Tratamiento digital básico:
Transformación de
histogramas
Introducción
Un histograma es una
representación gráfica y estadística, nos ofrece información valiosa
sobre una imagen CCD o película digitalizada y permite leer e
interpretar los cambios que efectuamos a la imagen. Cualquier incremento
o disminución del brillo y/o contraste, tonalidad o color, tamaño,
etc... supone una transformación en el histograma. En astrofotografía
química o CCD, los histogramas constituyen una herramienta vital; el
manejo incorrecto o interpretación errónea puede llevar a provocar pérdidas
significativas de información totalmente irrecuperables. Por esta razón,
es necesario saber leer e interpretar los histogramas correctamente.
En el siguiente ejemplo
podemos observar el histograma correspondiente a una imagen CCD de cielo
profundo sin procesar. Se aprecian tres curvas en forma de campana
gaussiana que corresponden a cada uno de los canales RGB de la imagen:
Un eje del
gráfico corresponde al porcentaje y el otro al valor de píxel.
Interpretando el gráfico observamos que el canal verde destaca por tener
la curva con el pico más elevado. Podemos advertir que dicho canal es el
que contiene el mayor porcentaje de píxeles para un valor dado, pero
también podemos constatar que contiene los valores de píxel más bajos.
En cambio, el canal rojo a pesar de tener el pico menos elevado, contiene
los píxeles repartidos por un área mayor, y los valores generalizados
son significativamente más elevados que el resto de canales. Estas
pequeñas irregularidades o diferencias entre canales pueden ser producto
de las características de la película fotográfica o de factores como la
conversión analógica/digital, el revelado, etc...
Esta toma de una región
próxima al centro de la Vía Láctea corresponde al histograma que hemos
visto anteriormente y fue digitalizada para obtener un archivo de imagen
en bruto. Las características más visibles son la ausencia de brillo y
un claro dominio del color rojo, confirmando la mayor dispersión de dicho
canal. Estadísticamente muy pocos píxeles ocupan las altas luces; y esto
es así porque los objetos brillantes y las estrellas representan tan solo
una pequeña porción en la fotografía.
Antes de modificar la
imagen vamos a conocer cuales son las funciones disponibles y cómo
emplearlas convenientemente.
Controles
del histograma
Existen tres
puntos de control a lo largo del histograma en forma de pequeños triángulos:
dos en los extremos que corresponden a las sombras y las luces, y los
medios tonos en el centro:
Estos
controles los podemos desplazar, o bien introducir a cada uno de ellos un
valor concreto entre 0 y 1 que en el rango normalizado corresponde al
negro absoluto y blanco puro respectivamente. Una vez familiarizado con el
manejo de estos controles y el histograma, vamos a ver cómo emplearlos
convenientemente.
Ajuste
del rango dinámico
Generalmente
en una imagen en bruto capturada por un dispositivo CCD, los píxeles están
distribuidos en un rango menor al disponible. Mediante el ajuste de las
sombras y las luces podemos distribuir los píxeles y aprovechar al máximo
el rango dinámico:
A la
izquierda vemos un histograma en escala de grises captado por un escáner
de películas. Se aprecia claramente la ausencia de píxeles a los
extremos. En el ejemplo de la derecha se recortó el histograma y el
resultado quedó de la siguiente manera:
La información
queda ahora distribuida correctamente por todo el rango dinámico y hemos
conservado el aspecto general de la curva del histograma. Este paso es muy
delicado porque si recortamos el histograma excesivamente, se saturarán
los píxeles más próximos a las sombras y las altas luces. Si decidimos
posteriormente recortar de nuevo el histograma, nos debemos asegurar de
que no estamos eliminando información significativa.
Medios
tonos
La función
de medios tonos situada en el centro del histograma controla el brillo
general de la imagen, alterando el valor de los píxeles y por
consiguiente, la curva del histograma. Sin embargo, si el valor que
introducimos es mayor que el actual, la curva del histograma tiende a
comprimirse en un área más estrecha. El efecto contrario será visible
si el valor introducido es menor, dispersando más los píxeles en el
histograma.
