Яркостная гистограмма — это такой график, в котором по горизонтали — яркость, от нуля (абсолютно неяркий, черный), до максимума в 255 (абсолютно яркий, белый), а по вертикали — количество точек, имеющих эту яркость. Таким образом:

а. для полностью черного снимка получим тонкий-тонкий столбик слева (много черных точек, и никаких других), для полностью белого — столбик справа, для серого (128) — столбик посередине;
б. для, к примеру, градиента — абсолютно плавного перехода с черного цвета на белый, получим на гистограмме ровный прямоугольник, т.к. там одинаковое количество точек каждой яркости;
в. в большинстве реальных фотографий из реальной жизни получим некую кривую. Если у нее есть видимый горб в левой части гистограммы, значит, в фотографии больше темных тонов, low key. Если в правой части — то значит, она такая светленькая, high key;
г. Если гистограмма не доходит до левого края, значит, в фотографии нет полностью черного тона, а только серый; если не дотягивает до правого — значит нет полностью белого. Если не дотягивает ни до того, ни до другого — значит, фотография в целом серая, вялая;
д. Если горбик гистограммы выглядит состоящим из отдельных «зубчиков» с перерывами между ними, значит в фотографии мало промежуточных тонов, т.е. отдельных тонов в общем мало, фотография контрастная. Если горбик плавный — значит, фотография мягкая, с плавными переходами. Соляризованные фотографии (с предельном малым количеством полутонов или без таковых вообще) выглядят как два-три-четыре тонких столбика всего. Т.е. есть точки такой, такой и такой яркости, а промежуточных между ними — нет. Полностью графичная фотография, с только черными и белыми тонами — два столбика: самый правый и самый левый.

Рис.2. Фотография и ее гистограмма. Горбик в левой части оттого, что снимок в целом темный, low key. Маленькая горка справа соответствует тонам белых цветов.

ЦВЕТНАЯ ГИСТОГРАММА
В общем, то же самое, что и яркостная, только строится отдельно для яркостей в каждогом цветовом канале. Т.е. их три — красная, зеленая и синяя. Ну, и смысл в том же: гистограмма в красном канале показывает, сколько есть точек с соответвующим значением в красном канале. Если красная гистограмма сбилась в кучу слева, значит, в фотографии в общем мало красных тонов, вся она в целом цианистая, если синяя — значит, фотография в целом желтовата, и т.п. Если гистограмма синего цвета не доходит до правого края, значит нет такой точки на фотографии, у которой максимум в синем канале. Аналогично, если все три цветовые гистограммы не дотягивают ни до левого, ни до правого краев, значит в фотографии мало насыщенных цветов. Фотография без насыщенных цветов — то, что на языке недовыраженных эмоций называется «блеклая».

Рис.3. Фотография, ее яркостная гистограмма и гистограмма синего канала. Фотография имеет выраженный желтый колорит, поэтому в синем канале гистограмма существенно сдвинута влево.

ЛОГАРИФМИЧНОСТЬ
Человеческое зрение логарифмично (и слух, и остальные чувства — тоже). Это значит, что когда мы видим некую «ступеньку» яркости, то на самом деле имеет место быть умножение, а не сложение. К примеру, картинка полутонов для калибрации мониторов, которую публикуют на многих сайтах, воспринимается нами как ряд одинаковых ступенечек. Мы визуально воспринимаем этот ряд как арифметический, а он на самом деле — логарифмический.
Т.е., то, что мы видим как
А + х = В, В + х = С, С + х = Е, и т.п.
на самом деле является
А * х = В, В * х = С, С * х = Е, и т.п.
То же самое, кстати, с нотами на пианино, ибо слух наш тоже логарифмичен.

УРОВНИ
Когда мы открываем в фотошопе «уровни» (ctrl-L), мы видим гистограмму нашего снимка, как она есть. Под гистограммой — три движка. Справа — белый, слева — черный, и серый — посередине.
Я могу двигать каждый из них. В чем смысл?

