Głębia bitowa – ile waży kolor?

Liczba bitów na piksel

Światło, a więc barwa, ma dwoistą naturę – jest zarówno falą elektromagnetyczną jak i określoną grupą cząstek zwanych fotonami. Istnieje również trzecia kategoria, do której moglibyśmy przyporządkować barwę – są nią liczby. Wszystkie urządzenia fizyczne, na których rejestrujemy lub wyświetlamy nasze filmowo-fotograficzne materiały, definiują barwne obrazy z perspektywy liczbowej.

Konkretna liczba barw możliwa do odwzorowania przez dane urządzenie nazywana jest głębią bitową (koloru) obrazu. Jednostką używaną do określenia głębi bitowej jest liczba bitów na piksel, w skrócie bpp (bits per pixel). Im więcej bitów przypisanych jest do pojedynczego piksela obrazu, tym bogatsza jest informacja o jego barwie osadzonej w konkretnej przestrzeni barwnej np. sRGB, Adobe RGB czy ProPhoto RGB. Wraz ze wzrostem bitów zwiększa się również rozmiar danego pliku.

Każdy pojedynczy bit informacji cyfrowej może posiadać dwa stany: 0 lub 1. A więc piksel o głębi bitowej 1 może przyjąć dwie wartości: biel lub czerń. Idąc tym tropem, aby obliczyć dostępną liczbę kolorów w ramach określonej głębi bitowej, musimy skorzystać ze wzoru:

Posłużmy się przykładem dla obrazu 8-bitowego: liczba 2 podniesiona do potęgi 8 równa się 256 odcieniom. Dodatkowo biorąc pod uwagę fakt, że każdy piksel zbudowany jest z 3 kanałów barwnych RGB (a dokładnie z 3 subpikseli emitujących światło czerwone, zielone i niebieskie) i że w każdym z tych kanałów mamy do dyspozycji tyle samo odcieni, to aby otrzymać ostateczną ilość barw możliwych do uzyskania w ramach danej głębi bitowej, musimy kolejno pomnożyć każdy kanał przez siebie:

Dokładnie tyle barw na obrazie jest w stanie wyświetlić lub zreprodukować dane urządzenie o głębi koloru 8-bitowej – ponad 16 milionów. Warto dodać, że oko ludzkie jest w stanie rozróżnić średnio 10 milionów barw – tylko tyle i aż tyle – więc wynik uzyskany przez obrazek o głębi 8-bitowej wydaje się być dość dobry, a nawet za dobry dla naszego aparatu percepcyjnego. Wcale nie jest jednak tak różowo, jak mogłoby się wydawać, o czym przeczytacie w dalszej części tekstu.

Analogicznie dla obrazu o głębi 10-bitowej otrzymamy 1024 odcieni na kanał, czyli 1073 741 824 barw, dla obrazu 12-bitowego będzie to 4096 odcieni na kanał, czyli 68 719 476 736 barw, natomiast dla obrazu o głębi 16-bitowej – jest to obecnie głębia największa, którą mogą zarejestrować współczesne kamery – będzie to 65 536 odcieni na każdy kanał, a więc spektakularne 281 474 976 710 656 barw. To naprawdę robi wrażenie i przekłada się realnie na jakość materiałów, z którymi pracujemy. Fotografie osiągają jeszcze znakomitsze wyniki, bo aż 32-bitową głębię i 4 294 967 296 odcieni na pojedynczy kanał.

Podsumowując – im większą liczbą bitów dysponujemy, tym więcej barw możemy zarejestrować i pokazać. 

Przykład obrazu z głębią koloru 4-bitową równą 16 odcieniom na kanał

W przestrzeni internetowej przyjęło się publikowanie materiałów o 8-bitowej głębi koloru, gdyż pozwala ona ludzkim oczom w sposób zupełnie wystarczający rejestrować łagodne przejścia tonalne między poszczególnymi barwami. Co więcej, większość użytkowników internetowych przegląda treści i obrazy właśnie na monitorach 8-bitowych, których ilość na pewno przewyższa liczbę użytkowników ekranów profesjonalnych, z głębią wyższą.

Mogłoby się wydawać, że ponad 16 milionów barw jest ilością wystarczającą, żeby odwzorować satysfakcjonujące spektrum barw. Jednak w niektórych sytuacjach 8-bitowa głębia to zdecydowanie za mało, a na naszych obrazach pojawiają się nieestetyczne i skokowe gradienty. Dlaczego tak się dzieje? 

Banding

Efekt bandingu, często nazywany pasmowaniem lub posteryzacją jest zjawiskiem, które występuje na styku przejść tonalnych różnych barw. Pojawia się wówczas, kiedy dana głębia bitowa posiada zbyt mało informacji o kolorze i nie jest w stanie oddać płynnego gradientu barwnego.

