Examensarbete
Kandidatexamen
En metodutveckling för att finna normativ vitbalans i digitala
kameror
---
Författare: Tilde Hernström & Viggo Söderberg Handledare: Thorbjörn Swenberg
Examinator: Cecilia Strandroth Ämne/huvudområde: Bildproduktion Kurskod: BQ2042
Högskolepoäng: 15hp
Vid Högskolan Dalarna finns möjlighet att publicera examensarbetet i fulltext i DiVA. Publiceringen sker Open Access, vilket innebär att arbetet blir fritt tillgängligt att läsa och ladda ned på nätet. Därmed ökar spridningen och synligheten av examensarbetet.
Open Access är på väg att bli norm för att sprida vetenskaplig information på nätet.
Högskolan Dalarna rekommenderar såväl forskare som studenter att publicera sina arbeten Open Access.
Jag/vi medger publicering i fulltext (öppet tillgänglig på nätet, Open Access): Ja ☒ Nej ☐
Innehåll
1. Introduktion 5
1.1 Bakgrund 5
1.2 Problemformulering 6
1.3 Syfte och frågeställning 7
2. Tidigare forskning 7
2.1 Uppskattning av spektral känslighet och vitbalans från himmelbilder 8
2.2 Effektivt arbetsflöde för färgkorrigering i brusiga bilder 8
2.3 Von Kries Lag 8
2.4 Inställbar spektral respons vid vitbalans 9
3. Teori 10
3.1 Sensortyper i digitala kameror 10
3.2 Färghantering i singelchip- och trechipsteknologi 11
3.3 Spektral känslighet i CMOS- och CCD-sensorer 12
3.4 Vitbalansering 14 4. Metod 15 4.1 Hypotes 16 4.2 Metodutveckling 16 4.3 Utförande 18 4.4 Metodkritik 20 4.5 Samarbete 21 5. Analys 22 5.1 Arbetsmetod 22
5.2 Hantering och sammanställning av materialet 23
5.3.1 Sonys FS7: Resultat 25
5.3.2 Analys av resultatet från Sonys FS7 26
5.4.1 Arris Alexa Mini: Resultat 27
5.4.2 Analys av resultatet från Arris Alexa Mini 28
5.5.1 Panasonics Lumix DMC-GH4: Resultat 29
5.5.2 Resultat från Panasonics DMC-GH4 30
5.6 Förändring i luminans 30
5.7 Förändring i färgton 31
6. Slutdiskussion 32
6.1 Uppsatsens metod för att finna en kameras normativa vitbalans 32
6.2 Förbättringar 33
6.3 Metodutveckling 33
6.4 Oförväntade upptäckter 33
6.5 Betydande eller oväsentlig kunskap 34
6.6 Fortsatt forskning 34
7. Källförteckning 36
7.1 Litteratur 36
7.2 Vetenskapliga artiklar 36
Abstract
Denna text syftar på att framställa en metod som ska kunna användas för att ta reda på en digital kameras normativa vitbalans. Genom en experimentell metod filmar tre olika kameror en testtavla ljussatt för olika temperaturer vid olika vitbalanser. Resultatet analyseras där det huvudsakliga intresset är förekomsten av brus i bilderna kamerorna fotograferar. Intresset för denna metod grundar sig i att vissa kameratillverkare avstår från att avslöja olika egenskaper hos kamerorna de producerar, varav en av dessa egenskaper ofta är kamerans normativa vitbalans. Genom utförandet av den framförda metoden ska filmfotografer kunna testa deras kameror själva för att ta reda på en kameras normativa vitbalans. I det slutgiltiga resultatet kunde inte variationer i förekomsten av brus uttydas från bilderna och därmed kan metoden ej användas för att finna en digital kameras normativa vitbalans. Resultatet visade däremot på variationer i bildkvalité beroende på temperaturen kameran vitbalanserade för, något vi inte kunde förklara utifrån den kunskap vi besitter. Därmed avslutas texten med förslag på vidare forskning.
Ordlista
Pixel Detta är en förkortning av begreppet pixel element. En pixel är den minsta delen av en digital bild och består av färginformation från den röda, blåa och gröna kanalen.
Photosite Dessa kombineras för att göra upp en pixel. En photosite kan endast bära information om en primärfärg.
Kelvin Den främst förekommande enheten som används för att mäta temperaturen hos en ljuskälla. Med temperatur menar vi hur varm eller kall kvalitén av ljuset är.
Vitbalans En bild som vitbalanseras ändrar styrkan av bildens färger för att uppnå en korrekt balans i de neutrala färgerna.
RGB En additiv färgmodell som utgår från grundfärgerna röd, grön och blå. Färgerna kan kombineras för att skapa en mängd andra olika färger.
1. Introduktion
Kameran som redskap är en essentiell del av filmskapande och för en fotograf kan det vara viktigt att känna till egenskaperna av kameran man använder. Vi, Tilde Hernström och Viggo Söderberg, studerar Film och TV-produktion på Högskolan Dalarna och har flera års
erfarenhet av att arbeta med en mängd olika kameror i diverse filmsammanhang.
Kamerateknik är ett ämne som kommit oss närmre allt eftersom att vår kunskap och intresse för filmfotografi har ökat. Denna uppsats utvecklades då vi hade ett intresse för att ta reda på vad för faktorer som kan komma att påverka den slutgiltiga bilden som kameran producerar. Särskilda egenskaper hos kameran kan däremot vara svårare än någonsin att studera idag. Kameratillverkare är försiktiga med att gå ut med egenskaperna hos kameran de tillverkar samt hur bilden internt bearbetas.
En av de egenskaper hos kameran som få tillverkare är beredda att avslöja är vad kameran har för normativ vitbalans. Med detta menas den ljustemperatur som kameran är bäst anpassad för. När kameran vitbalanserar för en temperatur som inte är dess normativa vitbalans måste den korrigera färgnivåerna internt i kameran. Detta gör den genom att öka eller minska signalen för de färger som kameran tar in mer eller mindre ljus ifrån. Säg till exempel att en kamera är mindre känslig för blått ljus än rött och grönt. Detta innebär att när kameran vitbalanserar för en temperatur med en liten mängd blått ljus måste kameran öka den blåa signalen i kameran för att kompensera för detta vilket resulterar i mer brus i bilden. Detta skiljer sig från analoga kamerasystem där varje filmrulle framställdes med en bestämd temperatur som sedan kan ändras med hjälp av korrigerande färgfilter.
Syftet med uppsatsen är att undersöka vad som krävs för att framställa en metod som kan användas för att fastställa en kameras normativa vitbalans. Vidare kommer relationen mellan en förändring av kamerans interna vitbalans och dess påverkan på den slutgiltiga bilden undersökas.
1.1 Bakgrund
Innan digitala kameror kom till marknaden filmade man med analoga filmkameror där bilden exponerades mot filmrullar. Vitbalansen var då bestämd av filmen som användes. Filmrullar är i de flesta fall balanserade för 3200 Kelvin eller 5500 Kelvin. 3200K är lämpligt för tungstensbelysta scener, alltså när lampor med glödljus används. 5500K används för
dagsljusbelysta bilder1. Det kan däremot finnas olika anledningar till varför en fotograf skulle
vilja vitbalansera för andra temperaturer. Utöver stilistiska skäl skiftar till exempel dagsljus temperatur under dagen när ljuset passerar atmosfären från olika vinklar2. Tungstenslampor
kan också variera i dess temperatur beroende på hur mycket volt de strömförs med. Justeringar i vitbalansen kan alltså behövas för att kompensera för dessa
temperaturvariationer. Färgfilter kan korrigera temperaturen med mindre andelar för att uppnå ett temperaturvärde som är under eller över temperaturen som filmen är framställd för. Kompromissen detta medför är att filter endast kan subtrahera ljus. Detta innebär att när man lägger till ett färgfilter för att justera temperaturen tar kameran också in mindre ljus3.
I digitala kameror registreras värdena för primärfärgerna röd, grön och blå när ljuset träffar sensorn. Om kameran är riktad mot en vit yta och dessa primärfärger har varierande stark signal innebär det att bilden inte är vitbalanserad. Det som sker när kameran
vitbalanseras är att signalen för färgerna som avviker sig när kameran filmar mot en neutral yta ökas eller minskas så att de tre färgerna är likvärdiga4.
