由數位分區系統談數位攝影之發展 2-2

(五)、數位分區系統的軟體

數位分區系統軟體，大都是參照安塞．亞當斯所發展的分區系統之概念，所延伸或創發的系統或軟體程式。目前數位分區系統軟體，主要有OZONE、LightZone和LOBSTER Zone System等。這些軟體都具有不同數量的分區方法，也都能預視各分區的色調範圍。有些能對分區採取色調的擴張與壓縮，有些則能合併數區來處理，有些則能轉換為特定的色階，可謂各擅其長。茲簡述如下：

1、OZONE

OZONE是DIGITAL FILMTOOLS公司所發行的軟體，原為獨立的Photoshop外掛濾鏡，現附屬於該公司DFT濾鏡之內。此軟體使用專用的影像切片算法(image slicing algorithms)，將影像分成11個分區。由黑色到白色，每分區比前一分區有兩倍的亮度。每個分區都可預覽，並單獨做亮度、反差、中間調、以及紅、綠和藍色的調整。同時可以合併、擴張與壓縮區域的範圍，是個老牌的數位分區系統。其官方網站為：www.digitalfilmtools.com

2、LightZone

LightZone主要用於特定的攝影家及RAW檔案格式的編輯。此軟體將影像分成16個分區，各自相差50%的亮度或者半級光圈。當游標在一個分區時，相對應的地區會以16位元的亮度來顯示。因為使用類似圖層的影像編輯工具，所以整個分區處理過程是無破壞性的，顏色及色調處理也是在16位元線性色彩空間裡工作。您可以擴張分區或壓縮分區、限制或羽化分區。同時擁有其他許多一般影像處理軟體的工具，也可以處理RAW檔，可說是一個獨立的影像處理軟體。   

3、LOBSTER Zone System

LOBSTER Zone System (龍蝦分區系統)使用於麥金塔系統。此軟體開發者認為，一般數位分區系統，是基於彩色檔案的明度所劃分的分區，其分區所在位置的數值其實與傳統類比的分區系統，數值是不相同的。

所以，如果我們要分配分區值到RGB檔案，讀取明度值(Luminosity)是必要的第一步。因此Lobster藉由基於人類視覺的明度(Luminosity)層，來製作類似真正的傳統分區系統的設定。除了使用黑白檔案也藉由將RGB 檔案轉換為Lobster專屬檔案，使分區系統可以準確延伸到彩色RGB檔案。在明度層的曲線上每個控制點的調整，都遵循明確的分區邊界，因此藉由明度層的調整，可以得到類似傳統分區系統的效果。

其官方網站為：http://thelobsterzone.com/

(六)、檔案格式的發展

1、RAW原生檔案

RAW原生檔案，擁有未經改變的數據，在後續處理具有更靈活的形式和掌控，是獲取高品質影像極佳的檔案格式，因此在數位攝影上使用相當普遍。不過，目前RAW原生檔案並沒有標準的檔案規格，所以各廠商皆使用其自訂的格式及附屬檔名，如Canon的RAW檔為.CR2、Nikon為.NEF、SONY為.ARW等。因此，RAW檔需要使用原廠所提供的專屬軟體或能處理RAW檔的影像處理軟體，才能讀取及處理。不同的廠商，其RAW檔及軟體無法共用相容，對於需處理兩種以上、或不同廠牌的美工或攝影家，事實上造成極大的困擾。萬一廠商關門大吉或結束數位影像事業，其專屬的RAW檔可能成為孤兒。所以使用這些相機製造商專屬的RAW檔作長遠保存，是有風險的。

知名的影像處理軟體公司Adobe於2003年2月推出Camera Raw，並內含在Photoshop CS以後的版本，來支援及讀取各家的Raw檔，可謂用心良苦。但對於不斷新出的數位相機，還是必須不斷的更新Camera Raw程式碼，才能讀取新機種的Raw檔。

Adobe公司又於2004年9月的Photokina，推出一種新的檔案格式：DNG(Digital Negative Specification數位負片格式)，想藉此統一數位相機RAW檔各自爲政的局面。目前已經有許多軟體製造商研發並支援 DNG，也有幾款專業數位相機支援直接記錄DNG檔。

Adobe公司也提供DNG格式轉換器軟體(Adobe DNG Convert)，支援上百種的RAW檔格式轉換為DNG格式。於此，可見Adobe公司的企圖心。
    無論如何，DNG開放的格式，提供不受淘汰的保障，讓您更有信心的保存原生檔案。同時採用單一檔案格式作處理，可在處理多種不同機型和製造商所產生的原生檔案時，建立更有效率的工作流程。一但這種格式逐漸被軟硬體和相機製造廠商所支援及採用，則目前諸多因不相容所產生的障礙，當產生變化。

