian wewnątrz bloku pikseli. Na tym etapie opis pikseli bloków i częstotliwości zmian jest wyrażony liczbami zmiennoprzecinkowymi. Kolejny etap nazywany jest kwantyzacją i z liczb zmiennoprzecinkowych tworzone są liczby całkowite. To tu następuje największa strata danych obrazu. Na koniec stosuje sie dodatkowo inny rodzaj kompresji danych, powstały jeszcze w latach 50. – tzw. kodowanie Huffmana dla wszystkich współczynników niezerowych.

Drzewo algorytmu Huffmana

Przykład zmian wartości pikseli po zastosowaniu Dyskretnej Transformacji Kosinusowej (DCT)

Jak widać – nawet od matematycznej strony – ilość procesów, które zachodzą w formacie JPEG jest nieporównywalnie większa niż w formacie RAW, który jest zwykłym ciągiem binarnym, jeszcze bez nadanego języka odczytu. Poza tym JPEG dysponuje 8-bitowym kodowaniem koloru na piksel, co daje 256 odcieni na kanał koloru, podczas gdy format RAW obecnie dysponuje przynajmniej 12 bitami, co daje 4096 odcieni na kanał. Wyższa jakość formatu RAW wynika także ze sposobu obróbki. Surowe dane RAW, pochodzące wprost z matrycy, są obrabiane przez specjalnie dobrane algorytmy w profesjonalnym oprogramowaniu, a nie przez niezbyt potężny obliczeniowo procesor aparatu cyfrowego. Obraz z tych danych powstaje jakby wtórnie wobec całego szeregu modyfikacji, o których wprowadzeniu decydujemy na etapie wywoływania pliku RAW.

Dwa wycinki przedstawiające strukturę pikseli. Po lewej wycinek z obrazu zapisanego w formacie JPEG - wyraźnie widać artefakty pikselowe. Po prawej stronie, przy tym samym powiększeniu, w formacie RAW dostrzeżemy jedynie płynne ułożenie siatki pikseli.

Po lewej stronie wycinek fotografii zapisanej w formacie JPEG - wyraźnie widać bloki kompresji 8x8 piksela. Po prawej stronie ten sam fragment zdjęcia zapisany w formacie RAW - nie dostrzegamy żadnych artefaktów.

Wybór między formatami RAW i JPEG

Nie twierdzę, że format JPEG nie ma zalet, z których bez wątpienia największą jest mały rozmiar. Do wielu profesjonalnych zastosowań format JPEG także jest przydatny – mam na myśli np. prasę. W prasie codziennej, częściowo również z powodu niezbyt dobrej jakości papieru, nie kładzie się największego nacisku na wysoką jakość zdjęć. Na papierze gazetowym, a nawet lepszym, na którym drukowane są tygodniki, różnica między JPEG-iem i RAW-em w ogóle nie będzie zauważalna. Nie ma więc sensu obciążać wielkimi, nieskompresowanymi plikami komputerów używanych do składu gazet czy czasopism.

Inaczej rzecz ma się z materiałem zdjęciowym, który chcemy zarchiwizować. Materiał taki powinien być jak najlepszej jakości, względnie powinien umożliwić, po obróbce, osiągnięcie maksymalnie wysokiej jakości. Tę możliwość dają albo ogromne pliki TIFF, PSD i PSB, albo, stosunkowo na ich tle niewielkie rozmiarowo, pliki RAW.
Dla celów komercyjnych, sesji zdjęciowych, zaawansowanych edycji graficznych czy też zdjęć przeznaczonych do druku w większym formacie, powinniśmy stosować wyłącznie pliki RAW jako podstawę do wszelkich późniejszych modyfikacji. Tylko format RAW da nam najszersze możliwości edycyjne i zapewni ten poziom jakości, którego nie osiągnęlibyśmy nawet pracując z formatem TIFF.

Jak widać, zawsze powinno obowiązywać podejście zdroworozsądkowe, a więc wpierw uświadamiamy sobie cel (np. przeznaczenie fotografii), a później dobieramy środki, by go zrealizować. Nie zawsze podejście maksymalistyczne jest właściwe. Niekiedy działa na niekorzyść oceny naszej pracy i profesjonalizmu działania jako fotografów.

Tabele

 Tabela 1. Oznaczenia rozszerzeń plików RAW różnych producentów

 Tabela 2. Wybrane oprogramowanie do odczytu i edycji formatu RAW

Format RAW a inne formaty cyfrowego zapisu obrazu (Część 2 praktyka)