Man talar om att digitala kameror har en normativ vitbalans, det vill säga en
temperatur där kameran har lättast för sig att ta in ljus. Som tidigare förklarat arbetar kameran internt med signalen av färgerna för att kompensera för variationer i känslighet, och om en färgsignal behöver ökas kan det orsaka mer brus i bilden5. Kvalitén av den slutgiltiga bilden
är beroende av algoritmerna som kameratillverkarna framställt för att processera de signaler som sensorn registrerar6. För att konkurrenter inte ska kunna använda sig av samma
matematiska beräkningar som de själva har framställt vill tillverkare sällan gå ut med de interna algoritmer deras kameror tillämpar vilket bland annat omfattar kamerans normativa vitbalans7.
1.2 Problemformulering
När tillverkare inte vill gå ut med deras kameras normativa vitbalans finns det en egenskap hos kameran som fotografen inte har möjlighet att förhålla sig till. Presterar kameran bättre under vissa förhållanden är det relevant för fotografen att ta reda på den informationen för att kunna anpassa sitt fotografi efter bästa möjliga förutsättningar. I en sådan sits kräver det att fotografen själv kan kan ta reda på vad kameran har för normativ vitbalans. I sin bok Behind
2 Ibid. sid. 239. 3 Ibid. sid. 237.
4 Holben, J. Behind the Lens. Burlington: Focal Press. 2016. sid. 98. 5 Ibid.
the Lens skriver Jay Holben detta angående förhållandet mellan tillverkare och deras
kamerors normativa vitbalans:
“Manufacturers rarely publish the native color of their sensors and it’ll
take testing or digging to find that out.”8
Vi letade efter en metod som kunde tillämpas för att ta reda på denna egenskap hos kameran men hittade ingen. Därmed konstaterade vi att denna kunskap kunde utvecklas vilket utgjorde grunden för denna uppsats.
1.3 Syfte och frågeställning
Denna uppsats syftar på att undersöka hur en metod bör utvecklas för att finna en digital kameras normativa vitbalans. Utifrån en metod utvecklad av oss kommer en analys av
resultatet utföras som ser på de visuella skillnaderna mellan bilderna som fotograferats i olika temperaturer. Det huvudsakliga målet med uppsatsen är att förse fotografer med kunskapen de behöver för att förstå kameran de använder bättre. Därmed kommer uppsatsen utgå från denna frågeställning:
● Vad krävs av en metod för att finna en kameras normativa vitbalans?
2. Tidigare forskning
Analoga kamerasystem har en betydligt mycket längre historia än de digitala kameror vi använder idag och av denna anledning finns det inte lika mycket forskning som undersökt den digitala kameran. Hur bilden exponeras, hur bilden lagras och hur färgen återskapas är några få exempel på egenskaper hos kameran som fungerar annorlunda beroende på om det är ett analogt eller digitalt kamerasystem. Det blir därför intressant att utföra ny forskning som utvidgar kunskapsfältet om den digitala kameran. Det arbete som denna uppsats tillägnar sig åt bygger på den forskning som tidigare utförts både gällande analoga och digitala
kamerasystem. Detta avsnitt syftar på att redogöra för de mest relevanta texterna som sätter undersökningen i en lämplig forskningskontext.
2.1 Uppskattning av spektral känslighet och vitbalans från himmelbilder
I Camera Spectral Sensitivity and White Balance Estimation from Sky Images framställer forskarna en metod som kan tillämpas för att ta reda på den spektrala känsligheten av en kamera samt inställningen för vitbalans utifrån himmelbilder. Metoden handlar om att skapa en metod som inte är beroende av dedikerad hårdvara. Förutsättningarna kräver endast att orientationen av platsen där bilden är tagen är känd. Om man antar solens riktning och hur det förhåller sig till kamerans riktning kan himmelbilderna enligt denna modell användas för att ta reda på den spektrala känsligheten och korrekta vitbalansen för kameran9. Dessa
forskare utvecklar metoder för att kamerans egenskaper ska kunna testas när tillverkarna inte går ut med den informationen själva, något som vi också syftar på att göra.
2.2 Effektivt arbetsflöde för färgkorrigering i brusiga bilder
Effective Color Correction Pipeline for a Noisy Image är skriven av Kenta Takahashi,
Yusuke Monno, Masayuki Tanaka och Masatoshi Okutomi. Undersökningen är framställd på Tokyo Kogyo-universitetet. Eftersom en kameras spektrala känslighet inte är densamma som en människas måste kamerans färgrymd transformeras till en standardiserad färgrymd. Detta är en del av processen när kameran processerar de bilder den filmar och det kallas för
färgkorrigering. Färgkorrigeringen utförs genom att algoritmmodeller tillämpas som syftar på att verklighetstroget återskapa färgerna som kameran filmar. Den oönskade effekten av denna del av processen är att mängden brus i bilden ökas. Texten handlar om hur det går att minska mängden brus genom att komplettera färgkorrigeringsprocessen med brusreducerande algoritmer10. Denna undersökning letar efter lösningar för att reducera mängden brus i bilder
som en kamera fotograferar. Likt vår uppsats arbetar dessa forskare med att förbättra bildkvalitén och konstruera egna metoder där brusintensitet minskas. Skillnaden mellan denna metod och den vår uppsats syftar på att utveckla är att denna försöker minska mängden brus efter att bilden är fotograferad. Vår metod vill uppenbara temperaturen där kameran presterar bäst så att brusintensiteten är reducerad innan kameran fotograferar bilden.
2.3 Von Kries Lag
Under tidigt 1800-talet utförde fysikern Thomas Young olika experiment där han undersökte ljus vilket ledde till upptäckten av att färgat ljus har olika våglängder. Utifrån denna grund
9 Kawakami, R., Zhao, H., Tan, R.T. & Ikeuchi, K. "Camera Spectral Sensitivity and White Balance Estimation
from Sky Images" International Journal of Computer Vision. 2013
10 Takahashi, K., Monno, Y., Tanaka, M. & Okutomi, M. “Effective Color Correction Pipeline for a Noisy
lyckades han sedan framställa våglängden för vardera färg i regnbågens färger. På 1860-talet fortsatte den tyska fysikern Hermann von Helmholtz undersöka Youngs hypoteser när han forskade kring det mänskliga ögats fysiologi. Helmholtz forskning gick ut på att studera sambandet mellan ljus och hur det mänskliga ögat uppfattar ljus och färger. Han utvecklade vad som kom att kallas Young-Helmholtz teorin som syftade på att förklara att ögat är
uppbyggt av en mängd små celler som ljusvågorna träffar när de passerar näthinnan. Cellerna omvandlar ljusvågorna till de tre primärfärgerna röd, grön och blå. När dessa tre färger kombineras i olika intensitet kan det mänskliga ögat uppfatta dessa som olika färger och detta är vad som gör det möjligt för oss att se den mängd färger vi kan.11
Young-Helmholtz teorin har bidragit till mycket forskning kring färgseendet och har bland annat utvecklat det som idag kallas för Von Kries Lag. Von Kries lag tillför en formel som går att applicera i ekvationer som undersöker sambandet mellan en ljuskälla och ögats ljuskänslighet. Helmholtz och Young utförde forskningen som utgör grunden till Von Kries lag och idag används lagen i en stor mängd forskning som berör färgseende och teknologi. Ett exempel på hur teorin hjälpt till i den moderna forskningen om digitala kameror är texten A
Study of Non-diagonal Models for Image White balance skriven av CC. Huang och DK.
Huang12 samt boken Digital Color Imaging Handbook av Gaurav Sharma13. Modellen Von
Kries har framställt används främst i sammanhang där en undersökning utförs för att se på kamerans förmåga att återskapa de färgförhållanden som bilden är tagen under. Detta för att lyckas digitalt återskapa en neutral och verklighetstrogen bild. Von Kries lag har i kontexten av vår forskning bidragit med teori som utgör grunden för det ämnesområde vi forskar idag.