2、壓縮的檔案格式

　  JPEG是一種建立得相當良好的標準，其優良的品質被廣泛使用於數位攝影，且長久以來得到很多軟體的支援，因此到目前為止還持續被大量使用。不過，jpg是在8x8圖元的小塊上採用離散餘弦變換(（Discrete Cosine Transform）方式編碼，是屬於有損失的壓縮，因此壓縮比一高就會出現色斑。

對此，很早就有改良的壓縮檔案格式出現，如JPG2000檔案格式，採用了離散小波轉換（discrete wavelets transform）的演算方式編碼，擁有更多的位元數(12位元和14位元)及動態範圍，同時支援有損失及無損失的壓縮選擇，比傳統JPG有更高的壓縮率，而又有更高的影像品質，JPG2000原來有意取代JPG標準，只是JPG2000須有較高的電腦運算，且目前支援他的軟體不多。一般的瀏覽工具或網路瀏覽器如IE也不支援，因此不能作爲網頁插圖的格式。

今年(2006年)5月微軟(Microsoft)在西雅圖召開的「WinHEC 2006」會議上，發表了針對數位影像的Windows Media Photo(WMP)檔案格式。這個新格式將使用在即將發表的 Windows Vista全新的作業系統以及升級版的WinXP上。

WMP和JPEG一樣都是使用離散餘弦變換為基礎的壓縮格式，不過WMP還進行了離散小波變換，所以能有類似JPEG2000同樣的壓縮能力。

這個新影像格式的特徵︰

(1)、具有多種色彩格式，可支援多種適用於顯示與印刷的色域。除了支援比sRGB更廣闊的scRGB色域外，更可以同時存在多種不同的位元數，如8bit，16bit，32bit，讓人可依影像使用情況，輸出於不同色域。scRGB是全新的超廣色域規格，與RAW檔一樣都能儲存最多的影像色彩資訊，將感光元件所捕捉到的全部亮度資訊都儲存下來。

(2)、擁有高動態範圍的圖像編碼。可以特別針對亮度資訊作儲存，有了高動態範圍的訊息，使用者可以對以scRGB儲存的數據進行更多的曝光、色彩調整、後製工作，而不用擔心損害原始檔案的訊息。

(3)、可做無損失的或者高品質的有損失的壓縮。壓縮效率為既有的JPG的2倍。

(4)、有效率的解譯多個解析度和附屬地區。它能夠很智慧的，只處理一幅大圖中的局部，並顯示這部分。在做旋轉圖片時，不必對其進行解碼再編碼，而確保影像品質。(註14)

　　未來，此檔案格式若能得到軟、硬體及數位相機廠商更多的支援。有可能影響到JPEG，以及目前尚未統一的RAW檔案格式之存在。
參、研究過程與驗證

本研究透過文獻資料收集，針對國內外有關分區系統的研究、著述、論文、軟體、網路資源，不論傳統與數位，進行整理與分析。其中有關數位分區系統，是本研究的主軸，因此，對於相關軟體，皆經實際應用及測試，以進一步瞭解其架構及精神，進而瞭解其趨勢。對於部分於文獻探討中的資料，有關曝光、動態範圍、及分區界定，覺得有必要做進一步驗證者，將於此經由測試、分析，作出結論。由於數位分區系統，會隨著科技或軟、硬體的發展而邁進蛻變，因此無法定型。但就個人從事數位影像處理研究多年經驗，及目前軟體的成熟度，於此試著應用Photoshop基本的功能，來建立一個大家都可使用的數位分區系統。

一、相機LCD所顯示的色階分佈圖誤差測試

前述若以RAW檔案格式拍攝，以相機的來判斷曝光的正確性時，常顯示亮部已過度，但實際上並沒有的現象。

測試：

使用Nikon D2X以RAW (RAW + JPEG)檔案格式拍攝Macbeth ColorChecker色板，依正常曝光拍攝外，每增減1/3級光圈，各拍一張。同時以另一台相機，紀錄每次LCD所顯示的色階分佈圖。總體測試，曝光過度及不足各兩級，拍攝完，檢視有效樣本，得到如下的測試結論。