Рис.4. Уровни

Правый край шкалы гистограммы — это точка максимальной яркости (белая). Если моя гистограмма «не дотягивается» до правого края, значит, в моей фотографии нет белых точек. Я беру правый движок (белый) и двигаю его налево. Это говорит фотошопу, что за белую теперь следует принять ту яркость, в которой я остановил движок, а все остальные уровни яркостей следует пересчитать логарифмически.

Т.е. изначально движок стоял на 255, а я его сдвинул на 200. Теперь все точки в моей фотографии, которые имели яркость 200 (если таковые были), будут иметь яркость 255, все, которые были 199 — где-то 253, и т.п. Т.е. фотошоп пересчитает все уровни, даже если у меня не было точек с какой-то яркостью.

Рис.5. Сдвиг белого движка с 255 до 200 — осветление снимка с потерей деталей в светах

А для чего мне нарисовали гистограмму под линейкой уровней? Чтобы я видел, что делаю.
Самая правая точка моей гистограммы соответствует самой яркой точке моей фотографии. Если я придвину правый (белый) движок к ней, то самая яркая точка моей фотографии станет абсолютно белой. А если я буду продолжать двигать движок налево, то даже не самые яркие мои тона станут белыми. А те, которые останутся справа от движка, будут и подавно белыми, т.е. несколько тонов превратятся в один, белый (рис.5). Я начинаю терять полутона в светах. Т.е. чаще всего я не захочу тащить белый движок левее правого края своей гистограммы (см. рис.6).

Рис.6. Сдвиг правого движка до правого края гистограммы. Детали не теряются, т.к. в снимке нет точек, с яркостью больше 170. Контраст снимка увеличиватся.

Совершенно аналогично левый движок (черный). Он определяет, какой уровень моей теперешней фотографии станет абсолютно черным после обработки. Остальные пересчитываются логарифмически. Т.е. я могу вдвигать его внуть, пока не дойду до левого края своей гистограммы, и это будет значить, что самый темный тон моего снимка станет абсолютно черным (если мне это надо, конечно). Двигая его дальше левого края гистограммы, я начинаю терять детали в тенях, т.к. все тона, оставшиеся слева от движка, превращаются в один тон — черный.

Серый движок (посередине) определяет, какой тон будет средне-серым (128). Я могу двигать его вправо или влево. Двигая его вправо, я делаю серыми те тона, которые изначально были светлее серого, т.е. затемняю фотографию. При этом я только перераспределяю тона, черный остается черным, белый — белым, а все промежуточные тона становятся темнее. А когда я двигаю его влево, я делаю серыми те тона, которые были изначально темнее серого, т.е. осветляю фотографию.

Рис.7. Сдвиг среднего движка с 1 до 1.3 — осветление снимка без потери деталей.

Справа от гистограммы есть еще три кнопки с пипетками. Пипетки — это альтернативный способ задать положение движков. Т.е. вместо сдвигания правого (белого) движка до желаемого значения, я могу «взять» правую (белую) пипетку, и «показать» на самом изображении, какой именно тон я желаю превратить в белый. Это абсолютно аналогично сдвигу правого движка до яркости выбранной мною точки, что, в свою очередь, абсолютно то же самое, что вписать значение яркости выбранной мною точки в правое из окошек «Input Levels». Все три способа — вписывание числа в окошко, перемещение движка или показывание пипеткой, делают то же самое — показывают, какой уровень следует принять за белый. Аналогично, средняя (серая) пипетка и среднее окошко соответствуют серому движдку, а левая (черная) пипетка и левое окошко — черному движку.

УРОВНИ И КОНТРАСТ
В изначальной фотографии было максимум 256 уровней яркости, от 0 до 255. Вдвигая правый и левый (белый и черный) уровени, я оставляю меньше яркостей, «отсекаю» те, что остались справа от движка, они становятся белыми. Иными словами, работая с правым и левым движками, я невольно делаю снимок контрастнее.

