Hlavní navigace

Grafika v UNIXu - úvod do teorie barev

Stanislav Brabec 11. 2. 2002

Chceme-li pochopit, kde, proč a jak vzniká barevné zkreslení a jakými metodami jej korigovat, musíme se ponořit hlouběji do fyziky a nahlédnout do teorie barev. Dnes se dozvíme o spektru, osvětlení, lidském oku a jeho vztahu k barvám.

Spektrometrie

Jediným popisem, který téměř dokonale vystihuje barevnost objektu, je spektrogram. Jedná se vlastně o informaci, nakolik pro danou barvu (přesněji vlnovou délku světla) daný objekt světlo vyzařuje či pohlcuje. Jeho grafické znázornění se nazývá spektrum.

Existují dva typy spektra – spojité, na kterém se mohou nacházet absorbční čáry (úzké oblasti, ve kterých světlo nepřichází), a čárové, kdy světlo přichází jenom v úzkých pásech vlnových délek. První druh spektra nalezneme u tepelně vyzařujících těles. Absorbční čáry vznikají, jak název napovídá, pohlcením určitých vlnových délek při průchodu světla plynem nebo jinou průhlednou hmotou. Čárové spektrum naopak vzniká v horkých plynech a plazmatu. Bývá obvyklé, že na stejných vlnových délkách, kde nějaký plyn procházející světlo pohlcuje, ho také sám vyzařuje.

Typický příklad spojitého spektra nám nabízí Slunce. Při průchodu fotosférou, koronou a atmosférou Země ve spektru vznikají absorbční čáry. Dalším příkladem tepelného vyzařování je žárovka.

Tabulka č. 249

spektrum Slunce
Spektrum Slunce s vyznačenými absorbčními čárami.
Š Wabash Instrument Corporation, 1961. Obrázek převzat z Web Syllabu Dept. Physics & Astronomy University of Tennessee: The Solar Spectrum.

Čárové spektrum naproti tomu mají výbojky a zářivky. U těch se však výrobci snaží o co nejširší spektrum vyzařovaných barev. Čárové spektrum se také objevuje u Slunce v posledních dvou sekundách před a po úplném zatmění (protože pozorovatel již vidí pouze vyzařování plynů sluneční atmosféry).

Zvláštním druhem čárového spektra je monochromatické spektrum – takové spektrum obsahuje většinou jedinou poměrně úzkou čáru. Takové spektrum mají LED diody a lasery.

Barevná teplota a tepelné vyzařování

Pod názvem tepelné vyzařování absolutně černého tělesa se skrývá známá skutečnost, že rozžhavená tělesa vyzařují. Toto vyzařování je závislé pouze na teplotě a je zcela nezávislé na barvě a materiálu.

Tato spektra mají zásadní význam. Lze je popsat jediným údajem – teplotou vyzařujícího tělesa, tedy barevnou teplotou (obyčejně se udává v Kelvinech). V určitém rozsahu barevných teplot (zhruba mezi 3 000 K a 25 000 K) vnímáme tato spektra jako bílé barvy.

Kolorimetrie

Lidské barevné vnímání je pouze tříbarevné, a tak jsou spektrometrické nástroje příliš komplikované pro účely vnímání barev.

Protože spektrální citlivost zdravých lidských očí se u jednotlivců příliš neliší, je možné libovolný spektrogram převést jednoduchou matematickou operací (určitým integrálem součinu vyzařování a citlivosti přes vlnovou délku) na trojbarevný systém.

K tomuto převodu je třeba znát průběh spektrální citlivosti lidského oka pro jednotlivé barvy. Vrcholy citlivosti barvocitlivých čípků se nacházejí přibližně na 430 nm (fialová), 530 nm (modrozelená) a 560 nm (žlutozelená). Vrchol vysoce citlivých, ale barvu nerozeznávajících tyčinek se nacházejí kolem 510 nm. Komise CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) stanovila vlnové délky základních barev odlišně: 780,0 nm (červená), 546,1 nm (zelená) a 435,8 nm (modrá). Je to proto, že takové barvy pokryjí mnohem větší barevnou oblast.

