Брюнетки против блондинок или как на мониторе показать цвет свечения светильника?

Метод демонстрации на мониторе цветности свечения светильника в соответствии с требованиями проекта национального стандарта «Методы определения неоднородности цветности», и шаблоны в MS Excel.

Постановка задачи

Из-за хроматических аберраций оптики дорожных светодиодных светильников на дорожном полотне видны полосы синего и желтого оттенка (рис. 1).

Световые пятна (beamshot) светильников узконаправленного света также неоднородны по цвету (рис. 2).

Цель работы — научиться использовать монитор для визуальной оценки неоднородности цветности свечения подобных светильников.

О цветовых пространствах

Способность видеть цвет обеспечивают колбочки – выстилающие глазное дно нервные клетки, чувствительные преимущественно к «красному», «зеленому» и «синему» свету. Три типа колбочек передают в мозг тремя независимыми переменными три независимых типа сигналов. Трехмерность цветового ощущения означает, что возможные варианты ощущения представимы точками трехмерного пространства — неким трехмерным цветовым телом.

Если из трехмерного впечатления вычесть одну условно независимую переменную – «светлота», оставшаяся величина, называемая цветностью, будет двумерной. Следовательно, видимые человеком цветности могут быть отображены на плоскости.
Бабочки некоторых видов различают цвет 15-ю типами колбочек, чувствительных преимущественно к различным участкам спектра. Эти бабочки ориентируются не в 2-мерном, как у человека, а в 14-мерном цветовом пространстве. Теоретически показать бабочке, как видит человек, можно; человеку показать, как видит бабочка, – нельзя (см. шуточный рис. 3).

Популярны «представления видимых человеком цветов на плоскости» – цветовые пространства CIE (фр. Commission internationale de l'éclairage, международная комиссия по освещению, МКО): CIE 1931(x, y) и CIE 1976 (u', v').

Основной характеристикой цветового пространства является однородность, одинаковость расстояний в этом пространстве соответствующих одинаковым разницам воспринимаемых цветностей. Откладывая от произвольной точки цветового пространства во все стороны расстояния, соответствующие минимально заметной цветовой разнице (шаг МакАдама), мы нарисуем некий контур (эллипс МакАдама). По рис. 4 видно, что пространство CIE 1931 неравномерно — эллипсы МакАдама сильно вытянуты. Пространство CIE 1976 равномерней, в наиболее важной средней части эллипсы МакАдама похожи на круги. В истинно равномерном цветовом пространстве эллипсы МакАдама близки к кругам по всему полю, но использовать такое пространство из-за громоздкой математики сложно.

Светотехника традиционно использует пространство CIE 1976. И, пренебрегая неравномерностью пространства, оценивает разницу цветности в стандартных порогах цветоразличения SDCM (standard deviation color matching), или, как еще говорят, «шагах МакАдама». 1 SDCM соответствует 0,0011 единиц евклидового расстояния в этом пространстве (рис. 5).

Полиграфисты используют пространство CIE Lab, с точностью до математического преобразования соответствующее другим версиям пространств CIE (рис. 4).
Если к диаграмме цветностей добавить ось светлоты, график цветностей становится объемным, превращаясь в цветовое тело (рис. 6).

Значения a и b при практической записи цвета ограничены диапазоном [−128, 127]. Рис. 7 показывает кодирование элементов цветового тела значениями L, a, b. Видно, что малая часть видимых человеком цветов выходит за пределы кодируемых в Lab значений, и наоборот – часть значений Lab не соответствует видимым цветам.

На иллюстрации статьи «Lab» в Википедии, показаны цвета, которые якобы могут быть показаны в пространстве Lab для всех возможных значений a и b (рис. 8). В этой же статье на другом языке на аналогичной иллюстрации приведены только цвета, которые действительно способен показать монитор, остальное поле закрашено серым.

Анализируя числовые значения цветов на этих рисунках, можно увидеть, что авторам левой картинки удалось расширить диапазон цветов, манипулируя значением L, — с удалением от центральной точки (a=0, b=0) светлота уменьшается. Показать широкий диапазон цветов при максимальной светлоте невозможно, т.к. срез цветового тела непосредственно вблизи вершины не даст широкого цветового охвата.

Авторы правой картинки честно сохраняли заявленную светлоту постоянной, что ограничило возможные цвета малой областью.