2.4 Inställbar spektral respons vid vitbalans
White balance by tunable spectral responsivities är skriven av Federico Zaraga och Giacomo
Langfelder. Texten handlar om hur det finns enheter som kan justera sin spektrala känslighet beroende på hur mycket spänning den blir försedd med. Därmed hävdar de att en ny metod kan framställas där kameran vitbalanserar genom att ändra enhetens spektrala känslighet och i utsträckning den normativa färgrymden. Detta menar de bör minska mängden brus i bilden eftersom metoden inte bearbetar bilden efter att den blivit inspelad, istället justeras sensorns
11Nationalencyklopedin, “Thomas Young” Hämtad från:
http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/thomas-young. Besökt: 2020-11-16.
12 Huang, C.C. & Huang D.K. “A Study of Non-Diagonal Models for Image White Balance.” Image Processing:
Algorithms and Systems XI. Vol: 8655. 2013.
känslighet för ljus innan bilden spelas in14. Vad denna text tar upp som är intressant i relation
till vårt experiment är att kameror inte längre skulle vara beroende av en fast normativ vitbalans om denna metod skulle tillämpas i moderna digitala kameror.
3. Teori
Detta avsnitt kommer redogöra för den teoretiska kontexten för vår undersökning. Teorierna som tas upp utgör grunden för det arbete denna uppsats syftar på att utföra.
3.1 Sensortyper i digitala kameror
Det finns två typer av teknologier som används i majoriteten av digitala sensorer. CCD, vilket är en sensortyp som står för Charge-Coupled Device och CMOS, en sensortyp som står för
Complementary Metal Oxide Semiconductor. Båda dessa sensorer använder sig av en process
som omvandlar ljus till elektronisk spänning. Det som skiljer sensorerna åt är metoden genom vilken de transformerar spänningen till elektroniska signaler.15
Sensorer består av samlingar av ljuskänsliga celler som kallas photosites. Ljus är uppgjord av energi och mäts i enheter av fotoner. Photosites är känsliga för fotoner och de läser av mängden ljus för att sedan omvandla informationen till elektroniska signaler.16
CCD-sensorer registrerar den elektroniska spänningen som omvandlas i varje photosite och för vidare signalerna när exponeringen är avslutad.17 De elektroniska signalerna förs över från
sensorn till ett chip där informationen läses av sekventiellt. En konverterare transformerar signalen från varje photosite till digitala värden. Därefter skapas en bild bestående av miljontals färgkomponenter som kallas pixlar. Allt detta kommer till kostnaden av hög energiförbrukning och hög tillverkningskostnad. CCD-sensorer producerar högkvalitativa bilder som väl hanterar skuggor och brus.18
CCD-sensorer skickar informationen från varje photosite i en sammansatt signal. CMOS-sensorer skiljer sig från detta då varje photosite sänder dess signal individuellt och dessa signaler kan sedan spelas in individuellt också. För att CMOS-sensorn ska kunna individuellt skicka och spela in signalen från varje photosite krävs det att de förses med
14 Zaraga, F. & Langfelder, G. “White Balance by Tunable Spectral Responsivities” Journal of the Optical
Society of America A. Vol. 27, No. 1, 2010.
15 Stump, D. Digital Cinematography: Fundamentals, Tools, Techniques, and Workflows. Burlington: Focal
Press. 2014. sid. 22.
16 Holben, J. Behind the Lens. Burlington: Focal Press. 2016. sid. 7. 17 Eastman Kodak Company. Kodak Image Sensors. 2008.
signalförstärkare för att signalen ska vara stark nog.19 Problemet med detta är att
signalförstärkare tar en del plats vilket begränsar mängden utrymme på chippet. Detta resulterar i att ett mindre antal fotoner blir distribuerade till varje photosite och därmed kan kameran inte ta in lika mycket ljus. Av denna anledning presterar CMOS-sensorer oftast sämre i mörkare ljusförhållanden och producerar även mer brus än CCD-sensorer.20
Fördelen med CMOS-sensorer är att de är billiga att producera och därför är dessa väldigt vanligt förekommande i dagens digitala kameror. CCD-sensorer är oerhört
batterikrävande och kan dra upp till 100 gånger så mycket energi som en CMOS-sensor. Båda sensorerna kommer med för- och nackdelar men CMOS-sensorer förekommer i större utsträckning bland dagens professionella kameror.21 CCD-sensorer tillämpar en
flerstegsprocess när de bearbetar photosites och har flera komponenter som kräver strömförsörjning. CMOS-sensorn presterar snabbare i den aspekten då photosites arbetar individuellt. Detta är fördelaktigt då professionella kameror idag ofta kommer med
funktionen att spela in i höga bildfrekvenser vilket är beroende av en effektiv signalhantering och således är CMOS-sensorer väl tillämpade för detta.22 Dessa sensorer utvecklas
kontinuerligt och de nackdelar som CMOS-sensorerna lider av håller på att förebyggas med dagens teknikutveckling.23
3.2 Färghantering i singelchip- och trechipsteknologi
När en digtal kamera filmar en bild registrerar sensorn endast antalet fotoner som når sensorns yta men inte våglängden av ljuset för varje foton. Eftersom ljusets våglängd beskriver färg innebär detta att den bild som sensorn registrerar är monokrom. Av denna anledning krävs det ytterligare ett moment för att kameran ska kunna spela in
färginformationen från bilden. Olika tekniker tillämpas och dessa syftar på att separera de röda, gröna och blåa färgerna. För att åstadkomma detta används färgkänsliga chip.24 De mest
förekommande typerna av färgkänsliga chip i moderna digitala kameror är konstruerade enligt trechipsteknologi och singelchipsteknologi. Singelchipsteknologi är även benämnt Bayer-filter.
19 Wheeler, P. High Definition Cinematography. Oxford: Elsevier. 2009. sid. 91-92. 20 Ibid.
21 Ibid.
22 Stump, D. Digital Cinematography: Fundamentals, Tools, Techniques, and Workflows. Burlington: Focal
Press. 2014. sid. 22
När ljus passerar genom linsen av en kamera som använder trechipsteknologi måste bilden delas upp i dess röda, gröna och blåa element. Eftersom vardera chip endast ska registrera ljuset från en av primärfärgerna var så splittras det röda, gröna och blåa ljuset upp genom att passera en dikroisk spegel. Denna agerar som ett filter där de tre primärfärgerna separeras från varann så att de sedan når varsitt enskilda chip. Detta resulterar i att ett chip har registrerat bildens röda värden, ett chip har registrerat bildens gröna värden och ett chip har registrerat bildens blåa värden.25
Singelchipsensorer arbetar bara med ett chip men måste fortfarande spela in all färginformation. I dessa fall används oftast vad som är benämnt ett Bayer-filter. Ett Bayer-filter ser ut som en mosaikplatta innehållande de tre primärfärgerna. Mosaikmönstret består av färgfilter som är placerat framför sensorn och som täcker varje pixel i en singelsensorkamera. Eftersom primärfärgen grön är den mest dominanta färgen i en människas
perception är mönstret konstruerat som följande; Figur 1. Konstellationen av ett bayerfilter.26
G, R, G, B. De gröna filterna utgör alltså halva mosaiken. Tanken är att mönstret i mosaiken ska framstå som slumpmässigt, även om det finns en systematik bakom ordningen av
färgerna. Huvudsaken är att en rad i mosaiken aldrig kommer ha samma mönster som de två raderna som omger den.27 Singlechipsensorer förekommer
bland majoriteten av professionella kameror idag.28
3.3 Spektral känslighet i CMOS- och CCD-sensorer I det elektromagnetiska spektrumet ser vi människor endast inom det synliga spektrumet vilket normalt sett är mellan våglängderna 400 till 700 nanometer. Dessa våglängder av ljus tolkar vi människor som olika färger och i figur 2
redovisas färgerna för motsvarande våglängder. Figur 2. Våglängder för olika färger.29
25 Holben, J. Behind the Lens. Burlington: Focal Press. 2016. sid. 86.
26 Wang Z., Gao Q. & Wang J. A triple-exposure color PIV technique for pressure reconstruction. Science
China Technological Sciences. Vol 60. 2016.