Dzieje się tak w sytuacjach, kiedy przykładowo fotografujemy zachód słońca, a na naszym niebie – zamiast łagodnych przejść tonalnych – pojawiają się kolorowe, mniej lub bardziej poszarpane pasy, które są mocno od siebie odcięte. Ich obecność świadczy o tym, że nasz sprzęt nie jest w stanie zarejestrować tonalności naturalnych gradientów występujących w naturze.

Podobna sytuacja może się nam przytrafić, gdy będziemy fotografować (lub filmować) błękitne niebo z mocnym świecącym punktem – słońcem – lub w prawie całkowitych ciemnościach rozświetlonych pojedynczym punktem – na przykład  świeczką albo latarką.

Poniżej prezentujemy przykład klasycznego bandingu na fotografii o głębi koloru 8-bitowej.

Tak więc im mniejsza głębia bitowa, tym większe ryzyko wystąpienia bandingu.

Kiedy możemy jeszcze zaobserwować ten efekt? Pojawia się on również w momencie, gdy wyświetlamy materiał o głębi bitowej większej niż jest w stanie odwzorować monitor – np. gdy pokazujemy 16-bitowy materiał z kamery na 8-bitowym monitorze. Banding pojawia się również w sytuacjach, kiedy edytujemy obraz i poddajemy go dużej ilości manipulacji.

Poniżej prezentujemy przykład 8 i 16-bitowego zdjęcia, poddanego dość sporej postprodukcji – ekstremalnie ściemniliśmy oraz ponowne rozjaśniliśmy zdjęcie. 

Możemy zaobserwować, że obrazek o głębi 8-bitowej kompletnie nie poradził sobie z naszą obróbką i pojawiły się na nim graficzne artefakty na styku przejść tonalnych poszczególnych barw. Obraz o głębi 16-bitowej nie uległ natomiast żadnej widocznej deformacji – ilość informacji o kolorze jest na tyle duża, że poradził on sobie bezproblemowo z radykalnymi zmianami tonalnymi na styku barw. 

Kiedy używać dużej głębi bitowej?

Wysokie wartości głębi bitowej przydadzą się w momencie, gdy decydujemy się na zaawansowaną obróbkę kolorystyczną. Praca z wartościami wysokimi, takimi jak na przykład 12, 16 i 32-bit, daje nam całkowitą pewność, że nasz materiał jest w pełni podatny na wszelkie manipulacje związane z kolorkorekcją, włącznie z możliwością całkowitej zmiany poszczególnych barw w naszym obrazie na kompletnie inne – oczywiście bez utraty na jakości naszego materiału wyjściowego oraz bez ryzyka pojawienia się wcześniej wspomnianego bandingu. 

Większa głębia bitowa oznacza także możliwość pracy z szerokim zakresem barw w różnych przestrzeniach barwnych. Dostęp danego urządzenia do pracy z dużą głębią bitową jest nawet ważniejszy niż możliwość pracy w szerokiej przestrzeni barwnej, ponieważ to właśnie głębia determinuje dokładną ilość barw, którą jest w stanie zreprodukować urządzenie, a nie na odwrót. 

Więcej na temat szczegółowej specyfikacji poszczególnych przestrzeni barw oraz opisy zakresu gamut dla różnych urządzeń fizycznych znajdziesz w naszym osobnym wpisie na ten temat.

➡ Przestrzeń barw i gamut – wstęp do reprodukcji barwy

Wiesz już, że większość standardowych urządzeń wyświetla materiały o głębi 8-bitowej. Czy wobec tego praca z większą ilością bitów ma sens? Oczywiście, że tak!

Technologia nieustannie ewoluuje i dostarcza nam coraz to nowszych i bardziej zaawansowanych urządzeń zdolnych do wyświetlania szerokiej palety barw z wyjątkową głębią kolorów. Na rynku konsumenckim coraz bardziej upowszechniają się również urządzenia, których głębia koloru jest co najmniej 10-bitowa, a to oznacza, że z dużym prawdopodobieństwem spora część naszych odbiorców obejrzy nasz materiał w lepszej jakości – zbliżonej do tej, którą my sami widzimy na naszych urządzeniach. 

Biorąc pod uwagę fakt, że zapewne nie planujesz tylko wyświetlać swoich materiałów w sieci, ale także drukować je w naprawdę dużych formatach, reprodukować na kinowych projektorach lub wyświetlać na wysokiej jakości profesjonalnych ekranach monitorów 4k lub HDR warto zawsze pracować na maksymalnych wartościach głębi bitowej – a nie ograniczać się do powszechnego internetowego „standardu", który również ulega powolnym modyfikacjom.

Więcej informacji o głębi bitowej w kontekście wyboru odpowiedniego monitora do pracy z zaawansowaną obróbką kolorystyczną znajdziesz w naszym poradniku:

➡ Jak wybrać odpowiedni monitor – poradnik dla każdego (część 4)