Vše o světle – 10. Správa barev (color management) - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

30. března 2007, 00.00 | V ideálním světě by každé zařízení bylo ideální, a jak záznam barev např. fotoaparátem, tak reprodukce barev např. tiskárnou či monitorem by také byla ideální. Maximálně by se naráželo na matematické limity dobrovolně zvolené reprezentace barev. V reálném světě, plném nejrůznějších zařízení, to tak ideální samozřejmě není, a jak záznam, tak reprodukce barev je jeden velký kompromis vyžadující správu.

::Vše o světle - 1. Co je to světlo
::Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek
::Vše o světle – 3. Intenzita (jas) světla
::Vše o světle – 4. Barva světla
::Vše o světle - 5. Barevné modely
::Vše o světle - 6. Barevná harmonie a psychologie barev
::Vše o světle – 7. Barva předmětů a vyvážení bílé
::Vše o světle - 8. Kvalita světla
::Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů
::Vše o světle – 10. Správa barev (color management)
::Vše o světle - 11. Měření světla a expozice
::Vše o světle - 12. Kontrast
::Vše o světle – 13. Histogram
::Vše o světle – 14. EV hodnota

V reálném světě má každé zařízení jiné možnosti, a tak základním úkolem správy barev (color managementu) je řízeným způsobem provádět konverze barev mezi těmito zařízeními. Vždy to bude kompromis a skvělý snímek, pořízený na drahém fotoaparátu, nikdy nezobrazíte zcela věrně na špatném monitoru či nevytisknete na špatné tiskárně. Jde však o to, aby vzájemné převody, byť kompromisní, byly co nejvěrnější a aby vzhled byl subjektivně co nejpodobnější originálu.

Gamut
Gamut je soubor všech barev, které je zařízení schopno zaznamenat (fotoaparát, scanner) nebo reprodukovat (tiskárna, monitor). Obvykle se graficky vyjadřuje jako podmnožina tzv. CIE chromatického (barevného) diagramu, což je množina všech barev rozlišitelných lidským okem, sestavená úřadem International Commission on Illumination (CIE) v roce 1931. Tento diagram se vztahuje k průměrnému divákovi a nezabývá se jasem, ale pouze barvou a její sytostí. Díky tomu může být přehledně zobrazen v rovině a je to vlastně gamut lidského vidění.

CIE 1931 chromatický diagram představuje gamut lidského vidění. Vnější hranice je tvořena spektrálními (monochromatickými) barvami, vnitřek potom všemi barvami rozlišitelnými okem. Díky umístění do plochy je každou barvu možno vyjádřit dvojicí čísel x, y. Světlo s plochým spektrem E = Equal energy light (nemusí nutně odpovídat přesně bílé) má souřadnice x=1/3, y=1/3. Je však třeba upozornit na to, že žádné reálné zařízení není schopno všechny tyto barvy věrně zobrazit, a tak se na vašem monitoru díváte jen na nedokonalý náhled!

Jak bylo uvedeno v článku o barevných modelech, tak např. RGB barevný model je založen na aditivním míchání tří základních barev – červené, zelené a modré. Pokud tyto základní barvy umístíme do CIE diagramu, tak plocha vytvořená RGB trojúhelníkem určí gamut tohoto RGB modelu, neboli tzv. RGB barevný prostor. Žádná barva mimo tento trojúhelník nemůže být nikdy pomocí uvedených základních barev dosažena. Jinými slovy – pomocí RGB barev nelze vytvořit zelenější zelenou, než je základní zelená "G" barva.

Gamut RGB modelu je vnitřek trojúhelníku definovaného vrcholy R,G a B v CIE diagramu. RGB barvy jsou přitom definovány pomocí x, y souřadnic. Na obrázku je gamut barevného prostoru sRGB, který má současně definován standard bílé jako D65 se souřadnicemi x=0,31271, y=0,32902.