27 Holben, J. Behind the Lens. Burlington: Focal Press. 2016. sid 94.
28 Brown, B. Cinematography: Theory and Practice.2nd Edition Oxford: Focal Press. 2012. sid. 150.
29Bruno, T.J. & Svoronos, P.D.N. CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation Charts. Boca
Namnet för den känslighet våra ögon har för ljusets våglängder kallas spektral känslighet och samma begrepp använder vi när vi talar om sensorers känslighet för ljus30.
Sensorer innehåller en sammansättning av fotokänsliga element som konverterar ljus till en elektronisk signal. Bildsensorer som är konstruerade av silikon, som CMOS- och
CCD-sensorer, är känsliga för ljus med våglängder upp till 1050 nm. I figur 3 redovisas den spektrala känsligheten för en CMOS-sensor i en graf framställd av Kodak31.
Figur 3. Spektral känslighet av en CMOS-sensor.32
Eftersom kameran tolkar färg i RGB-skalan blir egenskaperna av sensorns spektrala
känslighet tydligare om man visualiserar ljuskänsligheten i en graf där färgerna är separerade efter de röda, gröna och blåa våglängderna. I figur 4 ser vi då skillnaderna i känsligheterna för primärfärgerna i en CMOS-sensor. Grafen visar på att sensorn är nästan hälften så känslig för den blåa kanalen i jämförelse med den gröna och röda33.
30 Stump, D. Digital Cinematography: Fundamentals, Tools, Techniques, and Workflows. Burlington: Focal
Press. 2014. sid. 53-54.
Figur 4. Spektral känslighet av en CMOS-sensor uppdelad i den röda, gröna och blåa kanalen.34
3.4 Vitbalansering
Ett av de vanligaste och mest effektiva sätten att vitbalansera en kamera på är en metod som involverar ett standardiserat gråkort. Dessa gråkort reflekterar 18% av ljuset som studsar på dess yta och detta är samma mängd ljus som kameran försöker balansera för när den
exponerar för en bild.35 Kortet är tillverkad i en nyans av grå som är neutral. När kameran
vitbalanserar enligt denna yta korrigeras RGB-kanalerna så att den gråa färgen läses av likadant i den röda, gröna och blåa kanalen.36
Det är vanligt att vitbalansera mot vita ytor men detta är inte lika tillförlitligt som att använda standardiserade gråkort. Problemet med att vitbalansera mot en vit yta är att det inte går att veta med vilken styrka olika nyanser av färger reflekteras mot materialet. Till exempel framstår kontorspapper som vitt men materialet innehåller milda nyanser av blått. Om
kameran hade vitbalanserat mot denna yta hade bilden blivit varmare då den hade försökt kompensera för den blåa nyans som kontorspappret reflekterade. Att vitbalansera mot något kalltonigt, eller mot en annan nyans, kan vara ett medvetet val för att skapa en färgton i bilden. Detta bör då vara ett avsiktligt stilval och inte en slumpmässig tillfällighet.37
Vid användandet av analoga filmrullar är filmen redan definierad för en temperatur vid tillverkning. Det vanligaste är att filmrullarna är anpassade för dagsljus som ligger vid temperatur 5500K eller för tungstensbelysning som ligger vid temperatur 3200K.
34 Eastman Kodak Company. Kodak Image Sensors. 2008.
35 Brown, B. Motion Picture and Video Lighting. 2nd Edition. Burlington: Focal Press. 2013. sid. 120-21. 36 Stump, D. Digital Cinematography: Fundamentals, Tools, Techniques, and Workflows. Burlington: Focal
Press. 2014. sid. 35.
Tungstensbalanserad film är mest förekommande och det kan ibland finnas situationer när denna film används vid dagsljustemperaturer. Eftersom vitbalansen av filmrullen i dessa fall inte stämmer överens med temperaturen av ljuset kan detta korrigeras genom användandet av färgfilter. Filter absorberar ljus och det kan vara lämpligt att överväga hur detta kommer påverka bilden. Det är oftast lättare att korrigera en filmrulle balanserad för
tungstenbelysning till dagsljus då det oftast är väldigt ljust i dessa scener. Därmed får kameran fortfarande in tillräckligt med ljus för att exponera bilden trots att filter absorberar en del av ljuset.38
I digitala kameror sker vitbalanseringen internt i kameran. Signalen för de röda, gröna och blåa kanalerna ökas eller minskas för att balansera färgerna som kameran tolkar. Jay Holben skriver i boken Behind the Lens att trots att färgfilter oftast används för att vitbalansera färgfilm i analoga kameror kan det finnas en fördel med att använda filter i digitala kameror. En kamera som vitbalanserar för en temperatur som inte är dess normativa vitbalans kommer producera mer brus. Holben menar att om den digitala kameran filmar enligt dess normativa vitbalans och istället korrigerar temperaturen med färgfilter kommer den digitala signalen inte behöva ökas. Därmed kommer mängden brus inte heller ökas.39
I Cinematography: Theory and Practice berättar Blain Brown om en effektiv metod för att vitbalansera kameran med ett standardiserat gråkort. Kortet ska täcka en så stor del av bilden som möjligt och om möjligheten finns, ljussättas av två lampor. Dessa lampor ska placeras på en 45° vinkel från kortet på vardera sida. Temperatur, riktning, fokusering och styrka ska vara likvärdiga på båda lamporna. Om endast en lampa är tillgänglig är det viktigt att se till att den jämnt belyser hela gråkortet. Det är viktigt att se till att ljus från övriga lampor i scenen inte läcker och studsar mot gråkortet.40.
4. Metod
För att ta reda på vad som krävs för att finna en kameras normativa vitbalans har vi själva utvecklat en experimentell metod för att försöka besvara frågeställningen. Detta avsnitt går igenom hur metoden vi utvecklat utfördes. För att utföra experimentet använde vi oss av en Arri Alexa Mini, en Sony FS7 och en Panasonic GH4. Dessa kameror har alla
CMOS-sensorer, de är från tre olika prisklasser och producerade av tre olika kameratillverkare.
38 Brown, B. Cinematography: Theory and Practice.2nd Edition s. 237 39 Holben, J. Behind the Lens. 2015. sid. 98.
Sony har gått ut med den normativa vitbalansen av deras FS7-kamera medan Arri och Panasonic båda valt att inte offentliggöra dessa egenskaper av deras Alexa Mini- och
GH4-kamera. Av denna anledning var det intressant att utföra experimentet med dessa kameror då vi visste den normativa vitbalansen av en av kamerorna medan vi inte kände till det på de andra två. Metoden kunde därav testas mot FS7-kameran då vi vet vad svaret är och om det stämmer tyder det på att metoden bör kunna tillämpas på våra två andra kameror också.
4.1 Hypotes
Suresh Chandra and Mohit Kumar Sharma skriver i boken Research Methodology om att en hypotes är en grundläggande del i utformandet av en undersökning. Hypotesen bör vara ett objektivt påstående som går att testa för att kontrollera om påståendet stämmer och till vilken grad det stämmer.41 I denna undersökning kommer vi att benämna vår hypotes som ett
antagande. Det resultat vi har som antagande inför detta experiment är:
● Bilder tagna vid en avvikande vitbalans från kamerans normativa vitbalans kommer producera en synlig mängd mer brus än de bilder där kameran arbetar med sin normativa vitbalans.
Den signalkompensering som sker när kameran fotar enligt en vitbalans som inte är dess normativa vitbalans tror vi kommer producera en ökning i mängd brus som kommer gå att uttyda. Detta är förutsättningen för att experimentet ska kunna användas som en metod.
