Barva a vyvážení bílé - 1. Barva a její obraz v PC - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

29. června 2006, 00.00 | Již Isaac Newton správně a na tehdejší dobu geniálně zjistil, že barvy ve fyzikálním slova smyslu neexistují. Jediné co skutečně existuje je spektrum záření. Přesto však jsou barvy z lidského pohledu velmi podstatnou částí světa. Lidský pozorovatel dokáže barvy pojmenovat, obdivovat, některé barvy na něj působí teple, jiné studeně, některé dokonce smutně či vesele.

::Barva a vyvážení bílé - 1. Barva a její obraz v PC
::Barva a vyvážení bílé - 2.Vyvážení bílé

Co je to barva
Již na střední škole nás učili, že světlo není nic jiného než elektromagnetické vlnění. Základním parametrem tohoto vlnění je, jak rychle kmitá, neboli jakou má vlnovou délku. Zdravé lidské oko vidí ale jen velmi úzký rozsah vlnových délek - od cca 380 nm do 740 nm. Záření kmitající pomaleji a mající tedy vlnovou délku delší než 740 nm vnímá člověk chvíli jako teplo, s dalším růstem vlnové délky ztratí schopnost vnímat ho vůbec. Na opačném konci, čili u záření kmitajícího rychleji a tedy s vlnovými délkami kratšími než 380 nm, ho člověk opět zcela přestane vidět a dokonce toto neviditelné rychle kmitající záření je zdraví a životu nebezpečné (UV záření, rentgenové paprsky, gamma paprsky atp.).

Klasické barevné spektrum viditelného záření od cca 380 do 740 nm.

Pro fotografii má praktický význam jen viditelné záření uvnitř rozsahu cca 380 až 740 nm. I když je to rozsah z fyzikálního hlediska poměrně úzký, tak člověk mu dal neuvěřitelně bohatý význam a pojmenoval si uvnitř tohoto intervalu barvy. Záření kolem 700 nm říká červená, kolem 620 nm oranžová, dále žlutá (580 nm), ve středu startovacího pole tedy kolem 530 nm říká záření zelená, ještě rychlejšímu záření kolem 470 nm říká modrá a záření těsně před tím, než ho přestane vidět, si pojmenoval fialová (kolem 400 nm).

Spektrum světla
Reálné světlo, které vnímáme každý den, se však neskládá jen z jedné jediné frekvence záření (tzv. monochromatické světlo). Obsahuje divoký mix všech možných vlnových délek obvykle včetně malé části těch neviditelných. Výsledný barevný vjem je potom dán součtem všech příspěvků všech vlnových délek obsažených ve světle.

Nejlépe lze popsat rozložení jednotlivých vlnových délek ve světle tzv. spektrem světla (spektrem záření). Není to nic jiného než graf, který říká, jak moc jednotlivé vlnové délky do celkového světla přispívají.

Graf spektra záření říká, jak se jednotlivé vlnové délky podílí na celkové energii světla.

Barva předmětů
Pohledem na svět kolem sebe snadno zjistíte, že barvu mají i jednotlivé běžné předměty. Ty ale žádné viditelné světlo sami obvykle nevyzařují, a tak je nutné je pozorovat vždy jen ve světle odraženém. Povrch předmětů však neodráží všechny vlnové délky světla stejně, některé vlnové délky pohlcuje zcela, některé jen zeslabuje, některé odrazí téměř beze změny. V každém případě však více či méně pozmění spektrum světla, které na něj dopadá.

Barva předmětů je něco, co pro lidského pozorovatele předmět významně charakterizuje. Ve skutečnosti však člověk vidí jen velmi malou část záření přítomného v přírodě.

Aktuální barva předmětu je tak dána dvěma faktory:

1. Barvou (spektrem) světla, které na něj svítí
2. Schopností povrhu předmětu odrážet jen některé vlnové délky a tím měnit spektrum světla

Barva světla odraženého od předmětu je dána jednak jeho schopností odrážet různé složky spektra ale i barvou světla, které předmět osvětluje.

Lidské barevné vidění
Pro zcela přesné barevné vidění by bylo třeba prozkoumat intenzitu všech vlnových délek uvnitř viditelné části spektra. Jinými slovy zaznamenat energii světla na vlnových délkách 380, 381, 382 nm atd. až po 738, 739 a 740 nm. To by sice neuvěřitelně přesně zaznamenalo barvu (spektrální křivku), pokud bychom to takto ale provedli pro každý bod scény, generovalo by to neuvěřitelné množství čísel.