Každé zařízení založené na RGB reprezentaci dat používá v praxi jiné základní RGB barvy. U klasických monitorů jsou určeny např. použitými fosfory na stínítku obrazovky, u LCD monitorů jsou určeny barvou podsvícení a vlastnostmi tekutých krystalů, u digitálních fotoaparátů jsou určeny konkrétním provedením Bayerovy masky atd. Gamut každého zařízení je tak mírně jiný, a co hůře – bez znalosti použitých základních barev u konkrétních zařízení nemá trojice RGB čísel žádný význam. Například RGB trojice {255,0,0} říká maximum červené, ale my nevíme, jaká červená je u konkrétního zařízení použita!

Tiskárny používají jiný barevný model, a sice CMYK. Ten je založen na subtraktivním míchání obvykle čtyř, ale i více inkoustů, a proto je jejich gamut složitější než RGB gamut. Navíc se tento gamut významně mění s jasem a např. ve světlých či naopak v tmavých tónech je horší než v tónech středních. Stejně jako u modelu RGB nejsou pochopitelně inkousty nijak standardizovány, a tak obecný CMYK bez dalších údajů také nemá konkrétní smysl.

Velmi hrubé znázornění gamutu barevného modelu CMYK v porovnání se sRGB. Tvar gamutu CMYK ale silně závisí na konkrétním zařízení a navíc se mění s jasem.

Barevný prostor sRGB
Obrovský rozvoj počítačů, monitorů i celé řady dalších zařízení pracujících s barvou si vyžádal definovat dostatečně obecný, ale dobře definovaný barevný prostor, který by se předpokládal jako standardní vždy, když nějaké zařízení neurčuje přesně svůj vlastní barevný prostor. Tuto potřebu urychlil i Internet, kde je celá řada barevného materiálu a není možné ani efektivní předpokládat, že každý si ponese svůj popis použitého barevného prostoru. Proto společnosti Microsoft a Hewlett-Packard definovali barevný prostor "standard RGB" (sRGB), který se stal široce akceptovaným standardem pro celou řadu zařízení a programů, a to zejména pro běžné domácí a kancelářské použití.

Prostor sRGB skvěle vyhovuje monitorům a je i typickým prostorem, v kterém ukládají snímky všechny digitální fotoaparáty. Můžete si být téměř jisti, že pokud obdržíte obrazová data, jež nemají přibalen žádný další popis, tak tato data jsou v prostoru sRGB. Barevný prostor sRGB má definovány tři základní RGB barvy, bílý bod D65 a gamma křivku.

Barevný prostor Adobe RGB
Schopnosti digitálních fotoaparátů a celé řady dalších zařízení jsou však z hlediska barvy přece jenom lepší než omezený gamut sRGB. Proto lze v menu většiny fotoaparátů nastavit nejen sRGB, ale i barevný prostor Adobe RGB. Ten je větší než sRGB, a to zejména v oblasti zelené a azurové barvy.

Porovnání gamutu barevného prostoru sRGB a Adobe RGB. Adobe RGB má mnohem větší rozsah barev v oblasti zeleno-azurové.

Přesto jeho použití nelze obecně 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 často chybně interpretovány jako sRGB data. Výsledkem jsou potom temné a desaturované snímky. Pokud tedy není perfektně zvládnuta barevná správa celého řetězce, tak použití Adobe RGB udělá více škody než užitku.

Pokud se fotografie pořízená do barevného prostoru Adobe RGB zobrazí jako sRGB, což nastane vždy, když nezvládnete správu barev, tak se desaturují barvy a fotografie je celkově mdlá. Změny sice nejsou fatální, ale je to škoda a to zvlášť, když tato chyba je zcela zbytečná.

ICC profil zařízení
Popsat komplexně chování zařízení ve vztahu k reprezentaci barev se snaží tzv. ICC profil zařízení. Jeho formát definovalo International Color Consortium a popisuje schopnosti zařízení ve vztahu k nezávislému a dostatečně velkému barevnému prostoru (obvykle L*a*b nebo CIE). Je to běžný soubor v počítači s příponou ICC či ICM, který obsahuje kompletní barevné chování zařízení a případně návod, jak barvy pro něj vhodně konvertovat. Každé zařízení by mělo mít svůj ICC profil, který se obvykle do operačního systému dostane při instalaci ovladačů či programů.