4.2 Metodutveckling
Gillian Rose skriver i boken Visual Methodologies om hur man bör tänka när man framställer det visuella materialet som ska analyseras. Hon benämner arbetssättet photo-documentation och förklarar att detta används när bilder skapas för att undersöka samt analysera ett särskilt visuellt fenomen. Rose förespråkar utvecklandet av ett shooting script inför utförandet av experimentet. Denna går ut på att kompletterande frågor till frågeställningen skrivs ned som experimentet syftar på att besvara. Under utförandet antecknas förutsättningarna för varje bild som filmas och sedan analyseras detta mot de frågor som framställdes innan experimentet.42
När resultatet dokumenteras kan bildantalet bli stort och det är då anteckningarna kan användas som stöd för att understryka syftet med bilden.43 I vårt fall var detta inte en lika
41 Chandra,
S. & Sharma, M.K. Research Methodology. Oxford: Alpha Science International. 2013. sid. 72
relevant del i arbetsprocessen då varje bild vi filmade var planerad och vi förväntade oss inte heller att några spontana variabler skulle komma att kunna påverka bilden. Metoden Rose framför kommer däremot tillämpas till den mån det är lämpligt och vi kommer skriva anteckningar till varje bild för att tydliggöra förutsättningarna bilden togs under. Vi antecknade kamerans och lampornas inställningar för vardera bild. Detta innefattade ljusstyrka på lamporna, temperatur på lamporna, kamerans optik, ISO/EI-värde, bländare, färgprofil, slutartid, inspelningsformat, kodek samt bilder per sekund. Vissa inställningar var konstanta och ändrades inte under experimentets gång medan andra justerades mellan
bilderna, därav vikten av att föra anteckningar.
Det sista steget menar Rose är att anteckningarna som skrivits under experimentet kan hjälpa forskaren finna mönster och vara ett stöd under analysen av det insamlade materialet. Det kan användas för att hitta korrelationer och skillnader mellan bilderna samt om
förutsättningarna kan ha påverkat resultatet.44 En av de viktigaste aspekterna vi behövde
förhålla oss till var att bibehålla en konsekvent ljusnivå genom hela experimentet då mängden ljus kameran tar in inte skulle fluktuera. Det var en av frågorna vi bar med oss under
experimentet och om något skulle kunna orsaka en förändring i ljusnivån hade det antecknas för att vi skulle ha ett underlag för detta i analysen.
Vi utförde ett experiment där förändringen av en variabel kommer påverka en annan för att provocera fram ett resultat som besvarar vår frågeställning. I boken Research Design skriven av John Creswell beskriver han dessa variabler som den oberoende variabeln och den beroende variabeln. Den oberoende variabeln är det som ändras medan den beroende
variabeln är vad som reagerar på detta.45 I vår undersökning var den oberoende variabeln
temperaturen vi vitbalanserade för, det är denna variabel som ändras genom experimentets gång. Den beroende variabeln var brusintensiteten, detta är vad vi förväntade oss ändra sig beroende på vilken temperatur som råder. Något som potentiellt skulle kunna ses som en ytterligare oberoende variabel är den digitala komprimering som skett när materialet exporterades till ett nytt filformat. Detta skedde i den senare delen av experimentet när bilderna vi fotat skulle bearbetas i mjukvaruprogrammet Davinci Resolve. Vi håller oss öppna till den möjligheten men inget tyder på att denna komprimering var betydande nog att påverka slutresultatet. Om detta mot förmodan hade inträffat finns metodforskningen utförd av Creswell och Rose som stöd för att förhålla sig till resultatet.
44 Ibid. sid. 312.
45 Creswell, J.D. & Creswell J.W. Research Design: Qualitative, Quantitative and Mixed Methods
4.3 Utförande
I utförandet av experimentet utgick vi från den metod Blain Brown föreslår för att uppnå en korrekt vitbalans i sin bok Cinematography:
Theory and Practice.46 Det mest tillförlitliga
redskapet att använda sig av vid vitbalansering är ett standardiserat 18% gråkort. Vi använde oss av testtavlan ColorChecker Video från tillverkaren
X-rite som innehåller gråskalor samt färgrutor. Figur 5. Testtavlan som användes i experimentet.47
Experimentet utgick från gråskalan för att tyda brusintensiteten mellan varje inställing. Färgkonstellationen på sidorna av testtavlan kunde vid behov användas för att tyda
variationer i färgåtergivning beroende på temperaturen kameran balanserade för. Detta kom däremot aldrig till användning.
Vi utförde testet i en studio utan fönster och utan andra ljuskällor som skulle kunna påverka resultatet. Syftet var att utföra experimentet under förutsättningar där samtliga variabler var inom vår kontroll. Om lampor utöver våra egna skulle reflekteras mot
testtavlans yta hade resultatet inte varit användbart då metoden kräver en konsekvent ljusnivå och ljustemperatur. På samma nivå som testtavlan placerades två lampor på en 45 graders vinkel från dess framsida. Lamporna som användes var Arri SkyPanel S60-C. Dessa lampor har inbyggd dimmer och färgjustering. Vi såg till att inställningarna på vardera lampa var identiska till varann under experimentets gång.
All optik har ett omfång av bländarsteg där bilderna som kameran filmar är som allra skarpast, oftast är detta två bländarsteg över optikens lägsta bländartal.48 Därmed ställdes all
optik vi använde under experiment in på bländaren som var två bländarsteg över dess lägsta bländartal. Bländare och ISO/EI-värdet ändrades inte under experimentets gång. Dessa variabler var konstanta och den enda variabeln som ändrades på var vitbalansen. LED-lampor kan fluktuera i ljusstyrka vid ändring av färgtemperatur och för att se till att testtavlan alltid blev belyst med samma ljusstyrka mätte vi konsekvent med en ljusmätare. Om ljusstyrkan ändrades kompenserade vi för detta genom att justera värdet på båda lamporna med samma värde. Inställningarna och egenskaperna av vardera kamera var som följande:
46 Brown, B. Cinematography: Theory and Practice.2nd Edition . sid. 333-334 47 X-rite. ColorChecker Video. u.å. Hämtad från:
https://www.xrite.com/categories/calibration-profiling/colorchecker-video . Besökt 2020-12-08.
Experimentet inleddes med att kameran monterades på ett stativ framför testtavlan och inställningarna justeras. Ljusmätaren ställdes in enligt kamerans bländare och normativa ISO/EI-värde. Den kunde då tala om vilken ljusstyrka lamporna behövde anpassas efter för att kameran skulle få in tillräckligt med ljus. Kamerans interna vitbalans samt lampornas temperatur ställdes in på 2900K, sedan mättes ljusstyrkan som justerades efter ljusmätarens värden. Vid ändringar av temperatur kunde ljusstyrkan fluktuera och för att säkerställa en konsekvent ljusstyrka under experimentets gång togs mätvärden mellan varje inställning. Dessa värden mättes ungefär 10 gånger för att se till att ljusmätaren inte gav inkonsekventa värden.
Bildens utsnitt syftade på att hela testtavlan skulle synas inom bilden. Om kameran hade stått närmare med en kortare brännvidd hade perspektivet kunnat orsaka en
förvrängning av vertikala och horisontella linjer i utkanten av bilden vilket inte hade varit önskvärt. Den längre brännvidden gav även utrymme för lamporna att stå på en 45 graders vinkel från testtavlan utan att kameran täckte för ljuskällorna. Vi använde olika brännvidd på optiken beroende på vilken kamera vi använde eftersom de hade olika stora sensorstorlekar. En sensors storlek kommer påverka hur mycket som syns i bilden. Till exempel, en 35mm optik på en Alexa Mini-kamera kommer ha en oerhört mycket mer vid bild än en 35mm optik
Arri Alexa Mini Sony FS7 Panasonic Lumix DMC-GH4
Optik Xeen Rokinon
85mm T/1.5 Sony SELP18110G 18-110mm T/4 Lumix G X Vario 12-35mm T/2.8 Sensorstorlek Super 35
28,25 x 18,17 mm Super 35 25,5 x 15,6 mm Micro Four Thirds 17,3 x 13 mm
Sensortyp CMOS CMOS CMOS
Bländare 4 8 4
Slutartid 1/50 1/50 1/50
ISO/Exposure
Index 800 EI 2000 EI 800 ISO
Bilder per sekund 25 25 25
Färgprofil LOG-C S-Log 3 Cinelike-D
Inspelade pixlar 4096x2160 4096x2160 3840X2160
på en GH4-kamera eftersom en Alexa Mini har en större sensor. Detta kan inte komma att påverka resultatet eftersom det endast kommer analyseras enskilt för vardera kamera.
