1.1 Felbontás
1.2 Árnyalat visszaadás
1.3 Színvisszaadás
1.4 Színmenedzsment, jelek (számok) a képfájltól a megjelenésig
2.1 Képcsöves megjelenítők

1.3 Színvisszaadás

1.3.1 A színlátó szem műszaki modellezése

Tapasztalat szerint megfelelő színhármasokból (alapszínekből) kikeverhető az összes érzékelhető szín, főleg ha megengedjük az un. negatív színt is. Az alapszíneket több módón is keverhetjük. Például: fények egymásra vetítésével, gyors egymás utáni felvillantásával, pici pontokban történő elhelyezésével, hogy a szem már nem tudja felbontani. A lényeg, hogy a szemlélő egy egységes színt lásson.


21. ábra Rgb fények keverése. Minden lámpa teljes fényerővel világít, az eredő fehér.



22. ábra A zöld lámpa fényerejét csökkentette a szemlélő, igy kikeverve a célszínt.

Keverésnél a szín negatívja azt jelenti, hogy őt a kikeverendő színhez adjuk. Ekkor a színillesztés nem az eredeti kikeverendő színnél jön létre, hanem a valahol a két maradék alapszín keverékénél.


23. ábra A célszín kivül esik az alapszínekből kikeverhető színtartományon. Példánkban a keverő személy úgy érzi, hogy tovább kellene csökkentenie a zöldet. Mivel ez nem lehet, ezért a zöldet áttesszük a célszínhez, annak telítettségét csökkentve érjük el a színillesztést. Ekkor a zöldből negatív érték adódott.

Tehát egy jó színlátású ember színérzetében tristimulusos. Bizonyos színtévesztők megelégszenek 2 alapszínnel, és így is ki tudják keverni az általuk látott összes színt, míg a teljes színvakok boldogok egyetlen (számukra érzékelhető színű) lámpa fényerejének a változtatásával. Az persze érdekes kérdés, hogy a természet miért elégedett meg bűvös 3-as számmal, vagyis a 3 dimenziós színvilággal. Talán agyunk 3D kapacitásából adódik a korlát.
A különböző spektrális eloszlású, de azonos színérzetet (tristimulust) keltő fénynyalábokat metamereknek nevezzük. A stimulusok létrejötte a szemben, illetve az agyban mint érzet, napjainkban még nem teljesen tisztázott, viszont ahhoz, hogy műszakilag beszélhessünk színekről szükséges az emberi szemről egy modellt készíteni, amely alapja a színmérésnek, és amennyire lehetséges, kiküszöböli a színek szubjektív megítélését. Ezek után a megjelenítőknek az a feladata, hogy a modell szerint, ugyanazokat a színeket jelenítsék meg, vagy azt a lehető legkisebb eltéréssel tegyék. Természetesen minél pontosabban modellezzük a szemet annál kisebb eltérést érzékelünk a megjelenített képeken.

1.3.2 Spektrális érzékenyítés

A szemmodell a 24. ábrán látható 3 különböző spektrális érzékenyítésű érzékelővel rendelkezik. A függvények egyértelműen meghatározzák mely spektrumok metamerek. Ennek megfelelően színhibától mentes érzékelő-hármas érzékenyítése meg kell, hogy egyezzen a fX fY fZ-vel, vagy annak bármely lineáris kombinációjával (pl rgb színillesztő függvények). Ha a detektor ezt a feltételt nem teljesíti, akkor találhatók olyan színek (spektrumok), melyek szem(modell)el különbözőek, de a detektorunk számára metamerek, vagyis megkülönböztethetetlenek.


24. ábra A CIE 2-fokos színillesztő függvényei.

