亮度色階分佈圖 Histogram

May 11, 2010

現在越來越多的數位相機都有內建顯示 histogram 亮度分佈圖（也譯做直方圖）的功能。有時在大太陽底下看不清楚 LCD 的顯示，叫出 histogram，至少可以知道瞄到曝光大致上是否正確。在用影像處理軟體後製照片的時候，調整明暗，histogram 也大概算是一項基本的功課了。像是 Adobe Lightroom，亮度的調整就直接在 histogram 上拖拉，用久也變成了種直覺。

所以 histogram 最簡單也最重要的功能，就是判斷照片的亮度、曝光是否合適，被稱為二十一世紀的測光表也不算誇張。

Histogram 在一般的統計用途上是個統計數量的圖表，在數位攝影裡，就是統計相片中某一個亮度或色階的畫素數量。例如這張灌籃高手照片，把滑鼠移到照片上方便可以看見他的亮度 histogram 分佈圖。Histogram 的橫軸由左到右代表著畫素的由暗到亮，縱軸則是統計數量。照片下方 1/5 蠻大一片的反射著陽光，明亮的操場地板，扣掉人物的腳，大概佔了整個畫面畫素的 1/10 左右，對應在 histogram 上便是那最右邊的梯形；畫面正中間的綠色小洋裝，相較之下，大概佔了畫面的 1/10 再少一點，中間調性的亮度，從 histogram 上看差不多是左邊 30% 的那塊小丘。另外在 histogram 最最右邊最亮的地方有根小小的凸起，那是畫面左邊籃球上的耀光，小小一瞇，但幾乎就是全白了。

一下就跳進照片可能有點難懂，換張簡單一點的來看：下面這張就只有三塊灰色，很清楚地分佔著亮度 histogram 的三個位置。橫軸由暗到亮，縱軸統計數量。Histogram 裡每個區塊的面積，也就對應著該亮度在畫面上的面積大小。畫面中間偏右的細長條，調性比較一致，漸層變化沒有另外兩塊多，在橫軸上也就佔了比較窄的範圍。

大致瞭解了亮度 histogram 的意義後，回到前面的灌籃高手照片，試著改變照片的亮度和對比，看看對 histogram 有什麼影響：

原圖同上

增加亮度，照片上每個畫素都變亮了一些，histogram 往橫軸右邊（亮部）偏移。最右邊原本高度不到一半，代表著地板的那塊梯形，現在被壓縮成尖峰，表示調亮後用來描述地板的範圍變小了，有些細節也就被犧牲掉。

減低亮度，往左邊（暗部）偏移。右邊地板的梯形也就被展開來，畫面裡的地板也看得出更多的層次。相對的，小洋裝的範圍就被壓縮了，一整片綠色，衣服的皺摺起伏沒那麼明顯，看起來就比較呆板單調了些。

Histogram 太往左邊壓縮，右邊有五分之一的部份幾乎沒有了訊號，整張照片只用了 4/5 的動態範圍（dynamic range，感光元件能夠記錄最亮到最暗的範圍），是浪費了記錄的空間了。

另外注意到 histogram 最最右邊還是有個小點，如前所說，那是籃球上的耀光。即使我們已經把其他的訊號都往左邊推了那麼多，這個訊號還是屹立不搖。這是因為當初在拍攝的時候，這個部分的曝光，以白話來說，已經爆了。在這塊小小的純白色裡，已經沒有任何細節資訊可以用來計算如何調整；並不會像地板的資訊一樣，可以讓我們展開或壓縮。這是拍照時最好能夠避免的地方，現在很多數位相機在拍完即時顯示時，都有提供過曝警告（highlight clipping warning），會以紅色閃爍叫人注意照片中爆表的部份，因為再強的後製也無從救起。

增加對比，往兩邊擴張，亮的越亮，暗的越暗。

減低對比，往中間收縮。除了這兩種基本的調整外，我們也可以利用曲線，針對某一個亮度做分區調整，不過那又是另外一篇文章了。

Histogram 作為照片調整的工具基準，對於瞭解照片裡各個亮度分區乃至於細節處理，都有很大的幫助，是數位暗房不可或缺的基本工。

說到這裡都是以亮度 histogram 來討論，接下來簡單介紹一下色階 histogram 分佈圖，也就是把照片每個畫素的顏色，拆成紅綠藍 RGB 三個成分，各以一個 histogram 來表示。這裡 histogram 的橫軸，就不是亮度了，而是色彩的強度，也就是色階。現在每個顏色最少都有 8 bit 來記錄（比較高級的 16 bit），各有二的八次方 = 256 種層次。

R = 00 … FF (255)
G = 00 … FF
B = 00 … FF

如果 FF 看不順眼，就想成 255 或是 100% 也可以。當 RGB 以等量混合的時候，就是黑白灰色，也是有 256 個層次。

Black = 00 00 00
White = FF FF FF

同理三種純色便是這樣表示：

R = FF 00 00
G = 00 FF 00
B = 00 00 FF

下圖改用三種純色來討論色階 histogram：可以馬上注意到的是，藍色長條的亮度其實沒有很高，但在 histogram 裡卻也是中上的位置。因為現在橫軸是色彩強度，中上的位置表示他「很藍」，跟之前灰階 histogram 的解讀有所不同。