Oko to tak složitě nedělá. Oko je na sítnici vybaveno třemi druhy barvocitlivých čípků, kdy každý druh je citlivý na jinou barvu. Oko tak zjednodušeně řečeno sonduje hodnoty "jen" ve třech místech spektra - v červené, zelené a modré. Naše oko tak vidí vlastně "jenom" trojbarevně a na základě těchto 3 vnímaných barev a jejich poměru si dělá představu o celkové "barvě" objektu.

Vedle tří druhů barvocitlivých čípků jsou na sítnici ještě tzv. tyčinky. Ty jsou barvoslepé (neslouží k registraci barvy) a jsou citlivé pouze v zeleno-modré oblasti. Uplatní se zejména při nočním vidění, kdy barvocitlivé čípky díky své nízké citlivosti již ztrácí schopnost vidět. To je důvod, proč v noci a ve tmě vidíme jen černobíle (nejsme schopní rozlišit barvy) a proč nám noc připadá celkově lehce modrá.

Lidské oko díky 3 druhům čípků přítomným na sítnici sonduje záření ve třech "barvách" a sice v modré, zelené a červené části spektra.

Existuje tak řada barev, které mají různé spektrum ale díky naší sondě "pouze" ve třech místech spektra je nejsme schopní od sebe rozlišit. Připadají nám stejné, i když se ve skutečnosti jejich spektrum liší. I přesto je však oko schopné rozlišit kolem několika desítek milionů barev, jméno má přitom jen několik desítek z nich.

Representace barev ve fotoaparátu a v PC
Fotoaparáty a mnoho dalších zařízení se opičí po oku a podobně jako oko sondují spektrum ve třech barvách - červené (Red), zelené (Green) a modré (Blue). Vzniká tak známá representace barev RGB. Tři barvy RGB mohou tak v principu vytvořit krychli podobně jako 3 prostorové souřadnice - šířka, hloubka a výška. Vzájemný poměr R : G  : B určí barvu a její sytost, zatímco součet R + G + B určí jas - neboli celkovou přenášenou energii. Jednotlivým barevným složkám se též často říká barevné kanály (Channels). Barevný obraz je tedy složen ze tří barevných kanálů - červeného, zeleného a modrého.

Barevný prostor RGB je vlastně krychle, kde vrcholy jsou barvy černá, modrá, azurová, zelená, červená, purpurová, žlutá a bílá. Skládáním základních RGB barev vznikají všechny ostatní barvy uvnitř krychle.

Doplňkové barvy (Complementary Colors)
Další pro fotografickou praxi užitečný pojem jsou doplňkové barvy. Z teoretického hlediska je doplňková barva taková, která původní barvě chybí do šedé či bílé. Jinak řečeno dvě barvy jsou doplňkové, pokud jejich smícháním vznikne šedá nebo bílá. Doplňkové barvy jsou tedy barvy na úhlopříčce RGB krychle:

V umění se ale historicky používají trochu jiné sady doplňkových barev, které sice nesplňují přesnou definici, ale vznikly historicky při míchání barev dávnými malířskými mistry:

V každém případě doplňkové barvy lahodí lidskému oku a vytvářejí příjemný barevný kontrast. Proto se doplňkové barvy často používají např. jako barva pozadí k hlavnímu objektu.

Doplňkové barvy mají tu vlastnost, že po inversi obrazu (Photoshop Ctrl+I) se vzájemně přibližně vymění.

Barevný kontrast
S fyziologií lidského vidění souvisí i subjektivní pojem kontrast. S kontrastem se ve fotografii často pracuje a je tak užitečné znát jeho subjektivní pravidla. Oko je totiž nejcitlivější na zelenožlutou barvu a nejméně citlivé na barvu modrou až fialovou. Proto při kombinaci různých barev i přesto, že jejich fyzikální kontrast je stejný, vzniká dojem různého subjektivního kontrastu:

Všimněte si, jak dobře jsou na černém pozadí čitelné nápisy, v kterých je zelená složka a jak špatně jsou čitelné nápisy obsahující jen modrou či červenou. Důvod je ten, že zelenou barvu vnímáme mnohem citlivěji, a tak na černém pozadí mnohem lépe subjektivně vynikne (má vyšší kontrast). Z fyzikálního hlediska je však kontrast ve všech políčkách zcela stejný.