A組為正常曝光，色階分佈圖明顯偏左。

B組為曝光過度一級，色階分佈圖快接觸到邊緣。不論RAW或JPG檔，色調表現正常。

C組為曝光過度1+1/3級，色階分佈圖已接觸到白點的邊緣。不論RAW或JPG檔，色調表現正常。

圖一、相機LCD所顯示的色階分佈圖之誤差

D組為曝光過度2級。不論RAW或JPG檔，色調表現正常。測量Macbeth ColorChecker色板的白色RGB值為152，表示未曝光過度。              

E組為曝光過度2+2/3級。不論RAW或JPG檔，測量Macbeth ColorChecker色板的白色RGB值已至255，其他色調表現正常。

F組為曝光不足5+1/3級。未經處理的RAW檔深暗，但轉成JPG檔後，色調可調至正常，只是整體有大量雜訊。

圖二、Nikon D2X動態範圍的測試

結論：經由測試，可見Nikon D2X若以RAW檔拍攝，曝光過度兩級仍可得到正常色調，過度到2又2/3級還可接受。曝光不足3級仍可得到正常色調，5+1/3級還可接受。以RAW檔拍攝時，LCD所見的曝光過度與不足之色階分布圖，不能以一般常識做判斷，而應以測試結果作為曝光依據。

二、雜訊測試

如前所述，向右曝光可以最大化信噪比，減弱暗部因色調分離所引起的不平滑，以及可能存在的雜訊。據此，作如下的測試：

使用Nikon D2X，以RAW檔案格式，依測光錶正常曝光拍攝一張，再曝光不足1.5級拍攝一張。取紅框中景物的局部，放大觀察比較曝光正常(A)圖，與曝光不足(B)圖。可見曝光不足的影像，調亮後有明顯的雜訊。證明向右曝光理論確實有其優點。

圖三、曝光正常與不足的雜訊比較

三、數位分區的制定

(一)、色調的區分

想要把分區系統引入數位攝影，需要擬定一種測量分區的方法。

目前影像處理軟體大都以8位元來顯示及處理色階及曲線，故其RGB值從0到255，共區分為256種色調。從0(黑色)到255(白色)若區分為11個分區，則每個分區平均有23級，中間值為128。但依據分區系統理論，兩個分區之間是呈倍數的關係，而非等差的關係，所以實際各分區對應的數值，如圖四(註15)

表五 11分區的數位分區系統各分區所對應的色調值

 圖四

就像傳統的分區系統一樣，每個人可以使用自己的數位相機，經由測試，得出自己相機的分區數據。而因為不同的數位相機其感光元件存在差異性，所以每個人對各分區所測得的數據，也會有差異。

我以Nikon D2X相機，針對灰卡，由V區開始，分別作過度5級和不足5級的曝光。再載入於Photoshop紀錄色階分佈圖的中間值。而得到如下的分區數據。

圖五、Nikon D2X的分區數值

(二)、Photoshop的分區對應

以Photoshop要制定分區有幾種分法，一是利用色階和曲線，作分區的對應，這是較簡易的方法。另一種是使用動作(Action)及指令碼(Scripts)製作，前者若熟悉軟體操作，並不難製作。後者類似寫程式，就非一般人所能。

1、色階的分區

於色階對話框，輸入特定分區的數值，可得到如圖六的控制點。

圖六、色階對話框內，輸入分區數值，可設定分區點(如下方箭頭所指)

將各控制點，以影像合成方式，結合在同一色階圖上，便可得出各分區在色階指令上的對應點，如圖七。

圖七、色階對話框內，各分區的對應點

2、曲線的分區

在曲線對話框內，將曲線的分區設為10個分區時，便可對應分區系統的11個分區。各分區的交界處，即紅色點的位置。其對應如圖八。

圖八、曲線對話內的分區對應點。

3、數位分區系統的動作(ACTION)

    Photoshop中的動作(ACTION)，是指可以在單一檔案或批次處理檔案中播放的一連串指令。如下，是我使用動作所製作的11分區，圖八左邊為動作的局部指令，右邊為執行後，於色版處產生11個分離的色版，即11個分區。使用時，可載入為圖層遮色片，作為特定分區的色調控制。

圖九、數位分區系統的動作指令

4、指令碼(Script)製作的數位分區系統

Photoshop支援透過指令碼進行自動處理的功能。 在Windows中，您可以使用任何支援COM自動處理的指令碼語言，例如Visual Basic。在Mac OS 中，您可以使用可以傳送Apple事件的任何語言，例如AppleScript。您也可以在Windows或Mac OS任何平台上使用JavaScript。如下為使用JavaScript所編寫的分區系統指令

例如：

try{var X4S9=i_q$3();X4S9.Gx7U=app.documents.length;X4S9.B21q=app.displayDialogs;X4S9.$Ln=app.preferences.rulerUnits;X4S9.w1K=app.preferences.typeUnits;app.preferences.rulerUnits=Units.PIXELS;app.preferences.typeUnits=TypeUnits.PIXELS;app.displayDialogs=DialogModes.NO;try{FgSS(X4S9);if(X4S9.bAi4==true){uw24P(X4S9);if(X4S9._0Ly=="create"){P9144(X4S9);};if(X4S9._0Ly=="load"){c59(X4S9);};}else{alert(X4S9.………(註16)