Kalibrace zařízení
Dnešní kvalitní monitory poskytují vcelku rozumnou věrnost barev. Pro profesionální použití a pro zajištění opravdu vysoké věrnosti barev je však nutné každé zařízení přesně zkalibrovat. Kalibrace spočívá v přesném změření reakce monitoru na posílaná data a v kompenzaci případných odchylek. Výsledkem bývá např. ICC profil. Po kalibraci si můžete být jisti, že např. datově šedá bude opravdu zobrazena jako neutrální šedá a že zobrazení všech barev bude maximálně věrné jejich definici.

Kalibrace spočívá v použití sondy, která odstíní okolní světlo a měří barevnou reakci displeje na posílaná data. Výsledkem je potom korekční tabulka ukrytá obvykle v ICC profilu.

Převod gamutů (Gamut mapping, Rendering intent)
Protože různá zařízení nemají stejný gamut, tak při jejich propojení je nutný určitý přepočet barev, a to zejména u barev blízko okraje gamutu. Barvy je potřeba trochu "posunout" a to tak, aby se větší gamut vtěsnal do menšího gamutu. Například sytá modrá barva z monitoru, vytištěná na běžné tiskárně, nikdy nebude tak sytá. A opačně – jasná azurová na papíře z tiskárny bude mít velký problém na běžném monitoru. V tomto případě se právě liší gamuty sRGB a CMYK, a je potřeba provést jejich přepočet.

Co dělat v případě, že větší gamut (například sRGB) pasujete do menšího gamutu (například CMYK)? Počítač musí barvy mimo cílový gamut nějak do menšího cílového gamutu vtěsnat. Postupovat může čtyřmi možnými metodami (reprodukcemi), jejichž výběr závisí na tom, co konkrétně preferujete:

1. Relativní kolorometrická
2. Perceptuální
3. Absolutní kolorometrická
4. Sytost

Volba, jak se budou barvy mezi různými gamuty převádět, se v Adobe Photoshopu zadává v okně pro nastavení barev (Ctrl+Shift+K) v části Volby převodu. Volba Modul určuje, zda převod bude řídit modul integrovaný v programu Adobe nebo operační systém (volba Microsoft). Způsob, jak se gamuty Přizpůsobí, určí volba Reprodukce.

Relativní kolorometrická
Standardní a předdefinovaná volba vhodná pro fotografie, která barvy mimo cílový gamut jednoduše nahradí nejbližší barvou z cílového gamutu. Dále porovná bílý bod zdrojového gamutu s bílým bodem cílového gamutu a podle toho posune všechny barvy (čili kompenzuje vliv jiného bílého bodu). Relativní kolorimetrická metoda zachová tedy subjektivně beze změny barvy, které jsou v obou gamutech. Ty, které jsou mimo, nahradí nejbližší možnou barvou. Avšak díky tomu se kresba provedená barvami mimo cílový gamut slije.

Relativní kolorimetrická metoda nahradí barvy mimo gamut nejbližší možnou barvou. Část kresby se tedy může slít výměnou za stálost barev uvnitř obou gamutů.

Perceptuální
Je podobná relativní kolorimetrické metodě, avšak snaží se zachovat vizuální vztahy mezi barvami způsobem, který je lidským okem vnímán jako přirozený, přestože všechny barvy se přitom mohou změnit. Nehrozí tedy slití barev (kresby) mimo gamut výměnou za to, že se všechny barvy mírně změní. Tato metoda se tedy hodí pro fotografii s velkým množstvím barev mimo gamut. Protože perceptuální metoda neztrácí žádnou kresbu, je na rozdíl od relativní kolorimetrické metody vratná. V praxi však při pokusu o převod tam a zpět dochází k menším posunům kvůli použití omezené bitové hloubky.

Perceptuální metoda plynule srazí větší gamut do menšího. Žádná kresba se sice neztratí, všechny barvy se ale mírně změní.

Absolutní kolorimetrická
Absolutní kolorimetrická metoda je velmi podobná relativní kolorimetrické, akorát absolutní metoda ponechá beze změny bílý bod. Vše nejlépe ozřejmí příklad. Máte data například v sRGB prostoru, kde je bílý bod definován jako D65. Nyní je převádíte do CMYK prostoru, který předpokládá nějaký konkrétní papír s modrým nádechem (tím je definován bílý bod). Relativní kolorimetrická metoda upraví barvy tak, aby respektovaly tento namodralý papír, a tím zůstaly vizuálně beze změny, kdežto absolutní kolorimetrická metoda ignoruje vliv barvy namodralého papíru (a tím vliv jiného bílého bodu). A to způsobí barevný posun. Proto se absolutní kolorimetrická metoda příliš nehodí pro fotografie, vyjma situace, kdy chcete vidět, jak barva papíru ovlivní vytištěné barvy.