Если посмотреть на палитру возможных цветов Adobe Photoshop (рис.9) становится ясно откуда в Википедии взялось изображение якобы цветов пространства Lab — это скриншот цветовой палитры Photoshop.

Цвета по краям этой палитры вызывают вопросы. Если сделать скриншот и проанализировать цвета по числам, окажется, что цвет, например, в «красном углу» {L=100; a=127; b=127} имеет фактические координаты {L=60; a=67; b=71}. Это показывает насколько слабое отношение к истине могут иметь демонстрируемые цвета.

Проблема цветового охвата

Системы управления цветом CMS (Color Management System) в первом приближении работают по единому принципу — преобразуют аппаратные значения устройств ввода в цветовое пространство Lab или аналогичное, разделяющее параметр светлоты и цветность; затем переводят в аппаратные значения устройств вывода. К примеру, фотоаппарат, делая снимок, получает с матрицы массив данных. Затем процессор фотоаппарата применяет к этим данным калибровочные данные (профайл) и вычисляет истинные значения цвета в пространстве Lab. Устройство вывода, например, монитор, к цветам пространства Lab применяет свой профайл, получает аппаратные данные, и уже их воспроизводит матрица дисплея.

Мы можем преобразовать цвета пространства CIE 1976 в Lab и отправить на монитор. Если монитор технически может воспроизвести заказанный цвет, он его покажет. А насколько точно покажет – останется на совести того, кто монитор калибровал.

На рисунке 10 показаны цветовые охваты (gamut) различных устройств вывода на плоскости xy пространства CIE 1931. Если вы читаете эту статью с дисплея монитора, обратите внимание на закрашенные цветом области иллюстрации, выходящие за границы стандартного цветового охвата монитора sRGB (и даже расширенного цветового охвата Adobe RGB мониторов для профессиональной работы с цветом). Если вы читаете статью в журнале обратите внимание на цвета, выходящие за цветовой охват CMYK. Что за цвета, которые видите глазами, и которые ваше «устройство вывода» не может показать в принципе?

Внегамутные цвета показывают с помощью процедуры gamut mapping, сжимающей цветовое пространство до охвата конкретного устройства. Процедура сжатия цветового пространства затрагивает и цвета, которые исходно внутри цветового охвата помещались. Как пассажиры автобуса смещаются со своих мест, когда в автобус дополнительно заходит больше людей чем должно поместиться. Зритель такие цветовые искажения не замечает.

При gamut mapping’пространство цветов сжимается до цветового охвата монитора (рис. 11). При этом небольшие сдвиги претерпевают даже цвета внутри цветового охвата и сдвиги тем сильнее, чем ближе исходный цвет к границам цветового охвата. Это значит, что более точно показываются цвета внутри цветового охвата недалеко от точки белого. Это соответствует целям светотехники, т.к. светотехнику, когда речь идет о белом свете, интересуют слабые отклонения от цветностей излучения черного тела.

Ф. Энгельс писал «Орел видит дальше, чем человек, но человеческий глаз замечает в вещах больше, чем глаз орла». Свойство человеческого зрения видеть в вещах суть, смысл и образ мешает видеть непосредственно сами вещи.

Попробуйте голубое небо, изображенное на рис. 12, сравнить с настоящим небом при ясной погоде. Человек не столько видит небо на дисплее глазами, сколько представляет его по памяти. Возможно, вспоминает небо своего детства, когда был счастлив. Да и глядя на реальный объект подчас смешиваем у себя в голове видимое с воображаемым. Поэтому так сложно увидеть разницу между цветом на дисплее и в реальности, и поэтому мало кто видит проблему в gamut mapping’е.

Актуальная для светотехники часть цветового пространства

Когда речь идет о белом свете, важна сетка границ типовых цветовых температур из ГОСТ 34819. Этот стандарт является наследником ГОСТ Р 54350, куда сетка цветностей попала из ANSI C78.377-2011.

Однако, уже в ANSI C78.377-2015 появилась переработанная сетка, которая позже перешла в действующий ANSI C78.377-2017. Как и в прежней сетке центры областей номинальных цветовых температур плавно поднимаются относительно кривой цветностей черного тела с тем, чтобы центр области 6500 К совпадал с цветностью источника CIE D65, считающегося эталоном дневного света. Но в новой сетке приведены четырехугольники как семишаговые (приблизительно соответствующие семишаговому эллипсу МакАдама), так и четырехшаговые; цветовые температуры расширены до актуальных 2500 К и 2200 К, а внешние границы сетки стали гладкими (рис. 13).