Tabulka č. 250

průběh citlivosti lidského oka
Závislost citlivosti lidského oka v závislosti na vlnové délce.
Š 2000, 2001 photo.net. Obrázek převzat z článku Ed Scotta Color Vision.

Pokud bychom si však mysleli, že lze postupovat i naopak – vjem každé barvy sestavit z těchto tří standardních barev (RGB), mýlili bychom se. Křivky citlivosti se navzájem překrývají, a proto nelze mnoho velmi čistých barev složit z barev základních. Zejména v oblasti modrozelených barev bychom potřebovali výrazně záporné hodnoty červené komponenty. K témuž dochází slaběji i u purpurové a u žluté. V praxi navíc nelze použít čisté základní barvy, a tak se problém nedosažitelnosti dále zesiluje.

Kromě toho jsou tři barvy pro barevnou informaci nadbytečné – lidské oko je totiž nevnímá jako tři barevné komponenty, ale spíš jako jas a barevnou informaci, sestávající jen ze dvou komponent. Těmito komponentami mohou být např. odstín a sytost, nebo jednoduše spočítané hodnoty X a Y (vynásobením hodnot RGB vhodnou maticí a normalizací výsledných barevných hodnot X a Y vůči jasové komponentě Z). Barevný systém XYZ je výpočetně nenáročný, vyhýbá se záporným hodnotám, barvu udává jen ve dvou hodnotách a navíc i zčásti intuitivní – hodnoty X resp. Y vyjadřují „poměrnou červenost“ resp. „poměrnou ne-modrost“. Přes své zjevné nedostatky – zcela nefyziologicky zkresluje „vzdálenost“ barev (a tedy není vhodný pro ukládání obrazových dat v malých bitových hloubkách) a mnoho kombinací X a Y nedává žádný smysl – se stal základním referenčním barevným prostorem a všechny ostatní se vztahují k němu (stačí se podívat do popisu jazyka PostScript nebo do definice barevných profilů).

Nyní se můžeme vrátit k diagramu z třetího dílu a vysvětlit si jeho obsah.

diagram CIE

Na osách jsou vyneseny hodnoty X a Y. Oblouk znázorňuje čisté barvy spektra, jeho tětiva pak nespektrální purpurové odstíny. Světlý trojúhelník uvnitř obsahuje dosažitelné barvy v jednom ze systémů RGB (CIE REC 709). Jeho vrcholy znamenají základní barvy (jedná se o reálný barevný systém, a proto se základní barvy nenacházejí na oblouku prakticky nedosažitelných dokonale čistých barev). Dosažitelná oblast barev se nazývá gamut a obecně může záviset i na jasové složce.

Čára uprostřed znázorňuje barvy tepelného vyzařování, čísla na ní pak jednotlivé barevné teploty.

Černá oblast pak udává kombinace hodnot X a Y, které nemají smysl. Některé z nich však přesto mohou být v jistém smyslu reálné – jedná se o halucinační barvy. Ty nejsou dosažitelné žádným myslitelným osvětlením lidského oka. Lze je však vyvolat přímým drážděním zrakového nervu nebo mozkového centra zraku. O jejich rozsahu a možnosti jejich vynesení do diagramu XY mi není nic známo…

Vztah mezi aditivními a subtraktivními systémy

V již zmíněném třetím dílu jsme se seznámili s aditivním mícháním barev (jednotlivé komponenty jsou barevná světla a příspěvky se sčítají) a subtraktivním mícháním barev (jednotlivé komponenty jsou barviva a příspěvky se odčítají).

Proto i základní barvy subtraktivního systému jsou jiné – azurová (která pohlcuje nejvíce červené), nespektrální purpurová (která pohlcuje nejvíce zelené) a žlutá (která pohlcuje nejvíce modré).

Pokud bychom si gamut tohoto systému vynesli na výše uvedený diagram, jednalo by se trojúhelník, jehož vrholy se nacházejí poblíž středů stran trojúhelníku gamutu pro RGB.