De färgtemperaturer vi valde att utföra testet på var: 2900K, 3200K, 3500K, 3800K, 4100K, 4400K, 4700K, 5000K, 5300K, 5600K, 5900K, 6200K, 6500K, 6800K, 7100K. Vi gick inte lägre än 2900K och inte högre än 7100K då vi anser att dessa färgtemperaturer är bland de mest förekommande temperaturerna i praktiken. Temperaturen ökades med 300K mellan varje inställning för att experimentet skulle omfatta en konsekvent stegring av vitbalansen. Ändringen av temperatur i kameran matchades med ändringen av temperatur i lamporna. Det vill säga att när lampornas temperatur var inställd på 5600K var kamerans interna vitbalans också inställd på 5600K.
Både Alexa Mini- och FS7-kameran spelade in i deras respektive logprofiler. Dessa profiler spelar in mer information än vanliga profiler. Det förväntas att dessa bearbetas i efterhand då bilden annars ser väldigt kontrast- och färglös ut. För att se under inspelning hur bilden ser ut när kontrast och mättnad är korrigerad använde vi oss av en monitor som kan visa en bearbetad bild direkt. När allt material var inspelat importerades materialet in i bildredigeringsprogrammet DaVinci Resolve. Vi applicerade vad som kallas en “lookup table” på materialet. Detta brukar förkortas till LUT och är en slags färgtabell som omvandlar bilderna filmade i logprofilen så att kontrast och mättnad blir korrigerat. Det finns en mängd olika LUTs som bearbetar materialet annorlunda, ofta för att det ska få en speciell visuell stil. Vi använde oss av en standardiserat LUT som kallas REC.709 vilket endast omvandlar materialet till neutrala färger och ett normalt kontrastomfång. Materialet från Panasonic Lumix GH4 fick ingen LUT applicerad på sig då kameran inte hade funktionen att spela in i en logprofil.
4.4 Metodkritik
Metoden vi använde oss av grundade sig i informationen vi läste relaterat till normativ vitbalans i Jay Holbens bok Behind the Lens. Han förklarar att mängden brus i en bild är som minst när kameran fotograferar enligt dess normativa vitbalans49. Utifrån detta utformade vi
vår metod där kameran skulle uppenbara dess brusintensitet i bilder filmade vid olika temperaturer. Detta var den huvudsakliga källan vi utgick från som förklarade hur bilden kunde komma att se annorlunda ut beroende på om kameran filmade enligt dess normativa vitbalans eller inte. Med den information vi hade kunde vi endast utveckla en enstaka metod.
Hade vi hittat fler källor som kunde beskriva andra egenskaper om hur en kamera presterar vid olika temperaturer hade möjligtvis fler metoder kunnat framställas och testas.
Kamerorna, optiken och lamporna som användes under experimentet tillhandahölls av Högskolan Dalarnas teknikutlåning. Tekniken har använts under flera år till diverse
produktioner och projekt. Detta innebär att de har genomgått olika former av slitage som kan ha kommit att påverka teknikens egenskaper och funktioner. Experimentet utfördes med antagandet att tekniken presterade tillräckligt bra för att eventuellt slitage inte skulle kunna påverka resultatet av experimentet. Alla kamerorna fabriksåterställdes inför experimenten för att säkerställa att inga oönskade inställningar var applicerade.
Ökningen i temperatur mellan varje inställning var en konsekvent stigande ökning i kelvintalet. För att få en tydligare bild av kamerans kapacitet till att vitbalansera för olika temperaturer hade testet kunnat utföras med en konsekvent ökning av temperatur mätt i vad som kallas mired istället. Kelvinskalan är inte konsekvent i den mening att en
temperaturökning från till exempel 2000K till 2100K är oerhört mycket större än en ökning från 5500K till 5600K. Mired är en skala som utgår från Kelvin men där
temperaturskillnaden är konsekvent. Hade vi ökat temperaturen med lika andelar mätt i mired istället hade vårt experiment ökat konsekvent i temperatur.
Under testet använde vi oss av Arris S-60C SkyPanels som gör det möjligt att ändra temperaturen av ljuset i kontrollpanelen. Det är inte säkert hur lämpligt det är att helt förlita sig på dessa lampor då de inte nödvändigtvis är helt korrekta i sina värden. Filmfotografen Matthew Allard som är med i American Society of Cinematographers testade Arris
SkyPanels när de var nyanlända år 2015 och mätte temperaturen på lamporna. Enligt hans tester kunde temperaturen variera från den angiven i panelen50.
4.5 Samarbete
Bakgrunden till uppsatsen kommer från ett gemensamt intresse för kamerateknik. Vi hade inte hört om begreppet normativ vitbalans innan vi läste avsnittet ur boken Behind The Lens av Jay Holben som behandlar detta ämnesområde. När vi försökte hitta vidare forskning kring ämnet såg vi att det inte fanns mycket skrivet inom forskningsområdet. Det var här intresset för att ta reda på mer om ämnet väcktes.
50 Allard, M. Hands on with the Arri Skypanels - a single operator’s perspective. NewsShooter. Hämtad från:
https://www.newsshooter.com/2016/05/18/hands-on-with-the-arri-skypanels-a-single-operators-perspective/
Uppsatsens struktur och innehåll har gemensamt arbetats fram. Vi har ansvarat för olika underrubriker för att enklare fördela arbetet mellan varann. Detta underlättade möjligheten att arbeta parallellt under forskningsprocessen. Vi framställde gemensamt metoden utifrån den teori vi läst och skrivit om. Vi har sedan bearbetat hela texten tillsammans och korrigerat varderas skrivna delar genom hela arbetets gång.
Under metodutförandet var vi båda delaktiga med olika ansvarsområden. Tilde ansvarade för inspelningen av materialet och agerade som kameraoperatör. Viggo justerade temperaturen på lamporna och såg till att nivån på ljuset var konsekvent under experimentets gång. I analysen har vi båda diskuterat resultatet med varann för att analysera bilderna och komma fram till våra slutsatser.
5. Analys
Denna analys kommer först redogöra hur utförandet av experimentet gick till och hur
metoden utvecklade sig under processens gång. Vi tar även upp hur analysprocessen gick till och hur materialet hanterades. Sedan kommer resultatet presenteras i samband med att vi analyserar vad resultatet innebär. Vi avslutar avsnittet med att ta upp de mönster vi fann i resultatet.
5.1 Arbetsmetod
Inför utförandet hade vi funderat kring möjligheten att lamporna skulle kunna fluktuera i ljusnivå beroende på temperaturen de är inställda på. Detta stämde alldeles riktigt och ljusstyrkan på lamporna behövde justeras mellan majoriteten av inställningarna för att kompensera för ljusvariationerna. I början av varje inställning hölls en klappa i bild som visade relevant information om tagningen, till exempel vilken temperatur vi filmade för och vilken kamera som användes. När personen som höll klappan gick ur bild blockerades lampan ett tag vilket gjorde att belysningen ojämnt lös upp testtavlan. I efterbearbetning råkade vi ta ut bilder från testtavlan när ljuskällorna var skymda vilket gav ett resultat som inte gick att använda. Detta gick tydligt att se när materialet sammanställdes och åtgärdades enkelt genom att exportera om bilderna.
Vi utförde experimentet två gånger för att säkerställa att resultatet var trovärdigt. Misstankar uppstod att någon variabel hade påverkat experimentet när resultatet från
av experimentet visade det nya resultatet på en likadan röd nyans i FS7-kamerans bilder och därmed bekräftade det att resultatet stämde.
Vid första experimentet använde vi oss av Panasonics Lumix DMC-GX7 för att representera den lägre prisklassens bilder. Vi valde i andra iterationen av experimentet att byta ut denna kamera mot en Lumix DMC-GH4 då denna kamera blev tillgänglig för oss. Dessa kameror är rent funktionellt väldigt lika men Panasonics GH4-kamera har möjligheten att filma i upplösningen 3840x2160 medan Panasonics GX7-kamera endast kan filma i upplösningen 1920x1080. Att filma testtavlan med en högre upplösning innebär att vi kan gå närmare in på bilden och se en tydligare brusstruktur.