Teplé a studené barvy
Emoce, které máme napojeny na různé barvy, vytvářejí i dojem teplých a studených barev. Jako teplé barvy vnímáme syté a jasné barvy žluté, červené, oranžové a žlutozelené. Vytvářejí dojem tepla, radosti, pohodlí a energie. Předměty zachycené v teplých barvách jakoby vystupují z fotografie a komunikují s divákem. Naopak jako studené barvy vnímáme málo syté a temné barvy modré, fialové či tmavě zelené. Vytvářejí pochmurnou náladu, jsou odtažité od diváka, ale současně z nich cítíme stabilitu a trvanlivost. Psychologie barev se proto hojně využívá v reklamní fotografii.

Teplé odstíny barev (nahoře) nám připomínají Slunce, kdežto studené (dole) zimu, vodu, led a tmu.

Pastelové barvy
Jako pastelové barvy označujeme obvykle barvy s vysokým podílem bílé složky. Jsou tedy světlé a málo saturované (vybledlé). Při fotografování vyžadují obvykle měkké rozptýlené světlo. Současná móda pohlednic s velmi saturovanými barvami moc pastelovým barvám nepřeje, fotografie v pastelových barvách jsou tak často hodnoceny jako vybledlé či nekontrastní. Nicméně i pastelové barvy mohou nabídnout nádherné fotografie!

Pastelové barvy jsou decentní, jemné a vyžadují obvykle měkké difúzní světlo.

Malé praktické RGB cvičení
Pochopení RGB modelu není ani tak důležité při vlastním fotografování, jako spíše pro úpravu fotografií v PC. Právě přes pochopení RGB modelu vede cesta k hlubokému porozumění pojmům jako jsou histogram, úrovně, křivky, saturace barev, přebarvení (změna Hue) atd.:

Z prostřední sytě zelené ukázky např. vyplývá jedna důležitá vlastnost. Při pokusu o sycení barev (mraky v krajině, květiny atd.) sice sytíme fotografii, ale pokud jeden z kanálů dosáhne v některých bodech obrazu již 0, tak jsme přisycením barev vytvořili podpaly zcela bez kresby!

Rozlišitelné barvy lidského oka
Pokud na chvíli zapomeneme na jas, tak druh barvy (Hue) a její sytost (Saturation) se dá nakreslit do roviny. Vzniká tak známá barevná podkova všech možných okem rozlišitelných barev. Souboru všech rozlišitelných barev se říká gamut, a tak tato podkova je nazývána gamut lidského vidění.

Gamut lidského vidění je soubor všech barev, které je oko schopno rozlišit bez ohledu na jas.

Okem se inspirovaly i digitální fotoaparáty, které také sondují barvu ve třech místech spektra a sice v červené (Red), zelené (Green) a modré (Blue). Z řady důvodů není ale tato trojbarevná sonda tak dokonalá jako u lidského oka, a tak zaznamenatelný gamut je menší než gamut lidského vidění. Podle charakteristiky použitých senzorů tak vytvoří uvnitř této podkovy okem viditelných barev trojúhelník barev zaznamenatelných fotoaparátem. Ten je vždy bohužel menší než gamut lidského oka.

Barevný prostor sRGB (standard RGB Color Space)
Barevný prostor sRGB byl definován firmami Hewlett-Packard a Microsoft a stal se široce akceptovatelným standardem, který používají mj. Windows. Uvnitř gamutu oka definuje sRGB trojúhelník zaznamenatelných barev. Jakoukoliv barvu mimo tento trojúhelník nelze v sRGB prostoru zaznamenat - přetvoří se na nejbližší barvu na okraji trojúhelníka.

Gamut barevného prostoru sRGB vytvoří uvnitř gamutu lidského oka trojúhelník. Barvy mimo tento trojúhelník jsou nezaznamenatelné, změní se na nejbližší barvu na okraji trojúhelníka.

I když to vypadá na první pohled děsivě (řada barev není uvnitř sRGB gamutu), tak praktická situace je mnohem příznivější. Drtivá většina monitorů, tiskáren i minilabů není schopná zobrazit či vytisknout ani sRGB gamut, a tak je omezení plynoucí ze sRGB jen teoretické. Nemáte-li tedy s vašimi fotografiemi nějaké zcela speciální úmysly, barevný prostor sRGB je zcela postačující.