Сетка ANSI C78.377 занимает малую часть цветового пространства CIE 1976 и для нужд светотехники достаточно показать область вокруг нее (рис. 14).

На рисунок 14 помещена подложка с цветами Lab в диапазоне a и b не выходящими за пределы [−127;128], рассчитанными относительно точки белого 6500 К. Как и в палитре Photoshop цвета на графике 13 показаны «для иллюстрации», без гарантий правильного воспроизведения монитором.

Видно, что цветная подложка с запасом покрывает необходимую область и покроет любой четырехугольник ANSI C78.377 из ряда 2200 К … 6500 К, при условии, что за точку белого будет взят центр этого четырехугольника.

По рисунку 13 видим, что сетка цветностей, соответствующих цветовым температурам от 2200 К до 6500 К, вписывается в квадрат 0,11×0,11 единиц u'v' или 100×100 SDCM. Также видим, что охват sRGB намного больше квадрата 100×100 SDCM. Следовательно, отклонение от точки белого в любом направлении по крайней мере на 50 шагов МакАдама монитор способен показать.

На практике диапазоны неоднородности цветности свечения светильника умещаются в один четырехугольник цветностей ANSI C78.377, который в свою очередь, с запасом покрывается квадратом 25×25 SDCM.

Но, как показано дальше, показать на мониторе цвета даже квадрата 25×25 SDCM – непростая задача.

Математика цвета

Цветность света светильника или диодов разных цветовых бинов (кода, описывающего цветовой оттенок) измеряется в величинах xy или u'v' и показывается на графике. Предлагается на графике делать цветную подложку из фона, цветность которого в каждой точке соответствует координатам цветового пространства. А для наглядной оценки разниц цветности в шагах МакАдама подкладывать фоном изображение квадратики соответствующего цвета размером в 1 SDCM. Выбор точки белого определяется задачами демонстрации, но по умолчанию за точку белого берется центр актуального четырехугольника ANSI C78.377. Это будут, если можно так выразиться, «квадратики МакАдама» образующие «сетку МакАдама».

Формулы определения значений Lab, соответствующих координатам u', v' взяты из [2].
Первым шагом определяются значения X и Z системы XYZ, соответствующие заданным значениям u', v', по формулам: X=Y·9u'/4v'; Z=(12 − 3u' − 20v') / 4v'.

В реальных условиях значения Y могут различаться, но при пересчетах Y и Yn принимаются равными 100, так как заранее неизвестно насколько и в какую сторону они будут различаться.

Вторым шагом определяются значения a, b цветового пространства CIE 1976 Lab* соответствующие рассчитанным значениям X, Z и значениям Xn, Zn точки белого, а также взятым по умолчанию Y=Yn=100 по формулам: a=500·[(X/Xn)^(1/3) − (Y/Yn)^(1/3)]; b=200·[(Y/Yn)^(1/3) − (Z/Zn)^(1/3)].

При этом значение L в теории может быть любым, но для демонстрации, как будет показано ниже, значения близкие к максимальному L=100 и минимальному L=0 устанавливать нельзя.

Проблема светлых и темных цветов

Пространство Lab разделяет координаты цветности и светлоту, что удобно. Но пытаясь увидеть рассчитанный в Lab цвет на дисплее монитора, мы смотрим на относительную яркость свечения пикселей R, G и B. Демонстрация на дисплее фактически является аппаратным преобразованием цвета в пространство RGB.

На правой части рисунка 10 показано как монитор снижает яркость наиболее светлых цветов, проецируя их на поверхность цветового тела. Аналогичный эффект проецирования можно наблюдать, если создать в Photoshop изображение в пространстве Lab с параметром L=100 по всему полю, затем сохранить в RGB и обратно преобразовать в Lab. Только в точке белого сохранится L=100, в других точках L будет меньше.

Для демонстрации и сравнения цветов при одном значении L необходимо заботиться о расширении цветового охвата и не использовать крайние значения светлот. На контрастных изображениях в светах и тенях цвет теряется. Если цвет важнее, художник жертвует яркостным контрастом (рис. 15).