5.2 Hantering och sammanställning av materialet
För att tydligt kunna se skillnaderna i bruset mellan bilderna valde vi i efterbearbetningen att utgå från delen av testtavlan där ytan var av nyansen 18% grå. Detta eftersom det är den standardiserade ytan att vitbalansera mot och den visade tydligast brusstrukturen i bilden. Bildredigeringsprogrammet Adobe Photoshop CC 2019 användes för att sammanställa materialet i diagram. Ett kvadratiskt urklipp från den filmade testtavlan togs och organiserades i ett rutnät.
Figur 6. Illustration som redovisar för hur materialet sammanställdes.
Bland samtliga kameramodeller har det skett en förändring i bildens luminans
beroende på temperaturen kameran vitbalanserades för. Trots att endast en variabel ändrades mellan varje inställning ökades mängden ljus som kameran tog in i relation till att kameran vitbalanserade för högre temperaturer. Denna ökning var linjär och det är bilden tagen med varmast färgtemperatur, det vill säga 2900K, där luminansen var svagast.
5.3.1 Sonys FS7: Resultat
Figur 7. Resultat från Sony FS7. Behandlad med en Figur 8. Resultat från Sony FS7. Behandlad med en
REC.709-LUT. REC.709-LUT och luminanskorrigerad.
5.3.2 Analys av resultatet från Sonys FS7
Eftersom Sony har gått ut med att deras FS7-kameras normativa vitbalans ligger på 5600K antogs det att denna färgtemperatur skulle producera minst mängd brus. Resultatet visade på att mängden brus inte varierade till någon betydande grad mellan bilderna. Ett mönster kunde inte etableras mellan ändring av vitbalans och ökad brusintensitet. De temperaturerna med störst mängd brus är 3200K, 5000K, 6500K och 6800K. Det går inte att fastställa att
mängden brus ökar linjärt från kamerans normativa vitbalans. De mest brusintensiva bilderna är utspridda över spektrumet av temperaturer vi fotade utan att ett mönster gick att tyda.
Trots att resultatet inte uppenbarade sig som vi förväntade oss hittade vi två andra mönster som var oväntade. Det första var att det fanns en korrelation mellan mängden ljus kameran kunde ta in och temperaturen kameran vitbalanserade för. Vid 2900K tog kameran in minst mängd ljus och vid 7100K tog kameran in störst mängd ljus med en konsekvent linjär ökning däremellan.
Det andra mönstret vi stötte på var att bildens färgton skiftades beroende på vilken temperatur kameran balanserade för. Vid 3500K var kameran närmast en neutral
5.4.1 Arris Alexa Mini: Resultat
Figur 11. Resultat från Arri Alexa Mini. Figur 12. Resultat från Arri Alexa Mini.
Behandlad med REC.709-LUT. Behandlad med REC.709-LUT och
luminanskorrigerad.
5.4.2 Analys av resultatet från Arris Alexa Mini
5.5.1 Panasonics Lumix DMC-GH4: Resultat
Figur 15. Resultat från Panasonic Lumix GH4. Figur 16. Resultat från Panasonic Lumix GH4.
med LUT REC. 709. Behandlad med LUT REC.709 samt
luminanskorrigerad.
Figur 17. Waveform Panasonic Lumix GH4 2900K. Figur 18. Waveform Panasonic Lumix GH4
5.5.2 Resultat från Panasonics DMC-GH4
Resultatet från Lumix GH4 visade på en linjär förändring i luminans precis som FS7- och Alexa Mini-kameran. Bilden tagen när kameran är vitbalanserad för 2900k hade en lägre exponering än den sista bilden tagen vid 7100K i experimentet. Bilderna som fotades med Panasonics GH4-kamera är de som producerat den mest neutrala färgåtergivningen av testtavlans neutrala gråa yta. Om man tittar på waveform-grafen kan en subtil ökning tydas i den röda färgkanalen när kameran balanserar för kallare temperaturer. Detta är inte betydligt nog att man kan se det med blotta ögat däremot.
5.6 Förändring i luminans
För att förtydliga den linjära förändringen i ljusintensitet som skett kan waveform-grafen från den fullständiga bilden analyseras. Den lägsta temperaturen, 2900K, och den högsta
temperaturen, 7100K, redogör tydligt för förändringen som skett. Resultatet producerat av Panasonics Lumix GX7-kamera från första experimentet kan i detta fall användas som
kompletterande underlag trots att den senare byttes mot Lumix GH4-kameran. De waveforms som presenteras nedan är tagna när bilderna är monokroma. De presenteras på det här viset för att förtydliga luminansskillnaden mellan temperaturerna.
Figur 19. Waveform Sony FS7 2900K. Figur 20. Waveform Sony FS7 7100k.
Figur 23. Waveform Lumix GH4 2900K. Figur 24. Waveform Lumix GH4 7100K.
Figur 25. Waveform Lumix GX7 2900k. Figur 26. Waveform Lumix GX7 7100K.
För att försäkra oss om att kameran konsekvent skulle förses med samma mängd ljus mätte vi ljunivån med en ljusmätare och såg till att bibehålla samma nivå genom hela experimentet. Värdet mättes ungefär 10 gånger per inställning för att försäkra oss om att ljusmätaren inte skulle ge oregelbundna svar och minimera risken att siffrorna ljusmätaren presenterade var inkorrekta. Eftersom vi har säkerställt att kameran försetts med en lika stor mängd ljus under hela experimentet pekar resultatet på att denna luminansskillnad sker till en följd av en ändring av den interna vitbalansen i kameran.
5.7 Förändring i färgton
I figur 9, 10, 13, 14, 17 och 18 illustrerar waveform-graferna hur bildernas färgton skiftas när kameran balanserar för varma temperaturer respektive mot kalla temperaturer. Ytan som är beskuren ur testtavlan är en standardiserad nyans av 18% grå. Detta innebär att sektionen ska skapa lika värden i den röda, gröna och blåa färgkanalen. I en waveform-graf bör alltså ingen färg vara mer dominant än en annan om ytan är korrekt porträtterad. Alla kamerorna
Lumix GH4 är kameran vars bilder representerar den gråa ytan som mest neutral. Denna kameras waveform-graf visar därmed på att ingen färgkanal är starkare än en annan. Det enda undantaget är, precis som Sonys FS7- kamera har visat, att den röda färgkanalen visar sig marginellt mer dominant i de kallare färgtemperaturerna. Detta sker däremot inte i samma utsträckning som det gör på Sonys FS7-kamera.
6. Slutdiskussion
I detta avslutande avsnitt diskuterar vi resultatet experimentet producerade. Utifrån det resultat vi har framställt resonerar vi om vad för typ av kunskap som har genererats och hur detta arbete kan bidra till fortsatt forskning inom ämnet.
6.1 Uppsatsens metod för att finna en kameras normativa vitbalans
I utförandet av vår metod kan vi konstatera att metoden inte går att användas för att ta reda på en kameras normativa vitbalans. I senare delen av diskussionen kommer vi utveckla hur detta inte medför att en ny metod inte går att framställa, trots att den presenterad i denna uppsats inte var funktionell. Genom utförandet av experimentet förväntades bilderna som
fotograferades vid avvikande temperaturer från en kameras normativa vitbalans producera en märkbart större mängd brus. Därmed skulle en kameras normativa vitbalans kunna fastställas då bilden som fotograferades vid denna temperatur skulle producera minst mängd brus. Detta baserade vi på ett avsnitt ur Jay Holbens bok Behind the Lens där han diskuterar användandet av färgfilter på digitala kameror. Han hävdar att det kan vara fördelaktig att använda färgfilter för att vitbalansera med en digital kamera då kameran kan vara inställd på sin normativa vitbalans där den producerar minst mängd brus. Sedan kan färgfilter tillämpas för att ändra temperaturen på kameran utan att den interna vitbalansen behöver ändras vilket han menar skulle öka brusintensiteten i bilden.51
När materialet sammanställdes kunde vi inte se tydliga mönster där bruset ökades i relation till ändringen av vitbalans. I vissa fall kunde enskilda temperaturer producera en större mängd brus än andra, detta var tydligast på FS7-kameran, men dessa bilder var endast marginellt mer brusintensiva. Bland de bilder som innehöll en större mängd brus fanns det ingen struktur eller mönster som visade på någon slags korrelation.