Vzniká možná otázka, proč např. monitory nemají vrcholy svého barevného trojúhelníka blízko barev 450, 520 a 650 nm. V takovém případě by jejich gamut pokryl největší barevný prostor. Bohužel takové monitory neexistují. V praxi jsou fosfory či LCD prvky vybírány i s přihlédnutím na jas, životnost, cenu i nízkou toxicitu. Všechny tyto faktory tak komplikují výběr "ideálních" barev pro vrcholy trojúhelníka, a proto současně používané monitory nedosahují obvykle ani gamutu sRGB.

Barevný prostor Adobe RGB
Schopnosti digitálního fotoaparátu, zejména DSLR, zaznamenat barvy jsou přeci jenom lepší než omezený gamut sRGB barevného prostoru. Proto lze v menu většiny fotoaparátů nastavit nejen sRGB ale i barevný prostor Adobe RGB. Ten je větší než standardní sRGB, zejména v oblasti zelené a azurové barvy.

Přesto jeho použití nelze doporučit vyjma speciálních aplikací, kdy tzv. "víte, co děláte". Fotoaparáty totiž informaci o použití barevného prostoru Adobe RGB do JPEG souboru nedávají, a tak Adobe RGB data jsou na monitoru či tiskárně interpretovány jako standardní sRGB data. Výsledkem jsou potom temné a desaturované snímky. Pokud tedy není perfektně zvládnut barevný management celého řetězce, tak použití Adobe RGB  udělá více škody než užitku.

Barevný prostor CMYK
Pro fotografickou praxi je užitečné znát i barevný prostor CMYK. Tiskárny, které pracují na principu míchání čtyř barev CMYK (cyan-azurová, magenta-purpurová, yellow-žlutá, black-černá) nebo dokonce šesti barev CMpMYpCK (cyan-azurová, magenta-purpurová, photo magenta-světle purpurová, yellow-žlutá, photo cyan-světle azurová, black-černá) mají komplikovanější tvar gamutu a navíc se jejich gamut mění s jasem a použitým papírem. Velmi tmavé a světlé barvy mají menší gamut než středně syté barvy. Obecně však platí, že CMYK gamut tiskáren je menší než RGB gamut monitorů.

Přibližné porovnání barevných prostorů sRGB, Adobe RGB a CMYK.

ICC profily
Udělejte si jednoduchý test. Vyfotografujte nějaký barevně pestrý předmět (např. barevně pestrou obálku časopisu), zobrazte si výslednou fotografii na monitoru a porovnejte to s originálem. Výsledek nebude zcela barevně věrný. Podobně dvě stejné fotografie pořízené ze dvou různých byť stejně nastavených fotoaparátů nebudou nikdy zcela stejné. Při současném zobrazení obou fotografií uvidíte řadu drobných barevných rozdílů.

Částečným řešením tohoto problému jsou ICC profily (ICC je zkratka z International Color Consortium, což je sdružení řady výrobců za účelem tvorby standardů kolem barev). ICC profil je soubor který popisuje, jak dané zařízení (např. tiskárna) produkuje barvy, jaký předpokládá barevný prostor, jaký má gamut a obsahuje i další parametry týkající se barev (např. gamma).

Potkají-li se 2 zařízení, jejichž gamut je odlišný (a to je skoro vždy), tak to jednak díky ICC profilu o sobě vědí, ale zejména jsou schopné barvy správně převést. Nejčastější situace nastává při tisku, kdy je potřeba relativně velký sRGB prostor vtěsnat do mnohem menšího barevného prostoru CMYK tiskárny. Pokud Adobe Photoshopu ukážete ICC profil tiskárny, tak dokonce umožní zobrazit náhled, jak bude výsledek po vytištění na tiskárně vypadat (Kontrolní náhled barev Ctrl+Y, Kontrola gamutu Shift+Ctrl+Y). ICC profily tiskáren jsou většinou instalovány společně s driverem tiskárny a tak je nutné se o ně starat jen minimálně. Situaci u tiskáren ale komplikuje fakt, že gamut a tím správný ICC profil je závislý na aktuálně použitém papíru, který počítač nezná.

ICC profil je také možné přibalit do JPEG souboru, a tak se přenášejí data společně se všemi dalšími důležitými definičními údaji. Fotoaparáty ale do JPEG fotografií ICC profil nepřibalují, protože by to zbytečně zvětšovalo soubory a zmenšovalo kapacitu karty. Kdykoliv u jakéhokoliv obrazového souboru chybí ICC profil, tak počítač předpokládá standardní sRGB.