Abban az esetben, ha a detektált színvilág korlátozott, és ebből adódóan nem keletkezik spektrum, amely a fent említett esetet generálja, megengedhetők fX fY fZ-től (vagy annak bármely lineáris kombinációjától) eltérő érzékenyítések is. (25. ábra) Erre példák a szkennerek. A szkennerekbe épített detektorok színtanilag hibásak, ugyanakkor az általuk érzékelt színterek korlátozottak. (3 színképzős fotópapír, négyszínnyomat stb.) (26. ábra)


25. ábra Egy szkennerhez való CCD érzékenyítése. (Ha a fényforrás tartalmaz infrakomponenst, azt megfelelő IR szűrővel el kell távolítani.)



26. ábra Példaként probáljunk az előző ábra detektorából Y jelet keverni. A talált paraméterek Y = 0.042*R+0.700*G+0.258*B. Távol van a tökéletestől, de szkennerbe megfelel. Szkenhátfalba építve azonban sokszor problémát okoz. Az X és a Z jelek még rondábbak.

Fényképezőgépeknél a bemeneti színtér nem korlátozott, tehát fontos, hogy spektrális érzékenyítésük pontos legyen. Pontatlan érzékenyítés esetén furcsa, egymásnak ellentmondó színeltolódások keletkeznek. A három színszűrőt tartalmazó érzékelők színtani problémái miatt, néhány gyártó, készít négy színszűrőt tartalmazó lapkát (SONY Cyber-shot DSC-F828), ahol a 4 színjelből számolják a modellnek megfelelő 3-at. A szerző nem tud módszerről, amellyel egzaktul jellemezhető lenne, hogy adott színérzékelő (kamera, digitális-fényképező, stb.) mennyire színtévesztő. A rendszer hasonló lehetne a fényforrásokhoz használthoz. (1A színhűség stb.)

1.3.3 Adaptáció, színadaptáció

A látás tulajdonsága, hogy alkalmazkodik a megvilágítás erősségéhez és színhőmérsékletéhez, a fehéret beállítja, és bár a színek spektruma jelentősen megváltozik a különböző megvilágítások mellett, őket mégis közel azonosnak látjuk. (színkonstancia) Ugyanebből adódik, hogy abszolút mértékben sem fényerőt, sem színt nem tudunk megítélni.
A különböző megvilágításokhoz a szem egyrészt a pupilla méretének változtatásával (rekeszelés), másrészt az érzékelő csapok pigment mennyiségének változtatásával (filmérzékenység) alkalmazkodik. (27. ábra) Mivel a különböző színt érzékelő csapokon az adaptáció függetlenül megy végbe, ez részben magyarázza a színi adaptációt. (De azt a gyors színadaptációt, mint például amikor a kedves olvasó a 6000K-es monitoráról a 2700K-es megvilágítású könyvére pillant, ez az egyszerű modell nem magyarázza).


27. ábra A pigment mennyiség időfüggvényei. (Forrás: OPTIKA (C)Panem Kft.-McGraw-Hill Inc., 1998)

1.3.4 Színtávolság (színmetrika)

Amíg a megjelenítő képes pontosan az előírt színt visszaadni, addig csak a színegyezést kell tudnunk mérni, amire az 1.3.1 pontban bemutatott modell megfelelő. Ha a megjelenítő nem képes a pontos reprodukcióra, (a kijelző fekete-fehér, az adott szín kívül esik az árnyalatterjedelmen, az adott tónus csak közelíthető, stb.) adódik a kérdés, hogy melyik megjeleníthető színnel helyettesítsünk. A feladat a megjeleníthető színek közül kiválasztani a célszínhez legközelebb állót. Ehhez a meg kell határozni két szín távolságát.
Ha a színeket elhelyezzük egy 3D (absztrakt) térben, akkor két szín távolsága , ahol a távolságfüggvény. Euklideszi terekben a távolság a Pitagorasz-tételből adódik.