А что происходит с контрастом, когда я двигаю средний движок, напрмер, вправо? Справа от движка становится меньше точек, которые надо распределить по половине диапазона, следовательно там будет меньше уровней яркости, чем было до обработки. А слева — больше точек, которые тоже надо распределить по половине диапазона. Получается, что затемняя фотографию (средний движок — направо), я делаю света контрастнее, а тени — мягче. Аналогично, осветляя фотографию (серый движок — налево), я делаю света мягче, а тени — контрастнее.

Иногда после такой обработки можно увидеть «зубчики» на новой гистограмме.

ВЫХОДНЫЕ УРОВНИ
Под линейкой с тремя движками есть еще градиентная шкала и линейка с двумя движками. Это — операция, противоположная вышеописанной. Т.е. там мы говорили, что некий уровень, который был меньше белого, надо сделать белым. А тут мы говорим, что белый надо занизить до того, на который я поставлю правый движок. Соответственно левый движок показывает, каким станет бывший черный. После такой операции в фотографии не останется полностью белых тонов, снимок станет более серым, более блеклым, но и более мягким, с бОльшим количеством промежуточных тонов.

ЦВЕТНЫЕ УРОВНИ
Цветные уровни позволяют проводить вышеописанные операции с каждым из трех каналов отдельно. Это неплохой способ исправить (или изменить) баланс цветов. Например, на фотографии желтый оттенок (как часто случается получать из минилабов «Кодак»). Вероятнее всего, в гистограмме синего канала я увижу, что синий цвет не доходит до правого края гистограммы, а сбился в кучу в левой половине. Вдвигая правый движок примерно до края гистограммы я увеличу значение синего до 255 (абсолютный максимум) в тех точках, где оно было максимальное из всех имеющихся на фото. Если имел место цветовой разбаланс, то, после описанной операции со всеми каналами, цвета станут чище и нейтральнее, без выраженных налётов. В хороших фотоаппаратах, с тщательно просчитанными формулами, с помощью уровней иногда даже можно исправить ошибочный баланс белого или скорректировать цветное освещение. А в некоторых — нельзя.:-( В моей предыдущей камере Sony D770 ошибка в балансе белого была равносильна выбрасыванию снимка. Приходилось таскать с собой серую карту и все время измерять цвет освещения перед началом съемки. В теперешней — Olympus E-20 — установка баланса белого на глаз срабатывает четко, и даже в случае ошибки иногда можно исправить. В общем случае, на это нельзя полагаться. Баланс белого надо выставлять аккуратно.

Рис.9. Усиление оранжевого колорита путем сдвига влево среднего движка в красном канале

АВТО-УРОВНИ
Команда AutoLevels (ctrl-shift-L) делает следующее: в каждом из цветовых каналов, придвигает правый движок к правой границе гистограммы, а левый — к левой границе. Т.е. «подчищает» цвета в снимке. Чаще всего это визуально улучшает снимок, особенно после глупого сканирования неопытным чайником. Цвета становятся визуально чище, снимок, чаще всего, становится ярче и сочнее. Это потому, что теперь снимок использует весь доступный диапазон яркостей. Т.е. точка с максимумом красного теперь стала полностью красной, и т.п. Точка, в которой все цвета были на максимуме по снимку, стала однотонной нейтральной, вероятно, белой, хотя не факт, ибо эта операция работает с каждым цветовым каналом отдельно, но не трогает канал яркости.

Рис.10. Снимок до и после операции «Авто-уровни». Отчетливо видно, что операция чрезмерно повысила контраст.

В данном случае, недодержка была намеренной, экспозиция определялась точечно по белому цветку (push-процесс). Доводка данного снимка, разумеется, предполагает более тонкие инструменты, чем авто-уровни.