四、數位階調的壓縮與擴張

(一)、色階的壓縮與擴張

當我們在Photoshop使用色階指令調整影像亮暗時，色階都會經過壓縮和擴張。如圖九，中間控制點往右移時，原來由白點到中間調的色階會被濃縮；到輸出色階時，便必須擴大色階範圍才能對應到下方輸出的中間點，以致於可能產生階調分離的跳階現象。

圖十、色階調整時的階調壓縮與擴張。

    對於8位元的檔案，過度的壓縮和擴張一定會損失色階，產生階調的分離或跳階，進而影響品質。若使用16位元模式來處理，則經過多次壓縮和擴張後，階調通常都能保持完整。這也就是為何數位攝影時代，16位元影像會逐漸被重視的原因之一。圖十顯示在8位元與16位元下，壓縮和擴張的差異。

圖十一、8位元與16位元的壓縮與擴張

(二)、曲線的壓縮與擴張

四分割的曲線圖，對角線的第一分割區，代表影像的的亮部(Highlight)，中間兩個分區為中間調(Midtone)，而下方第四個分割區則代表影像的暗部(Shadow)。這三個分區的交接點(192，192)和(64，64)，便是控制這三個分區壓縮與擴張的控制點，我們可以經由調整這兩個控制點的位置，來達到影像壓縮與擴張的目的。(圖十一、十二)

圖十二、亮部、中間調、暗部所對應的曲線範圍。

圖十三、藉由調整控制點，便可控制三個分區的壓縮與擴張。

肆、結論

數位攝影時代，數位相機取代了傳統相機，影像處理軟體取代了傳統暗房。不像傳統暗房，數位軟體在科技的推波助瀾下，功能日新月異，更新及演進更是一日千里。相對的，也使數位攝影的發展突飛猛進。因此數位攝影的發展可由軟體與硬體兩方面來觀察。

就軟體而言，如前所述，整體檔案格式的改進， RAW檔的格式統一，更富彈性的檔案格式之創發，高動態範圍、高位元數的檔案處理，都是當務之急。在操作介面上：傾向於自動化、模組化、讓使用者有更多自訂軟體介面的功能。配合數位攝影，更多藉由軟體作硬體校正的功能，如校正鏡頭變形、色差、色滲、暗角、去雜訊等也陸續出現；再者，配合日益增多的影像檔，影像資料庫、檔案瀏覽、管理、檢索等軟體的研發也蓄勢待發。

硬體方面，數位相機將朝向專業與普及兩途發展。高品質的鏡頭、高解析度的感光元件、高動態範圍、高精度的類比/數位轉換器，以及高信噪比的線性CCD，當這些高品質的光學及光電元件組合在一起後，今日數位攝影所發生的種種問題，終將一一被克服及突破，而傳統攝影勢必成為明日黃花。

註 釋

1.  Ansel Adams(1986)，The Negative，New York，New York Graphic Society Books，Xiii

2. 宋偉航譯(1999)安瑟‧亞當斯著，光與影的一生－安瑟‧亞當斯回憶錄，台北，允晨文化

3. 蔣載榮(1997)，進階黑白攝影，台北，雄獅圖書股份有限公司，P135

4. 同註1，pp52-60

5. Bill Freeman & Fredo Durand，Dynamic Range and Contrast，MIT _ HDR_6.PDF

  http://groups.csail.mit.edu/graphics/classes/CompPhoto06/html/

6. 同註3

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12. Bruce Fraser( 2004)，Raw Capture, Linear Gamma and Exposure，http://www.Adobe.com

13. Michael Reichmann( 2003)，Expose to the Right，http://www.luminous-landscape.com/tutorials/expose-right.shtml

14. Microsoft(2006) Windows Media Photo， http://www.microsoft.com/windows/windowsmedia/forpros/wmphoto/default.aspx

15. Thomas Zuber(2005)，TZ-ToneSelection.js，http:// ZuberPhotographics.com

   陳賢錫譯(2005)，John Paul Caponigro著，Photoshop數位相片專業設計講堂，台北，旗標出版 p.69

16. 同註15

參考文獻

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蔣載榮 (1997)，高品質黑白攝影的技法，台北，雄獅圖書股份有限公司

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http://www.greyfantasy.org/greybb3/viewtopic.php?t=621&highlight=  (中文網站)