Faktem ale zůstává, že pro běžnou amatérskou praxi je správa barev (Color Management) dostatečný ve své standardní podobě obsažené v operačním systému. Pokročilá správa barev spojená s ICC profily, kalibrovanými monitory a tiskárnami je tak obvykle doménou zejména profesionálních grafických a DTP studií či tiskáren.

Správa barev má význam zejména v reklamní fotografii, kde na správné barevnosti záleží. U amatérské fotografie, kdy navíc dochází často k významné manipulaci s barvami, nemá velký význam. Chybné či nepřesné vyvážení bílé má totiž několikanásobně větší vliv na barvy než absence správy barev.

Posterizace
Běžná JPEG fotografie zaznamenává 8 bitů na jeden barevný kanál. Kanály jsou 3 (Red, Green, Blue) a z toho vychází uctihodné množství 256³=2²⁴=16.777.216 možných barev. Zdálo by se, že je to více než dost. Přesto je ale možné se poměrně často potkat s problémem tzv. posterizace. Posterizace znamená situaci, kdy nejčastěji v barevném přechodu "dojdou barvy" a místo barevně plynulého a jemného gradientu se objeví barevné fleky. Důvod je prostý - dvě nejbližší barvy jsou příliš daleko od sebe a rozdíl je vidět.

Posterizace obvykle nehrozí na běžném snímku z pláže formátu 9 x 13 cm. Hrozí ale na větších formátech a nejčastěji na obloze či na silně rozostřeném pozadí, které je jen barevným přechodem. Posterizace navíc silně vylézá, pokud se snímek necitlivě edituje (oprava expozice, umělé nasycení barev atp.). Jedinou obranou proti posterizaci je perfektní expozice, minimální úpravy v PC a případně 12 bitové snímání do TIFF formátu nebo do RAW. Při 12bitovém snímání totiž množství barev dramaticky stoupne až na 4.096³=2³⁶=68.719.476.736 možných odstínů. Nicméně i na 12bitovém snímku lze občas posterizaci najít!

Posterizace je hodně vidět na plynulých přechodech (obloha, pozadí atp.). Počet barev je v zásadě dostatečný, ale nevhodnou úpravou (v tomto případě ztmavením) se řada barev zahodí a ty co zbudou nestačí na plynulé přechody. Proto pro náročné editace zejména větších formátů je lepší editovat v 16bitovém rozlišení.

Černobílá fotografie (Black&White, Grayscale)
Název černobílá fotografie (Black&White) není zcela přesný. Nejedná se o fotografii jen s černou a bílou, ale o fotografii i se všemi stupni šedé. Z tohoto pohledu je lepší název stupně šedi či šedá škála (Grayscale).  Oba termíny se však používají a zaměňují a označují černobílou fotografii v běžném slova smyslu. Monochromatická fotografie je potom taková, která obsahuje černou a bílou a libovolný odstín jedné barvy. Časté je například ladění do sépiových barev.

Černobílá fotografie vznikne tak, že z fotografie zcela odstraníme barevnou informaci. Odstranění barvy znamená, že pro každý bod snímku sjednotíme údaje v barevných kanálech R,G i B na stejnou hodnotu. Metod, jak to provést, je spousta, nejjednodušší je přiřadit všem třem kanálům stejnou průměrnou hodnotu (R+G+B)/3. Tomuto procesu se říká desaturace. Stejně tak je ale možné všem kanálům přiřadit hodnotu z kanálu R, potom se jedná o stejný efekt, jako když se černobílá fotografie pořizuje přes červený filtr.

Černobílá fotografie je díky absenci barevné informace hra tvarů, linií, světel a stínů.

Fotografujte barevně, převádějte v PC!
Řada dnešních fotoaparátů nabízí přímo možnost fotografovat černobíle. Vlastní fotografie ze senzoru je však stále barevná, a tak převod do černobílé podoby se provede až těsně před uložením na kartu a je zcela identický převodu do černobílé fotografie v PC. Přímé černobílé fotografování tak nemá žádný praktický smysl – z barevné fotografie v PC snadno a rychle uděláte černobílou či monochromatickou, navíc v PC můžete způsob převodu řídit a simulovat různé barevné filtry. Také vám stále zůstává původní fotografie barevná a můžete tak kdykoliv fotografii upravit znovu a jinak. Vyrobit zpět barevnou fotografii z černobílé však možné není.

Oblíbené je kolorování fotografií do hnědého odstínu sépie (Odstín 32, Saturace 25). Fotografie potom působí mnohem tepleji než klasická černobílá fotografie.