I försöket att uppenbara hur kamerorna bearbetar bilderna har vi inte kunnat uppfylla det ursprungliga syftet bakom uppsatsen. Vi har däremot genererat en utökad kunskap kring
ämnet. Kameratillverkarnas outtalade normativa vitbalans fortsätter därav vara okänd information.
6.2 Förbättringar
För att bedöma resultatet som kamerorna producerade sammanställdes bilderna i diagram och jämfördes genom att se på dem för att försöka tyda visuella skillnader. Vi kunde inte se några betydande skillnader mellan bilderna och därmed kan det fastställas att resultatet inte är tydligt nog att visuella skillnader kan tolkas. En eventuell förbättring till detta experiment skulle kunna vara att använda dedikerade mätinstrument eller mjukvaror som syftar på att mäta mängden brus producerad av en bild.
6.3 Metodutveckling
Den metod som presenterades och utfördes i denna uppsats visade sig inte kunna visa på en digital kameras normativa vitbalans. Om vi hänvisar tillbaka till vår ursprungliga
frågeställning löd den som följande: “Vad krävs av en metod för att finna en digital kameras normativa vitbalans?”. Trots resultatet av den metod vi utfört utesluter vi inte att en metod för att ta reda på en normativ vitbalans inte går att framställas. Ökad kunskap angående hur en sensor arbetar vid ändringar av vitbalans kan berätta mer om hur en bild påverkas vid olika temperaturer. För att fortsätta utvecklingen av metoden som presenterats i denna text skulle det behöva kompletteras genom att finna fler variabler som påverkas vid en ändring av vitbalans då denna metod endast analyserar brusintensitet. Om en metod sedan kan utformas som går ut på en flervariabelsanalys skulle det kunna utveckla det arbete som denna uppsats har utfört.
6.4 Oförväntade upptäckter
Genom experimentet har vi uppenbarat att temperaturjusteringar i olika kameror kan komma att påverka kvalitéer i bilden. Den första upptäckten som vi inte förväntade oss var att ändring av vitbalans i kameran kan påverka färgnyansen i bilden. Hur betydlig denna nyans var och vilken färg som visade sig berodde på kameran. FS7-kameran hade en tydlig röd nyans som blev starkare i samband med att den balanserade för kallare temperaturer. Alexa
Mini-kameran hade en grön nyans som visade sig på samtliga bilder i olika styrkor.
Den andra upptäckten vi inte förväntade oss var att samtliga kameror visade på en luminansökning i relation till att kameran balanserade för kallare temperaturer. Vi vet inte tillräckligt om dessa kameror och egenskaperna av deras sensorer för att kunna motivera varför de producerar ett sådant resultat.
6.5 Betydande eller oväsentlig kunskap
Något som vi la märke till under skrivandet av denna uppsats är hur det tidigare framställts en vetenskaplig text som undersöker hur en enhets spektrala respons kan ställas in. Texten heter
White balance by tunable spectral responsivities och presenteras i avsnitt 2.452. Forskningen
tar inte upp möjligheterna kring att integrera denna teknik i moderna kameror men det hade varit ett ämne som skulle visa på en intressant utveckling bland digitala kameror. Dess tillämpning hade inneburit att kamerors normativa vitbalans hade gått att justeras och därmed skulle effekterna av att filma vid en avvikande temperatur inte behövts tas hänsyn till. Hur användbar denna teknik skulle vara är fullständigt beroende på hur och om bilden påverkas av att fotograferas vid olika vitbalanser.
Resultatet som metoden av denna uppsats har producerat visar på att ingen betydande skillnad i brusintensitet råder mellan bilderna fotograferade vid olika temperaturer. Detta ställer då frågan vad för användning en fotograf egentligen skulle ha av att veta den normativa vitbalansen av kameran de använder. Det är svårt att svara på denna fråga, då vi inte vet vad för slags påverkan temperaturvariationer kan ha på en bild. De ändringar som sker i luminans och färgton kräver vidare forskning, men dessa effekter kan vara ett resultat påverkat av kamerans normativa vitbalans. Vad vi kan konstatera efter utförandet av denna metod är att variationen i brusintensitet är minimal nog att det knappt går att uttyda.
6.6 Fortsatt forskning
Trots att vi inte har lyckats framställa en metod för att finna en kameras normativa vitbalans har vi genom detta arbete uppenbarat fenomen som vi själva inte kunnat förklara. Det material vi framställt går att använda som grund till utvecklandet av vidare forskningsfrågor som behandlar kamerans sensor, samt till vidareutvecklandet av en metod för att finna en digital kameras normativa vitbalans. Luminansförändringen är en påföljd av resultatet som vi inte hade förutsett eller övervägt när vi diskuterade vår hypotes vid experimentets
utgångspunkt. Även de färgnyanser som producerades av samtliga kameror kan undersökas
52 Zaraga, F. & Langfelder, G. “White Balance by Tunable Spectral Responsivities” Journal of the Optical
noggrannare för att ta reda på vad det är som orsakar att dessa bilder inte innehåller likvärdigt starka färgkanaler vid olika temperaturer. Dessa upptäckter avvek från vår
7. Källförteckning
Dessa är de källor som använts i denna uppsats.
7.1 Litteratur
Brown, B. Cinematography: Theory and Practice 2nd Edition Oxford: Focal Press. 2012.
Chandra, S. & Sharma, M.K. Research and Methodology. Oxford: Alpha Science International. 2013.
Bruno, T.J. & Svoronos, P.D.N. CRC Handbook of Fundamental Spectroscopic Correlation
Charts. Boca Raton: CRC Press. 2005.
Creswell, J.D. & Creswell, J.W. Research Design: Qualitative, Quantitative and Mixed
Methods Approaches 5th Edition International Student Edition. Los Angeles: SAGE. 2018.
Fors, V. & Bäckström, Å. Visuella metoder. Lund: Studentlitteratur AB. 2015.
Holben, J. Behind the Lens. Burlington: Focal Press. 2016.
Rose, G. Visual Methodologies. London: SAGE Publications Inc. 2016.
Sharma, G. Digital Color Imaging Handbook. New York: CRC Press. 2003.
Stump, D. Digital Cinematography: Fundamentals, Tools, Techniques and Workflows. Burlington: Focal Press. 2014.
Wheeler, P. High Definition Cinematography. Oxford: Elsevier. 2009.
7.2 Vetenskapliga artiklar
Huang, C.C. & Huang, D.K. “A Study of Non-Diagonal Models for Image White Balance” Image Processing: Algorithms and Systems XI. Vol: 8655. 2013.
Kawakami, R., Zhao, H., Tan, R.T. & Ikeuchi, K. “Camera Spectral Sensitivity and White
Balance Estimation from Sky Images” International Journal of Computer Vision. 2013.
Takahashi, K., Monno, Y., Tanaka, M. & Okutomi, M. “Effective Color Correction Pipeline
Wang Z., Gao Q. & Wang J. “A triple-exposure color PIV technique for pressure
reconstruction”. Science China Technological Sciences. Vol 60. 2016.
Zaraga, F. & Langfelder, G. “White Balance by Tunable Spectral Responsivities” Journal of the Optical Society of America A. Vol. 27, No. 1, 2010.
7.3 Webbsidor & övriga dokument
Eastman Kodak Company. Kodak Image Sensors. 2008.
Allard, M. Hands on with the Arri Skypanels - a single operator’s perspective. NewsShooter. 2016. Hämtad från:
https://www.newsshooter.com/2016/05/18/hands-on-with-the-arri-skypanels-a-single-operato rs-perspective/ Besökt: 2020-11-16.
Nationalencyklopedin. “Thomas Young” Hämtad från:
http://www.ne.se/uppslagsverk/encyklopedi/lång/thomas-young/. Besökt: 2020-11-16.
X-rite. “ColorChecker Video.” u.å. Hämtad från:
