Фотопейзаж и компьютер

2.6. Колориметрические отображения

После того как были определены цветовые пространства, нужно объяснить, как преобразовывать изображения из одного цветового пространства в другое. В процессе компьютерной обработки неизбежно приходится это делать, явно или неявно. Так, картинка, полученная сканером или цифровой фотокамерой, представляет собой множество точек (пикселей), координаты которых даны в цветовом пространстве данного устройства. Эта картинка преобразуется в независящее от устройства рабочее цветовое пространство графического редактора. Затем, для просмотра – в цветовое пространство монитора. И, наконец, после обработки в редакторе – в цветовое пространство принтера. Если эти преобразования не делать, то камера запишет в файл одни цвета, монитор покажет другие, а принтер напечатает третьи, несмотря на то, что во всех трех случаях числовые значения координат цвета в файле будут одними и теми же. И останется только надеяться, что все три цветовых пространства не будут сильно различаться.

Но, как правило, цветовые охваты входного и выходного цветового пространства далеко не одинаковые. Например, как уже многократно упоминалось, некоторые светлые зелено-голубые оттенки обычный струйный принтер может воспроизвести, а обычный монитор – нет. Поэтому при переходе сохранить все цвета не удастся, и нужно решить, чем можно будет пожертвовать и каким образом.

Чтобы определить, каким цветом выходного пространства изобразить данный цвет входного (то есть, задать gamut mapping, соответствие цветовых охватов), таблицу соответствия, конечно, не составляют. Вместо этого задают алгоритм такого преобразования (это еще называется «вид колориметрического отображения» или «тип цветопередачи», rendering intent).

Для обработки пейзажей важны два следующих алгоритма преобразования цветовых пространств: перцептивный и колориметрический. Первый пытается сохранить общий вид картинки в ущерб точности цветов. Второй, наоборот, пытается точно воспроизвести цвета, даже если при этом общий вид картинки пострадает.

Колориметрических алгоритмов тоже два: относительный (относительно точки белого среды, то есть, бумаги, экрана монитора, пленки слайда или виртуальной среды аппаратно-независимого ЦП) и абсолютный. Абсолютный старается передать цвета без каких-либо изменений, а относительный – изменяет цвета так, чтобы точка белого входного пространства изображалась цветом точки белого выходного пространства.

В первом приближении эти алгоритмы можно описать так (для случая, когда цветовой охват выходного пространства меньше).

Перцептивное, или воспринимаемое, отображение равномерно (или S-образно) сжимает входное цветовое пространство так, чтобы оно целиком вошло в выходное. При этом изменяются все цвета, даже и те, которые входят в оба пространства и, вообще говоря, могли бы не изменяться при преобразовании. Сделано это для того, чтобы сохранить соотношение для всех цветов, а не только для воспроизводимых в выходном пространстве. Если не сжимать все цвета входного пространства, то чтобы «втиснуть» в выходное пространство новые цвета не было бы места. Таким образом, при перцептивном отображении сохраняется правильное соотношение между всеми цветами входного пространства, но теряется идентичность цветов из общей части обоих пространств (при переходе такие цвета тоже изменяются).

Сохранение соотношения всех цветов означает, что для любых двух цветов выполняется следующее:

• если до преобразования один цвет был светлее другого, то и после преобразования он останется светлее, хотя яркость обоих цветов может измениться;

• если до преобразования один цвет был насыщеннее другого, то и после преобразования он останется насыщеннее, хотя насыщенность обоих цветов может измениться;

• если до преобразования один цвет был, например, зеленее другого, то и после преобразования он останется зеленее, хотя цветовой тон обоих цветов может измениться.

При сжатии ЦП, контраст и насыщенность всегда падают. S-образное сжатие позволяет лучше (по сравнению с линейным случаем) сохранить контраст в средних тонах. Но за счет еще большего уменьшения контраста в темных и светлых частях изображения.

Разумеется, если выходное пространство больше входного, то перцептивное отображение растягивает входное цветовое пространство, а контраст и насыщенность при этом возрастают.

Все это только в первом приближении. В идеале перцептивное отображение должно использовать цветовой охват не всего входного пространства, а гамут конкретного изображения, представленного в этом пространстве. Последний часто существенно меньше, и требует меньшего сжатия и, следовательно, не такого сильного уменьшения насыщенности и контраста.

На практике перцептивное отображение использует некоторую промежуточную степень сжатия ЦП, которая зафиксирована в профиле соответствующего устройства. Такую степень каждый автор профиля определяет по-своему, исходя из цветового охвата устройства и некоторой оценки того цветового охвата, который обычно встречается в фотографиях.

Относительное колориметрическое отображение преобразует яркости линейно и так, чтобы точка белого входного пространства попала в точку белого выходного пространства. Таким образом, детали светлых частей изображения не будут потеряны, но за счет ухудшения других цветов. Так, если точка белого выходного пространства темнее, то и вся картинка станет темнее, и может произойти потеря деталей в тенях. Если цветности точек белого входного и выходного пространств разные, то цвета входного пространства изменяются соответственно. Например, если точка белого выходного пространства голубее, то все цвета входного пространства смещаются в голубую сторону.

Для того чтобы смягчить недостатки относительного отображения, применяют «компенсацию точки черного». Идея этого алгоритма состоит в том, чтобы с помощью линейного (или нелинейного) преобразования цвета в области теней добиться того, чтобы, дополнительно, точка черного входного пространства попала в точку черного выходного пространства. Таким образом, детали сохраняются и в светлых и в темных частях изображения, но падает общий контраст и насыщенность.

В том случае, когда точка черного выходного пространства светлее точки черного входного пространства, тени получаются светлее, а цвета в тенях менее насыщенными. В этом случае результат применения этого алгоритма можно представить как добавление небольшого количества белого цвета ко всем или только к темным цветам картинки (эффект тумана). Или вычитание (туман рассеялся), если точка черного выходного пространства темнее.

А что происходит с цветностью? В отличие от перцептивного отображения, при относительном отображении идентичность цветов из общей части обоих пространств сохраняется, но только в относительном смысле, относительно точки белого. Например, точка белого бумаги часто более желтая, чем точка белого монитора. Выравнивание точек белого приведет к тому, что области фотографии, выглядящие белыми на мониторе, будут напечатаны желтоватыми и все остальные цвета сдвинутся в желтую сторону на величину, равную разности между этими двумя точками белого. Кроме этого, поскольку в выходном пространстве нет места для цветов входного пространства, отсутствующих в выходном, то такие цвета заменяются наиболее близкими к ним цветами выходного пространства (например, с помощью понижения насыщенности). В результате происходит клиппирование цвета, то есть, два разных цвета входного пространства могут перейти в один и тот же цвет выходного пространства.

Если печатать картинку на бумаге разного оттенка с помощью относительного отображения, то принтер будет в каждом случае использовать одно и то же количество чернил для соответствующих точек изображения. Плотность красок будет одна и та же, но картинки, размещенные рядом друг с другом, могут выглядеть по-разному, потому что глаза не смогут одновременно адаптироваться к разным цветам бумаги и будут воспринимать цвета картинки в сумме с цветом бумаги. Если картинки сравнивать по очереди, так, чтобы глаза успевали переадаптироваться, то обнаружить разницу будет труднее.

Абсолютное колориметрическое отображение полностью сохраняет идентичность цветов из общей части обоих пространств, не учитывая различие точек белого и черного. В рассмотренном выше примере цвета, воспроизводимые и на мониторе и на принтере, будут напечатаны без изменений. Цвета, невоспроизводимые на принтере, будут клиппированы. В частности, области фотографии, выглядящие белыми на мониторе, будут напечатаны белыми, если белый цвет воспроизводится на принтере с желтоватой бумагой. Если же нет, то белый цвет будет клиппирован (например, заменен на желтоватый).

Если нужно посмотреть на экране монитора, как будет выглядеть эта же картинка, напечатанная на бумаге, то какое отображение следует использовать? Для простоты рассмотрим случай, когда цветовой охват картинки полностью вписывается в цветовой охват монитора. В случае абсолютного колориметрического отображения на экране воспроизведется желтоватый цвет бумаги, а для относительного – нет.

Абсолютное колориметрическое отображение используется, в частности, для того, чтобы напечатать картинку на одном принтере так, чтобы она выглядела так же, как если бы была напечатана на другом принтере или на печатной машине. При этом, если точка белого входного пространства темнее точки белого выходного, то белые области изображения будут напечатаны темнее, чем точка белого выходного пространства. При данном отображении, в отличие от относительного, могут возникать границы между пустым пространством (полями) и белыми областями картинки.

Если печатать картинку на бумаге разного цвета с помощью абсолютного отображения, то принтер учтет разные точки белого и будет использовать разные количества чернил для соответствующих точек изображения. Плотность красок будет разная, но картинки, размещенные рядом друг с другом, могут выглядеть одинаково.

Чтобы наглядно продемонстрировать разницу между двумя видами колориметрического отображения, я подкорректировал профиль принтера так, чтобы сместить точку белого в сторону желтого цвета. Точка белого в профиле была задана в пространстве CIEXYZ, поэтому я уменьшил значение координаты Z. На рисунке 2.1 показана получившаяся точка белого и результаты имитации распечатки принтера на экране монитора (softproof), для двух видов колориметрического отображения (река Немда, недалеко от города Советск, Кировская область).

Рис. 2.1. Имитация распечатки принтера на экране монитора с использованием разных колориметрических отображений: а) точка белого, заданная в профиле; б) абсолютное колориметрическое; в) относительное колориметрическое. Получено с помощью программы RawTherapee (пояснения в тексте).

Видим, что относительное колориметрическое отображение построило картинку относительно точки белого монитора, что привело к исчезновению влияния точки белого для принтера.

Так какой же вариант колориметрического отображения выбрать? Ответ на этот вопрос зависит от разных факторов:

• от цветового охвата конкретного изображения,

• от цели обработки изображения (нужного уровня цветовоспроизведения, см. ниже).

Например, если цвета, которые были бы клиппированы при относительном отображении, составляют незначительную часть данной картинки, и детали в этих цветах несущественны, то, возможно, следует выбрать именно этот вид отображения.

Понимая свойства колориметрических отображений, можно предвидеть (и подтвердить экспериментально), что произойдет с конкретным изображением. Упрощая, можно сказать, что перцептивное отображение изменяет все цвета, но сохраняет то, как изображение воспринимается, а колориметрическое сохраняет некоторые цвета, а другие портит. Перцептивное отображение вписывает изображение в цветовой охват и диапазон яркостей выходного пространства, а колориметрическое копирует цвета (для относительного – с учетом разницы между точками белого), которые находятся внутри цветового охвата выходного пространства, и минимальным образом искажает цвета, которые находятся вне его. Перцептивное отображение создает визуально-комфортное изображение, например, насыщенность может быть повышена, если выходное ЦП это позволяет. Перцептивное отображение используется, когда нужно правильно изобразить плавные переходы и градиенты цвета на границе цветового охвата выходного пространства. Колориметрическое (оба варианта) используется тогда, когда важнее обеспечить тождественность цветов. Но при этом не используются дополнительные цвета выходного ЦП (если они есть) и может произойти клиппирование цвета.

Если точки белого входного и выходного ЦП совпадают, то оба колориметрических отображения дадут одинаковый результат.

Если цветовой охват принтера очень большой (например, как у принтера Canon imagePROGRAF PRO-500, использующего 11 видов чернил), то абсолютное колориметрическое отображение может дать более точную цветопередачу для фотографий.

Одним из подходов к повышению качества алгоритмов преобразования цветовых охватов состоит в том, что для одного ЦП задают многооболочечный цветовой охват (multishelled), состоящий из нескольких вложенных друг в друга цветовых охватов: справочного или типового (reference gamut), правдоподобного (plausible gamut) и возможного (possible gamut). И алгоритмы сопоставления цветовых охватов применяют разные правила для разных областей, на которые эти оболочки разбивают ЦП. Например, типовой гамут может иметь точку белого темнее точки белого правдоподобного гамута. Первая используется для чисто белого цвета, а вторая – для изображения бликов. Аналогично точка черного типового гамута может использоваться в качестве предела при изображении деталей в тенях, а точка черного правдоподобного гамута быть еще темнее.

Как определить, что нужно сделать с цветом конкретной фотографии, что можно, а что нельзя? Различают несколько вариантов подхода к решению этой проблемы. Выбор конкретного варианта (уровня цветовоспроизведения), естественно, зависит от того, как будет в дальнейшем использоваться изображение. Возможны следующие уровни цветовоспроизведения:

• произвольное (как получится),

• визуально-комфортное (приятное на вид, pleasing color reproduction),

• колориметрическое (используются калибровка и профилирование, условия просмотра одинаковы, см. следующий параграф),

• по восприятию (колориметрическое с учетом разных условий просмотра),

• приоритетное (целенаправленная манипуляция цветом ради достижения нужного эффекта, color preference reproduction),

• оптимальная репродукция: максимальное сохранение цветового тона, минимальное масштабирование светлоты с сохранением отношений и среднего уровня, масштабирование насыщенности с сохранением отношений.

В пейзажной фотографии чаще всего применяют визуально-комфортное и приоритетное цветовоспроизведение. Но повышение насыщенности и контраста в целях визуально-комфортного цветовоспроизведения является в то же время и частичным учетом разницы в условиях просмотра реального пейзажа и отпечатка фотоснимка, то есть цветовоспроизведением по восприятию.

Визуально-комфортному цветовоспроизведению способствует, помимо всего прочего, и применение формальных правил типа «правила третей» или правила «60–30–10». Последнее правило используется дизайнерами и состоит в том, что доминантный цвет должен занимать 60 % площади картинки, а два акцентирующих цвета – соответственно 30 % и 10 %. Не знаю, применимо ли это правило к снимкам пейзажей. Скажем, зелень – 60 %, синее небо – 30 % и что-нибудь необычное – 10 %?

2.7. Модели восприятия цвета

Колориметрические отображения, описанные в предыдущем разделе, определяли способ преобразования одного цветового пространства в другое. Модели восприятия цвета (color appearance model) используются для описания преобразования цвета с учетом не только разных цветовых охватов используемых пространств и разных точек белого, но и еще двух обстоятельств:

• условий просмотра конечного изображения (viewing conditions),

• возможного целенаправленного изменения цвета изображения (image preference adjustments).

Под целенаправленным изменением цвета изображения подразумевается намеренное искажение цвета для того, чтобы получить нужный эффект. Для пейзажей часто усиливают насыщенность оттенков, зелень листвы, синеву неба. В этих случаях считают более важным добиться желаемого впечатления, нежели воспроизвести реальные цвета.

К условиям просмотра относятся:

1) спектральное распределение энергии источника освещения (при просмотре),

2) уровень фотометрической яркости изображения, фона и окружения,

3) размер цветного образца, расстояние и геометрия просмотра,

4) степень адаптации зрительной системы наблюдателя.

То, какой цвет человек видит, рассматривая предмет, определяется не только спектральным распределением энергии отраженного света, но и размером, формой, структурой предмета, фоном, а также состоянием адаптации зрительной системы наблюдателя и его личным опытом предыдущих наблюдений этого предмета. Для того чтобы уменьшить влияние условий просмотра, художники, в частности, используют серый холст, а графические редакторы – темно-серый фон.

Кроме перечисленного на восприятие изображения оказывает влияние посторонний свет, отраженный от поверхности картинки (veiling glare), например, отблеск, вызванный глянцем. Такой отблеск осветляет и уменьшает контраст темных частей картинки.

Обнаружено много ситуаций, в которых воспринимаемый цвет, яркость, и другие свойства отличаются от фактических. Например:

• симультанный контраст (simultaneous contrast): изменение воспринимаемой яркости и цветового тона при изменении яркости и цвета фона;

• эффект Бецольда-Брюкке (Bezold-Brucke): изменение воспринимаемого цветового тона при изменении фотометрической яркости (luminance);

• эффект Эбнея (Abney): изменение воспринимаемого цветового тона при изменении насыщенности (например, при добавлении белого цвета);

• эффект Ханта (Hunt): увеличение воспринимаемой полноты цвета (colorfulness) с увеличением фотометрической яркости;

• эффект Стивенса (Stevens): увеличение воспринимаемого контраста (brightness contrast) с увеличением фотометрической яркости;

• эффект Бартлесона-Бренемана (Bartleson-Breneman): воспринимаемый контраст уменьшается при затемнении окружения (surround);

• эффект размера (color size effect): воспринимаемая яркость и цветность (lightness and chroma) увеличиваются с ростом размера цветового образца;

• эффект Гельмгольца-Кольрауша (Helmholtz—Kohlrausch): воспринимаемая яркость возрастает с ростом насыщенности.

Воспринимаемая яркость очень сильно зависит от степени адаптации зрительной системы к (изменившейся) яркости освещения. Если яркость освещения возросла, говорят об адаптации к свету, то есть, об уменьшении чувствительности зрительной системы. Если яркость освещения, наоборот, уменьшилась, говорят о темновой адаптации, то есть, об увеличении чувствительности. Темновая адаптация происходит медленнее, чем адаптация к свету. Минимальный отрезок времени, необходимый для адаптации к данным условиям просмотра (не экстремальным) – 60 секунд. Максимальная чувствительность достигается после темновой адаптации в течение часа или даже более.

Модель восприятия цвета состоит из трех частей:

1) блок хроматической адаптации оценивает воспринимаемый цвет с учетом условий просмотра;

2) нелинейное преобразование из XYZ-пространства в некоторое более однородное цветовое пространство;

3) вычисление оценок воспринимаемых параметров таких, как яркость, цветовой тон, насыщенность и других.

Для того чтобы учесть влияние условий просмотра на воспринимаемые цвета, необходимо использовать модель восприятия цвета и осуществлять обработку изображений по следующей схеме.

1) Картинка, полученная сканером или цифровой фотокамерой, преобразуется в независящее от устройства цветовое пространство, например, CIEXYZ или CIELAB. При этом используются профили устройств и цветовых пространств (см. следующую главу).

2) Затем результат преобразуется в независящее от условий наблюдения (на мониторе) рабочее цветовое пространство графического редактора, например, ProPhoto. На этом шаге используется профиль монитора и модель цветового восприятия, учитывающая условия просмотра на мониторе.

3) Далее, после обработки в редакторе, происходит преобразование в новое аппаратно-независимое цветовое пространство, полученное с учетом условий просмотра отпечатка, напечатанного на принтере. На этом шаге используется модель цветового восприятия, учитывающая новые условия просмотра.

4) И, наконец, результат преобразуется в цветовое пространство принтера, например, CMYK, с использованием профиля принтера.

Ценность модели восприятия цвета состоит в том, что с ее помощью возможно вычислить (предсказать) цвета так, как человек воспринял бы их при заданных условиях просмотра. Кроме того, поскольку в этих моделях используются однородные цветовые пространства, то их можно использовать для оценки воспринимаемых различий в цветах.

Ключевое отличие моделей восприятия цвета от цветовых пространств заключается в том, что при изменении цвета источника освещения координаты цвета освещаемого предмета в этих пространствах изменяются. В то время как модель восприятия цвета дает один и тот же цвет независимо от цвета источника освещения.

При преобразовании изображения из одних условий просмотра в другие, возникает такая же проблема, как и при преобразовании цветовых пространств: некоторые цвета, видимые при одних условиях просмотра (например, при ярком освещении), нельзя воспроизвести при других (например, при слабом освещении). Поэтому, вообще говоря, необходимо задавать соответствие, аналогичное гамут-мэппингу.

Цветовой охват многих, если не всех, устройств также зависит от условий просмотра.