Но, как всегда, есть «но». Во-первых, если снимок имел выраженный колорит, то теперь он его иметь не будет, т.к. фотошоп «растянет» гистограммы недопроработанных цветовых уровней (см. рис.11). Во-вторых, если снимок по определению не содержал каких-то тонов, темных или светлых, то авто-уровни его угробят. Если фотография состояла из веселенького серенького цвета в белые крапинки, то теперь это будут белые крапинки на черном фоне. А если это были серенькие звездочки на черном фоне, то теперь это будут беленькие звездочки. Ну, и в-третьих, как мы уже сказали, использовение уровней увеличивает контраст, что не всегда желательно.

Рис.11. Авто-уровни «убили» розовый закатный колорит снимка (самый яркий тон фотографии стал белым).

Еще одна проблема авто-уровней — граничные значения. Фотошоп «не видит» гистограммы, он «вслепую» определяет ее край: просто «вдвигает» движки уровней внутрь, пока не обнаружит какое-то количество тонов, которые слились. Т.е. эта операция обладает некоей погрешностью и при ней некие полутона в цветах и тенях неизбежно теряются. В принципе, зная, как он это делает, всегда можно вручную и на глаз сделать это точнее и тоньше, чем автоматически. Кроме того, вручную можно сохранить колорит, не трогать определенный канал, или в каком-то канале не подводить движок вплотную к краю гистограммы, а оставить его на некотором расстоянии, короче, поиграться (до полного творческого удовлетворения).

УРОВНИ В ЧЕРНО-БЕЛЫХ ФОТО
В черно-белых фотографиях, а особенно — в портретах, следует проявить некую осторожность с уровнями. Например, человек сфотографирован на фоне неба. Смело хватаем уровень и приводим его к правой границе гистограммы. Небо стало абсолютно белым, снимок стал ярче, красивее. А если человек был на фоне стены, и стена оказалась плотнее (т.е. темнее) лба человека? То самым светлым местом на фотографии станет лоб человека, и именно его мы сделаем абсолютно белым. Получится такая белая «плешь», абсолютно без деталей, которую фотографы тактично именуют «блик». На черно-белых фотографиях есть только один канал. Часто приходится видеть снимки с абсолютно белыми бликами на руках, ногах, плечах, животах, лбах и щеках. Полутона, «ушедшие в блик», не вернуть. Тут уместнее всего «играться», т.е. подводить уровень не к самому правому краю гистограммы, а оставлять в некоем отдалении, так, чтобы желаемый лоб (плечо, рука, бедро) оставался узнаваемого миленького такого серенького телесного тона, а не становился белым. Аналогично с черным. Следует помнить, что исправить уже ничего нельзя будет.

Рис.12. Уровни в черно-белом снимке. В данном снимке, при работе с уровнями не следует придвигать белый движок к правой границе гистограммы, т.к. самым ярким тоном является блик на щеке модели и мы не хотим, чтобы он стал абсолютно белым.

УРОВНИ ПРИ СКАНИРОВАНИИ
Многие сканеры тоже имеют панельку для управления уровнями. Смысл, в общем, в том же: опираясь на окошко предварительного просмотра, Вы «сообщаете» сканеру, какой цвет считать белым, какой — черным, а какой — средне-серым.
Это очень важно, т.к. сканер соответственно пересчитает яркости. Если ему этого не сказать, то он может сделать самый яркий цвет в снимке каким-то блекло серым, и все это только потому, что крышка сканера или рамка фотографии (принятая сканером за точку отсчета) была ярче, чем тот объект, который Вы считаете самым ярким, и который должен быть самым ярким.

Есть интересное отличие: в фотошопе, вдвигание движков уровней внутрь делало снимок контрастнее, т.к. заставляло перераспределять меньшее количество уровней в большем диапазоне. При сканировании — наоборот. Мы говорим, какая точка самая яркая, какая — самая темная, а остаток распределяется сканером на 256 уровней. Т.е. мы задаем меньший интервал яркостей, который должен разложиться на те же 256 полутонов. Значит, работая с уровнями при сканировании, мы делаем фотографию мягче, а не контрастнее, делаем в ней больше полутонов.