Veamos los
siguientes ejemplos:
En la
ventana de la izquierda hemos introducido un valor a los medios tonos de
0.25 y en la de la derecha un valor de 0.75. La curva inferior de cada
ventana muestra el aspecto original antes de transformar el histograma y
la superior el aspecto después de la transformación. Se observan pues
dos efectos distintos: por un lado aplicar un valor bajo aclara la imagen
y dispersa los píxeles, y por otro, un valor más alto da como resultado
valores inferiores (imagen más oscura) y una curva más estrecha y
comprimida.
A continuación
vamos a ver el efecto que toma nuestra imagen después de aplicar un valor
de 0.25 a los medios tonos:
La señal
aumenta y los objetos débiles se hacen más visibles. No obstante, el
fondo del cielo se vuelve más brillante y disminuye el contraste general.
Para
solucionar esto podríamos recortar de nuevo el histograma en las sombras.
Sin embargo, realizar esta operación es incorrecto si anteriormente ya
ajustamos el rango dinámico; los píxeles que tenemos más oscuros pasarían
a ser absolutamente negros (valor 0), perderíamos detalle en las sombras
y por lo tanto, información significativa.
La solución
a este problema es poder actuar justo en la zona del rango donde están
ubicados los píxeles de fondo, y no desde el extremo de las sombras. A
continuación, vamos a ver qué herramienta puede hacer esto.
Curvas
Hemos visto
que los histogramas contienen tres puntos de control: sombras, luces y
medios tonos. La herramienta Curvas permite transformar los histogramas
con una precisión mayor, ya que se pueden aplicar varios puntos de
control desde cualquier lugar en el histograma.
En este
ejemplo puede verse una función de curvas trazada después de predefinir
cinco puntos de control a lo largo del rango. Como resultado se obtienen
valores más bajos para el fondo del cielo, mientras se mantiene los
detalles en las sombras y las luces:
En la
ventana superior derecha se puede ver la curva generada para transformar
la imagen y el histograma inferior corresponde al resultado de aplicar
dicha función. Véase la nueva ubicación de los píxeles tras la
transformación con respecto al histograma superior. Hemos conseguido que
el fondo del cielo tome valores más oscuros sin sufrir pérdidas de
información.
Balance
de color
Durante
nuestra primera toma de contacto con el histograma ya constatamos que la
información de cada canal mostraba una distribución irregular y un claro
dominio del color rojo en la imagen. Esto se ha vuelto más patente después
de ajustar el rango dinámico (sombras y luces) y aplicar una función de
medios tonos. Para obtener un balance cromático neutro vamos a volver a
los controles del histograma y con el ajuste de medios tonos desplazamos
independientemente las curvas hasta hacer coincidir cada uno de los picos.
La imagen
resultado, histograma previo e histograma final queda así:
Ahora ya
hemos conseguido equilibrar la imagen cromáticamente. Sin embargo,
algunas regiones del cielo muestran ligeras dominantes de color, como en
este caso la Vía Láctea. En este tipo de casos alinear los picos de cada
canal como hemos comentado, puede dar resultados incorrectos. Con el fin
de obtener un resultado más natural en el ejemplo que mostramos, ha sido
necesario desplazar ligeramente el canal rojo a la derecha del histograma
hasta conseguir un balance cromático más natural.
Hasta aquí
hemos aprendido a leer, interpretar y manejar los histogramas con el fin
de aprovechar al máximo la información disponible y realzar los detalles
más débiles. El manejo de los histogramas nos permite elevar la señal
para aumentar el contraste. Pero esto también puede suponer una
desventaja, porque el elevar la señal comporta también un aumento del
ruido en la imagen. Existe pues una limitación a la hora de incrementar
el contraste de una fotografía mediante los histogramas y las curvas. La
solución a este problema consiste en obtener una mejor relación señal/ruido
que permita luego ser más agresivo en cada uno de los procesos, bien
mediante la combinación de tomas de exposición más corta, o atacando el
ruido directamente.
Para más
información escribe a astro35mm@astrosurf.com