V obou systémech je ještě jeden zásadnější rozdíl – zatímco v aditivním systému má objekt absolutní hodnotu své barvy pevně danou, v subtraktivním systému se mění s osvětlením. Je v něm však určena míra pohlcení určitých barev.

Je zřejmé, že pro přepočet mezi těmito systémy je nutné zavést další veličinu – barevnost osvětlení. Ta je udávána hodnotou bílého bodu aditivního systému (tzv. iluminant). U monitorů jí odpovídá barva, kterou dostaneme při maximální hodnotě všech tří složek. Z praktických důvodů se monitory nastavují tak, aby tato barva odpovídala některé z barevných teplot.

Pokud jsou bílé body dvou barevných systémů stejné (např. barevná teplota obrazovky a okolního osvětlení), pak je převod jednoduchý. V ostatních případech je nutné provést korekci bílého bodu.

Lidské oko má schopnost přizpůsobit se v určitém rozsahu barvě převládajícího osvětlení (zvlášť odpovídá-li tepelnému vyzařování). Následkem toho se může naopak měnit barevný vjem z aditivního systému – přestože obrazovka září stále stejně, v rozptýleném světle oblohy nám obraz připadá načervenalý, zatímco v umělém osvětlení namodralý.

Další základní barvy?

Viděli jsme, že dosažitelné barvy jsou nejen prakticky, ale dokonce i teoreticky omezené na oblast zvanou gamut. Jednou z možností jejího rozšíření je přidání dalších barev do systému. Nejznámější z nich je systém subtraktivních tiskových barev Hexachrome od firmy Pantone, kde se ke standardním barvám přidává oranžová a zelená. Jeho gamut na výše uvedeném diagramu vytvoří pětiúhelník.

Vhodné osvětlení aneb kdy kolorimetrie nestačí?

Zdálo by se, že kolorimetrie pojednává o barvách jaksi absolutně. Není tomu tak! Pokud nevhodně zkombinujeme osvětlení, které nám připadá bílé, ale ve skutečnosti se skládá z úzkých spektrálních čar (např. světlo úsporných zářivek), a materiál, který má podobně ostrou spektrální charakteristiku, může se barevnost dramatickým způsobem změnit. Dobře to znají prodavačky textilu, výtvarníci a měli by to znát i počítačoví grafici.

Podobně si můžeme představit dvě tmavé žluté – jedna odráží určité procento všech barev spektra vyjma modré, zatímco druhá pohlcuje většinu spekra s výjimkou úzké spektrální oblasti kolem žluté. Za denního světla budou obě barvy vypadat podobně. Ale při osvětlení monochromatickým červeným světlem bude druhá výrazně tmavší.

Za vhodné lze považovat osvětlení s typickým tepelným spektrem a s nevýznamnými absorbčními čárami. Takové poskytují denní světlo, žárovky (zvláště tzv. přežhavené žárovky) a některé speciální výbojky. Naproti tomu běžné výbojky a zářivky tento požadavek většinou nesplňují, jakkoliv bíle jejich světlo vypadá. K práci s barvou nepatří!

Je tedy patrné, že v některých případech dává kolorimetrie zavádějící výsledky. Na to musíme myslet i při barevné kalibraci. Na následujícím obrázku je skenerem UMAX Astra 1200S naskenovaná kalibrační tabulka na fotopapíru Kodak Professional Digital. Druhý obrázek je upraven podle jiného barevného profilu tak, jak by vypadal na fotopapíru Ektacolor. Připomínám, že na denním světle by byly obě kalibrační tabulky dokonale stejné a že skener je kalibrován na správné podání neutrální šedé.

Tabulka č. 251

kalibrační tabulka
Skutečná barevnost kalibrační tabulky.

Tabulka č. 252

materiál Kodak Professional Digital
Sken na materiálu Kodak Professional Digital.

materiál Ektacolor
Simulovaný sken na materiálu Ektacolor.

Z těchto obrázků jsem si učinil závěr, že skener nebo jeho výbojka má značně nestandardní spektrální charakteristiku a barevná kalibrace není bez jejich korekce možná.