УРОВНИ В CMYK
До сих пор, чтобы каждый раз не оговариваться, я говорил про уровни в аддитивной системе (RGB). В субтрактивной системе мы не складываем цвета, получая в сумме белый, а вычитаем их из белого, получая черный, когда все вычтено. Поэтому в CMYK все панели, кроме яркости, выглядят наоборот. Т.е. самый темный уровень — справа, а светлый — слева. Движок влево — затемнение, движок вправо — осветление. Ну, и соответственно, уровни считаются не в абсолютной шкале, от белого 0 до черного 255, а в относительной, от 0 до 100%. 0% — белый цвет, которого ничего не вычтено. 100% — черный, из которого все вычтено, ничего не осталось. В панели яркости все остается, как прежде.

УРОВНИ И АРИФМЕТИЧЕСКАЯ ЯРКОСТЬ
Арифметическая яркость (brightness) — это гнусная функция, сделанная глупыми компьютерщиками, ничего не понимающими в логарифмичности нашего зрения. Когда мы достаем какую-то дряную программку, сделанную программером дома на коленках в свободное от тетриса время, и там увеличиваем яркость, то программка просто гордо прибавляет какое-то значение к яркости в каждой точке. Стал ли снимок от этого светлее? Это еще как сказать. Если в снимке были белые точки, то прибавив к их яркости какое-то число, мы вывели их за 255, т.е. они остались белыми. Если были какие-то «почти белые» точки, то они тоже могли выйти за 255, т.е. слились с теми, которые и без того были белыми. Т.е. мы теряем полутона практически сразу.
А что еще? А еще, если у нас были, допустим, черные точки, то после прибавления к ним некого числа, они стали не совсем черными, а темно-серыми. А главное, снимок не станет визуально светлее, т.к. логарифмическая разность самого светлого и самого темного не поменяется, а только сдвинется. Зато сразу появятся шумы. Аналогично в другую сторону. Короче, арифметическая яркость всегда портит снимок, делает его серее, сбивает баланс цветов и всегда теряет полутона либо в светах, либо в тенях.

А для чего же эта функция есть в фотошопе? Ну, например, для коррекции. Преобразование в CMYK и обратно делается по формулам близким к k/x+b, т.е. результат преобразования может получиться сдвинутым, и тогда арифметической яркостью можно вернуть изображение в нужный диапазон, а потом — «лечить» его уровнями. А еще мы не всегда работаем в RGB и CMYK, есть другие пространства, где у яркости другой смысл.

Главное, что «арифметическая яркость» — это не инструмент осветления и затемнения, ибо таковым является Levels — уровни.

Рис.13. Арифметическая яркость. Увеличение арифметической яркости привело к исчезновению деталей в светах (облака). Общий контраст снимка уменьшается.

КРИВЫЕ
Кривые, это, в общем, те же уровни, только с бОльшим контролем над процессом. Когда я говорил про движки, я упомянул, что мы задаем уровень для белого, серого и черного, а остальные пересчитываются логарифмически. В «кривых» можно управлять тем, по какому закону перераспределяются яркости, т.е. прямо задавать передаточную функцию между тем, что есть, и тем, что хочется. По оси Х — существующие яркости (то, что есть), по оси Y — то, во что их надо перевести (то, что хочется). Вдоль обеих осей нарисованы градиенты, показывающие плотность в каждом данном Х и Y. Форму кривой можно менять путем расставления и «перетаскивания» по ней точек перегибов. Фотошоп даже не рисует при этом гистограмму на фоне (некоторые другие программы — рисуют), т.к. эта операция настолько хирургическая, что практически всегда необходимо отслеживать по реальному экрану, что же там происходит. Эта операция часто используется в полиграфии для тонкой коррекции тонов, выводимых принтером, или при сканировании.
Кривые — более тонкий и чувствительный инструмент, чем уровни, и его обсуждение выходит за рамки данного изложения.

Рис.14. Кривые. Показанная операция одновременно осветляет света и притемнят тени.