Роль яркостного контраста

Лицо брюнетки контрастней лица блондинки без макияжа. Но макияж сделает блондинку контрастнее большинства брюнеток. Контраст — это не только выразительность, но и возможность увидеть цвет телесных тонов в середине диапазона яркостей (рис. 16).

Первыми в Мерилин Монро и Одри Хепберн влюбились камеры, и уже после — остальной мир. Их лица настолько контрастны, что даже при значительных ошибках экспозиции и гамма-коррекции на камере, при обработке и при выводе на экран, зритель видит то же, что видел оператор. А когда в кино пришел цвет, оказалось, что цвет кожи находится в середине диапазона яркостей. Чтобы зритель увидел цвет лица актрис, жертвовать контрастом не пришлось. Этим девушкам природа подарила встроенную систему управления цветом!

Тильда Суинтон редко использует макияж. Из-за естественного низкого контраста создается ощущение, что у лица, как у античной статуи, нет цвета (рис. 17). Но при боковом освещении лицо становится контрастным и в середине диапазона освещенностей виден цвет и цветовые разницы — видно лицо актрисы.

Фотографы любят ставить портретируемого рядом с окном. Боковой свет градиентом освещенности подчеркнет форму лица и даст объем. А еще создаст контраст, который позволит увидеть цвет.

Проблема демонстрации светлых цветов

В теории цветовой охват монитора при максимальной светлоте даст одну точку (самую «макушку» цветового тела). И только при меньшей светлоте эта точка расширится до значительного цветового охвата. Это означает, что демонстрируемые цвета не могут быть самым светлым объектом в поле зрения, в сцене должно быть что-то более светлое.

Зависимость размера цветового охвата от светлоты позволяет увидеть функция Photoshop «gamut warning» (Shift+Ctrl+Y), закрашивающая серым цвета вне заданного цветового охвата. Стандартный цветовой охват монитора «sRGB IEC61966-2.1» можно задать через меню: Просмотр > Варианты цветопробы > Заказной.

По рисунку 17 видно, что при L=100 большая часть участка 25×25 SDCM вокруг точки белого вне цветового охвата sRGB. При L=95 вне цветового охвата уже меньшая часть участка. При L=90 уже весь участок 25×25 SDCM может быть отображен на стандартном мониторе без gamut mapping’а.

На рисунке 18 показано насколько большая область попадает в цветовой охват монитора при L=90. Попытка уменьшения L для отображения всего квадрата 100×100 SDCM без gamut mapping’а показала – это сделать невозможно. Цветовой охват расширяется примерно до L=60, но дальше сужается, так и не захватив всю область.

Промежуточный вывод: корректно показать цвета в квадрате 100×100 SDCM всей сетки ANSI C78.377 нельзя; но возможно корректно показать цвета в квадрате 25×25 SDCM вокруг одного четырехугольника ANSI C78.377 при L=90.

Проблема относительности цвета

Абсолютный слух существует, но цвет всегда воспринимается относительно других цветов. Относительность цвета подтверждается многими примерами:

• Белый лист в руках кажется белым при освещении светом любого цвета;

• Изображение на желтой бумаге, мы воспринимаем, не замечая, что белый цвет на картинке на самом деле желтый;

• Владельцы домашних проекторов знают, что в темной комнате фильм можно показывать на однотонных обоях любого цвета; даже на зеленых обоях белый цвет в сцене «по приборам» зеленый, но белоснежная рубашка на герое выглядит белоснежной, а остальные цвета в фильме – правильными.

По умолчанию монитор показывает цвета «вокруг» точки белого D65. Если калибровка монитора точна и точка белого не изменена, область вокруг 6500 К может быть показана на мониторе в абсолютных цветах. Цветности областей 2200 К … 5700 К могут быть показаны только относительно. Например, при необходимости показать область 4000 К центральная точка области «назначается» белой. Но этот белый, если его прямо с дисплея измерить спектрофотометром, будет не 4000 К, а точкой белого монитора, т.е. 6500 К. Цветность остальных точек будет корректна относительно цветности центральной точки.

Проблема калибровки монитора

Простой эксперимент показал — калибровка монитора не гарантирует точность цвета. «Офисно-домашний» монитор Samsung C27G54TQWI откалиброван имеющимся в распоряжении колориметром X-Rite i1 Display. Для этого по обратной связи от колориметра через меню монитора скорректирована точка белого, затем построены и применены калибровочные кривые (рис. 19).

До и после калибровки на монитор выведено изображение с заданными по числам значениями цвета, и цветность свечения дисплея измерена светотехническим спектрометром UPRtek MK350d. Результат эксперимента оказался противоположен ожидаемому – монитор с заводскими настройками попал в ожидаемые цветовые координаты, разница цветностей составила примерно один SDCM. Но после калибровки ошибка выросла кратно (рис. 20), все значения примерно одинаково «съехали», точка белого сместилась более чем на 500 К. При этом калибровочные кривые в первом приближении остались линейными.

Доверять следует спектрометру, т.к. это средство измерения, калиброван в Ростест, и периодически проходит межлабораторные сличения. Колориметр средством измерения не является. С момента покупки этого конкретного колориметра прошло пять лет, и даже если при производстве прибор калибровали, со временем его характеристики «уплыли» в неизвестном направлении. Поэтому профиль калибровки пришлось удалить и точку белого монитора к D65 возвращать вручную, ориентируясь на показания светотехнического спектрофотометра.

Существуют, но гораздо менее доступны, специализированные спектрофотометры для калибровки мониторов с относительно постоянными характеристиками и калибровочным эталоном в комплекте. Но рекомендовать их к применению для демонстрации цвета светильника нельзя, т.к. нужна методика, пригодная для применения на стандартных мониторах без применения специальных средств.

Промежуточные выводы:

1. Даже от калиброванного монитора нельзя требовать верности абсолютных значений цветности. Но предположение, что некалиброванный монитор более-менее верно показывает разницу цветов – оправдано.

2. Продемонстрировать на мониторе абсолютный цвет с поправкой на точность калибровки монитора можно лишь в окрестностях точки белого монитора 6500 К. Для остальных цветовых температур можно показать лишь цветовые разницы отклонениями цветности от белой точки монитора. Зрение адаптируется, принимая за белый области белого цвет на дисплее, другие области будут иметь относительную цветность.

Проблема «грязных» цветов

Поле контрастных цветов (как в левой части рис. 18) выглядит хорошо. Но если цветовой контраст мал, цветное поле выглядит серовато-грязным (см. рис. 21), причем чем светлота картинки ниже, тем цвета выглядят хуже.

Если вернуться к изображению с сильным цветовым контрастом (рис. 18) и направить внимание на малую область 25×25 SDCM, видно, что эта область также выглядит серой, но присутствие в сцене контрастных цветов значительно улучшает восприятие изображения в целом, – оно перестает быть «грязным».

Проблема цветового контраста

Помимо работы в светотехнике, автор преподает физику в МГМУ им. И.М. Сеченова, и на практикуме по свету демонстрирует студентам цветные объекты под монохроматическим светом. Маленьким открытием для наблюдателей становится то, что красный свет не позволяет увидеть красного, а зеленый – зеленого. Когда в сцене присутствует только один цвет, зрение не может различить цвета. Но стоит к красному добавить зеленый или наоборот, как оба цвета в сцене буквально вспыхивают и становятся различимы цвета даже близкие друг к другу (рис. 22-23).

Фотоаппарат, которым сделаны фотографии 22-25, имеет три типа светочувствительных пикселов на матрице, как и сетчатка глаза, собственными глазами в сцене видно было примерно тоже, что видно на фотографиях. Количественная разница характеристик глаза и фотоаппарата не мешает показать качественный эффект на фотографиях.

Освещение цветных объектов близкими длинами волн создает сцену только с близкими цветами. Предположение, что зрение адаптируется к малому цветовому контрасту и начнет различать близкие цвета, оказывается неверным (см. рис. 24-25).

Эксперимент с монохроматическим и дихроматическим освещением показывает, что цвета относительны, и каждый цвет виден, когда в кадре присутствует другой цвет контрастный первому. Появление в кадре контрастных цветов не мешает, а помогает различать близкие цвета. Это трудно понять умозрительно, но это видно собственными глазами.