Abban az esetben, ha az XYZ térben a színek távolságát egyszerűen a Pitagorasz-tétellel számoljuk nem kapunk az érzetünknek megfelelő eredményt, vagyis az az algoritmus amely ennek alapján választja a legközelebbi színt, mást választ mint az emberek. (28 ábra).
Ezen hiba kiküszöbölése érdekében több dolgot tehetünk:
- megfelelően torzítjuk a teret, és távolság függvénynek meghagyjuk a Pitagorasz függvényt,
- nem a teret torzítjuk, hanem a távolságfüggvényt variáljuk,
- a két előbb említett módszert kombináljuk.


28. ábra Szemünkben azonos színérzetet keltő színpontok összeségének ábrázolása. (Forrás: Nyomdaipari enciklopédia, Műszaki Könyvkiadó 1977)

A CIE az első módszert választotta, és mivel 10 évi vita után sem tudtak a kutatók megegyezni, így több kissé eltérő leképezést javasolt. ( CIE L*a*b*, CIE L*u*v*) Példaként az XYZ -> L* a* b* közti összefüggés:
L* = 116 * (Y/Yw)1/3-16 ha Y/Yw > 0.008856
L* = 903.3 * Y/Yw egyébként

a* = 500 * ( f(X/Xw) - f(Y/Yw) )
b* = 200 * ( f(Y/Yw) - f(Z/Zw) )
ahol
f(t) = t1/3 ha t > 0.008856
f(t) = 7.787*t + 16/116 egyébként

és Xw, Yw, Zw a referencia fehér.
Későbbi vizsgálatok alapján több kutató (köztük a magyar Nemcsics A) az f(t) = t1/3 összefüggést f(t) = t1/2 -re módosítaná. Ennek ellenére a számítástechnikában az eredeti L*a*b* definíció terjedt el.
A harmadik módszer illusztrálásához a www.compuphase.com honlapon található eljárást mutatjuk be. Az eljárást nem értékeljük, bemutatása itt példa jellegű, rámutatva a színmetrika problémáira és az ezt célzó megoldások formájára. A módszerben először az XYZ stimulusokat, a később bemutatott módon, átszámoljuk sRGB(8bit) értékekre. Majd, ahelyett, hogy tovább adjusztálnánk a teret, a távolságfüggvényre a következő összefüggést írjuk elő:

Mint látható a módszer az un. súlyozott Euklideszi távolságot számolja. Érdekesség, hogy a vörös és a kék távolságok súlytényezője függ a két szín átlagos vörös tartalmától (r). A szerző szerint ez a formula, a színtér nagy részében, közel azonos eredményt ad a CIE L*u*v* definícióval, de nincs benne olyan éles törés, és a maradék részben annál jobb.

1.3.5 Színes képek fekete-fehérre váltása

A színmetrikának egyik alfejezete a színes képek fekete-fehérre váltása. Ebben az esetben a feladat az adott színhez legközelebb álló szürkeérték meghatározása. Mivel a szürkének csak fényessége van, ezért egy adott színhez, elméletileg, a vele megegyező fényességű szürkét rendeljük. Ez XYZ illetve L*a*b* tér esetén megfelelően az X, Z illetve az a*, b* koordináták nullázását jelenti.
Más tereket célszerű visszaszámolni XYZ-be (vagy L*a*b*-be), majd törölni X, Z-ét. Ebből adódik a sokat emlegetett Szürke = 30% R + 59% G + 11% B összefüggés. Az összefüggés igaz, de csak ha az RGB alatt az NTSC(1953)-as televíziós szabványnak megfelelő lineáris RGB-ét értünk. Az sRGB értékek szürkítéséhez egy később bemutatott eljárás alkalmazható.


29. ábra Ön milyen fényességünek látja az alapszíneket? A Photoshop program az alsó részt számolta.

1.3.6 Színterjedelem (colour gamut)

Színterjedelem a megjeleníthető (ábrázolható) összes szín által lefedett része a színtérnek. (29. ábra)


30. ábra Korlátozott színterek CIE xy vetülete.