Další odkazy

RIT Munsell Color Science Laboratory

stránky Charlese Poyntona

Colourware

Light Measurement Handbook

Standardized Human Eye

Photo.net: Color Vision

Adobe Technical Guides: Basic Color Theory for the Desktop: The Physiology of Human Vision

Václav Skala: Světlo, barvy a barevné systémy v počítačové grafice, Academia, Praha 1993

Našli jste v článku chybu?

12. 2. 2002 18:43

Stanislav Brabec (neregistrovaný)

Rozdíly ve skenech jsou dobře viditelné zvlášť na šedém rámu kalibrační tabulky.

Ano, na barevném grafu jsou nakreslené i oblasti mimo trojúhelník - ale nejsou to skutečné barvy, které by tam patřily, ale pouze přiblížení, které lze na obrazovce dosáhnout. Podíváte-li se důkladně, zjistíte, že barevnost je mimo oblast gamutu plochá. Například nahoře by měla být duhová hráškově zelená, ale tu nelze v RGB vytvořit.



12. 2. 2002 18:43

Stanislav Brabec (neregistrovaný)

Rozdíly ve skenech jsou dobře viditelné zvlášť na šedém rámu kalibrační tabulky.

Ano, na barevném grafu jsou nakreslené i oblasti mimo trojúhelník - ale nejsou to skutečné barvy, které by tam patřily, ale pouze přiblížení, které lze na obrazovce dosáhnout. Podíváte-li se důkladně, zjistíte, že barevnost je mimo oblast gamutu plochá. Například nahoře by měla být duhová hráškově zelená, ale tu nelze v RGB vytvořit.



Podnikatel.cz: Přehledná titulka, průvodci, responzivita

Přehledná titulka, průvodci, responzivita

DigiZone.cz: Česká televize mění schéma ČT :D

Česká televize mění schéma ČT :D

Vitalia.cz: Říká amoleta - a myslí palačinka

Říká amoleta - a myslí palačinka

Podnikatel.cz: K EET. Štamgast už peníze na stole nenechá

K EET. Štamgast už peníze na stole nenechá

Lupa.cz: Slevové šílenství je tu. Kde nakoupit na Black Friday?

Slevové šílenství je tu. Kde nakoupit na Black Friday?

120na80.cz: Pánové, pečujte o svoje přirození a prostatu

Pánové, pečujte o svoje přirození a prostatu

Vitalia.cz: Láska na vozíku: Přitažliví jsme pro tzv. pečovatelky

Láska na vozíku: Přitažliví jsme pro tzv. pečovatelky

Vitalia.cz: To není kašel! Správná diagnóza zachrání život

To není kašel! Správná diagnóza zachrání život

DigiZone.cz: NG natáčí v Praze seriál o Einsteinovi

NG natáčí v Praze seriál o Einsteinovi

Root.cz: Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Vypadl Google a rozbilo se toho hodně

Podnikatel.cz: EET zvládneme, budou horší zákony

EET zvládneme, budou horší zákony

Podnikatel.cz: Na poslední chvíli šokuje vyjímkami v EET

Na poslední chvíli šokuje vyjímkami v EET

Podnikatel.cz: EET: Totálně nezvládli metodologii projektu

EET: Totálně nezvládli metodologii projektu

Vitalia.cz: Baletky propagují zdravotní superpostel

Baletky propagují zdravotní superpostel

Vitalia.cz: Paštiky plné masa ho zatím neuživí

Paštiky plné masa ho zatím neuživí

Vitalia.cz: Chtějí si léčit kvasinky. Lék je jen v Německu

Chtějí si léčit kvasinky. Lék je jen v Německu

Měšec.cz: U levneELEKTRO.cz už reklamaci nevyřídíte

U levneELEKTRO.cz už reklamaci nevyřídíte

Měšec.cz: Zdravotní a sociální pojištění 2017: Připlatíte

Zdravotní a sociální pojištění 2017: Připlatíte

Lupa.cz: Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

Babiš: E-shopů se EET možná nebude týkat

120na80.cz: Bojíte se encefalitidy?

Bojíte se encefalitidy?