В сцене должен присутствовать белый цвет и насыщенные цвета, чтобы относительно них различать другие цвета. В сцене с малым цветовым контрастом различать цвета сложно, и, возможно, поэтому создается впечатление серовато-грязных цветов. Проблемы слабого цветового контраста решаются добавлением контрастного цвета (рис. 26) меняющим восприятие изображения в целом.

Увеличение цветового контраста противоречит требованиям к условиям внешнего окружения для просмотра оцениваемых изображений стандарта ISO 3664 [3] «присутствие яркоокрашенных объектов в просмотровом оборудовании крайне нежелательно, поскольку эти объекты могут дать трудноустранимые рефлексы, влияющие на адаптацию зрения».

Стандарт говорит одно, собственные глаза видят другое, – это основание для обсуждения. Зрительное поле человека крайне мало [4], будучи не в состоянии одномоментно охватить зрением сцену, человек «смотрит» на образ сцены в своей памяти, где яркое цветное пятно неизбежно выходит на первый план. Поэтому при рассматривании изображения с таким пятном «как целого» изменяется и восприятие изображения в целом. Но при направлении внимания на отдельные элементы изображения, зритель видит цвета этих элементов также по отдельности. Яркие пятна, на которые зритель в данный момент внимание не направляет, восприятию цвета не мешают.

Проблема яркостного контраста на графике

Светлота предметов относительна — золото кажется желтым только потому, что светлее других предметов в кадре. В сравнении с более светлым объектом золото станет коричневым. Простой способ сделать что-то светлее — добавить в сцену более темный объект сопоставимой площади. Черные линии на графике помогают создать яркостной контраст, но не занимают большой площади. И не помогают сделать изображение цветного поля визуально светлее. Значит нужно добавить что-то большой площади, если не черное, то хотя бы серое. Например, серые поля (рис. 27), соответствующие требованиям п.4.2.4 ISO 3664.

Роль яркого объекта достаточной площади для калибровки восприятия белого цвета выполнят белые поля вокруг графика.

Формат файла для демонстрации цвета

Наиболее популярный формат, поддерживающий пространство Lab, — это tiff. Но для практического использования нужен «легкий» формат, с которым дружит MS Excel, и который сохраняет мелкие детали и тонкие линии. Под эти критерии подходит формат png, поддерживающий, к сожалению, только пространство RGB.

Изменения изображений с контрастными цветами при таком преобразовании можно отследить по цифрам — цвета меняются значительно. И если цвета до преобразования из Lab в RGB в охват sRGB не попадали, то после преобразования попадают. Можно сказать, что преобразование Lab→RGB аналогично цифровому gamut mapping’гу.

Но для изображения, которое в цветовой охват sRGB изначально вписывалось, преобразование в RGB к изменению цветности не приводит, минимальные изменения значений a и b в пределах одной единицы объяснимы округлением.

Промежуточный вывод: изображение, предназначенное для демонстрации на экране, и изначально вписывающееся в цветовой охват sRGB, допустимо конвертировать из Lab в RGB и сохранять в png.

Резюме, обсуждение и шаблоны MS Excel

Условие демонстрировать разницы цветности при равной яркости наложило сильное ограничение на диапазон демонстрируемых цветностей. Площадь возможных для одновременной демонстрации цветностей в пространстве u'v' в десятки раз меньше площади локуса видимых человеком цветов, и меньше площади цветового охвата монитора или цветной печати. Однако, для решения задачи демонстрации неоднородности цветности светильника белого света этого недостаточно.

Экран монитора не может одновременно показать цветности, соответствующие всем актуальным в светотехнике цветовым температурам. И даже если бы мог, насыщенный желтый цвет света с низкими цветовыми температурами, изображенный относительно точки белого монитора 6500 К, не соответствовал бы цветностям, видимым зрению, адаптированному к сцене освещаемой этим светильником. Поэтому «настоящие» цветности, с поправкой на точность калибровки, возможно показать вокруг 6500 К, остальные цветности могут быть показаны только относительно. Например, относительно центральной точки области, соответствующей типовой цветовой температуры.
Шаблоны в MS Excel с рассчитанными цветами подложек графиков для значений цветовых температур по ANSI C78.377 от 2200 К до 6500 К можно скачать по ссылке.

Добавляя на графики свои данные можно показывать неоднородности цветности светильников и светодиодов, изменения цветности светодиодов со временем, различия цветности бинов светодиодов и т.д.