Általánosságban a 3 bázisszínt alkalmazó additív színkeverésen alapuló megjelenítők színterének vetülete a CIE xy síkra egy háromszög. A valós fényforrások színkoordinátái a színpatkón belül helyezkednek el. Megjelenítőkhöz a nagy színterjedelem elérése érdekében, minél tisztább (kevés fehértartalommal, a patkó széléhez közeli) és megfelelően egy vörös egy zöld és egy kék színt érdemes választani. RGB megjelenítésben a legjobb eredményt 3 lézer adja. (30 ábra RGB háromszög)
Általánosságban a 3 színt alkalmazó szubtraktív CMY(K) színkeverésen alapuló nyomtatók színterének vetülete a CIE xy síkra egy hatszög. A hatszög három csúcsát a tiszta C, M, Y színek adják, míg a maradék hármat rendre CM, MY, és YC elsődleges keverékszínek. A megfelelő festékek megválasztása nem könnyű, mert a nagy színtelítettséggel rendelkező festékek fényereje kisebb. (30 ábra CMY hatszög)
Színterek színterjedelméről csak akkor érdemes beszélni, ha kikötjük a számábrázolás korlátozását. (pl. 0..1 vagy 0..255 stb.) Ez esetben a színterek színterjedelme megfelelően az adott színkocka. Összehasonlítás érdekében ezt transzformálhatjuk a CIE XYZ térbe, vagy vetíthetjük CIE xy síkra. Érdekes megjegyezni, hogy színtereket definiálhatunk nem valós (a színpatkón kívül eső) alapszín bázissal. (pl Kodak RGB pro színtér) Színterek bázisszínhármas megválasztásánál két egymásnak ellentmondó követelményt kell kielégíteni:
- A számábrázolás korlátozása miatt a feldolgozandó színek csak kis hányada legyen kívül a színtéren,
- ugyanakkor az árnyalatfelbontás (számábrázolás pl. 8bit) miatt a lehető legkevesebb értéket vesztegessük a ritkán (esetleg sohasem) jelentkező színekre.
Amennyiben 'A' szintér részhalmaza 'B'-nek, mondható, hogy 'B' színtér nagyobb, mint 'A'. Más esetben ilyen kijelentésnek sok értelme nincs, főleg ha figyelembe vesszük a színmetrikáról mondottakat.


31. ábra Színterek összehasonlításakor ne felejtsük a színterek három-dimenziósak.(Forrás: Canon Inc.)

1.3.7 Bajosszínek (out of gamut colors)

Azokat a színeket, amelyek adott megjelenítő (korlátos színtér) színterjedelmén kívül esnek bajosszíneknek nevezzük. Bajosszín például színtérváltáskor keletkezik ott, ahol a forrásszíntér 'kilóg' a célszíntérből. A transzformációs algoritmusnak a bajosszínhez hozzá kell rendelnie a célszíntér egy pontját. Sok esetben az algoritmus egyszerűen csak korlátozza a jelet. (ha R > 255 akkor R=255 stb.) Kifinomultabb eljárás, a valamely színmetrika szerinti minimális távolság szerinti hozzárendelés. A legkorszerűbb megoldásokban a színmetrika választható az adott feladatnak megfelelően. (például: érzethelyes, proof, állandó fényerő, fotó, grafika stb).
Fontos megjegyezni, ha egy eljárás során sok különböző korlátos színtéren keresztül transzformálgatunk a végeredmény a közös metszet lesz. Ez esetben egy eredetileg bajosszín többször is 'pattoghat' a színterek felületén, és végül már alig hasonlít az eredetire. (pl. Pantone -> Lab -> CMYK EuroscaleCoated-> sRGB -> Oki printerfesték CMYK Jajjj )

1.1 Felbontás
1.2 Árnyalat visszaadás
1.3 Színvisszaadás
1.4 Színmenedzsment, jelek (számok) a képfájltól a megjelenésig
2.1 Képcsöves megjelenítők