Sytost
Tato metoda se snaží vytvořit v obraze živé barvy, a to i na úkor jejich přesnosti. Hodí se tedy zejména pro obchodní grafiky, jako jsou grafy nebo diagramy, kde jsou jasné a syté barvy důležitější než přesné barvy. Vůbec se ale nehodí pro fotografie.

Kontrola gamutu (Gamut warning)
Pokud například v programu Adobe Photoshop zadáte gamut výstupního zařízení, což lze v menu Zobrazení/Nastavení kontrolního náhledu provést výběrem ICC profilu, tak Photoshop je schopen oznámit místa v obraze, kde výstupní zařízení nebude schopno dodržet přesné barvy. Zvolenou barvou (standardně je nastavena šedá) zvýrazní ty části snímku, kde dojde k přemapování barev, a tím nutně k jejich posunu. Kontrolu gamutu lze zapnout/vypnout v menu Zobrazení/Kontrola gamutu nebo stiskem Shift+Ctrl+Y.

V Adobe Photoshopu se zapnutím funkce Kontrola gamutu (Shift+Ctrl+Y) označí plochy snímku, kde dojde při převodu do výstupního gamutu k barevným nepřesnostem. Výstupní gamut se volí v menu Zobrazení/Nastavení kontrolního náhledu a změnit šedou označovací barvu na libovolnou jinou lze v menu Úpravy/Předvolby/Průhlednost a gamut. Na ukázce je převod ze sRGB do CMYK, který má menší gamut jak v červené, tak i v zelené barvě. Proto tyto barvy budou v CMYKu méně jasné a syté a dojde v nich tedy k posunu.

Kontrolní náhled barev (Gamut preview)
Photoshop se může se znalostí gamutu výstupního zařízení dokonce pokusit simulovat, jak bude po převodu skutečně snímek vypadat. Tuto funkci lze aktivovat v menu Zobrazení/Kontrolní náhled barev nebo stiskem Ctrl+Y. Tentokrát nebudou jen označena místa, kde dojde k barevným nepřesnostem, ale snímek bude převeden skutečně do výstupního stavu. Obě kontrolní funkce mají smysl zejména při převodu z většího gamutu do menšího, a uplatní se tak nejčastěji při kontrole či simulaci tisku.

Správa barev (Color management)
International Color Consortium definovalo v roce 1993 otevřený standard, který má za úkol s využitím poznatků uvedených výše zajistit v operačním systému dostatečnou přesnost barev. Podmínkou je, aby všechna barevná data (například JPEG soubory) byly opatřeny visačkou, v jakém barevném prostoru jsou definovány a jaké vlastnosti tento prostor konkrétně má. Stejně tak všechna výstupní zařízení musí sdělovat svoje barevné možnosti. Oboje je obvykle zajištěno pomocí ICC profilu.

Počítač, který se nachází uprostřed procesu, je potom zodpovědný za přepočty barev tak, aby byly maximálně věrné. Pro přepočet používá dostatečně velký, nezávislý a obecný propojovací prostor (Profile Connection Space, PCS), často např. L*a*b či CIE.

V operačním systému je správce barev (CMM), který data ze vstupního zařízení mapuje do nezávislého propojovacího barevného prostoru PCS. V části tohoto prostoru, nazývaném pracovní prostor (working space), se data editují. Při výstupu např. na tiskárnu převede CMM data do prostoru tiskárny, vše s cílem maximální věrnosti barev.

Bohužel je celkem běžné, že vám přijdou obrazová data (např. JPEG fotografie) bez připojeného ICC profilu. V takovém případě můžete pouze hádat, v jakém barevném prostoru byla data pořízena, obvykle to ale bývá sRGB. Například drtivá většina fotoaparátů pořizuje fotografie v sRGB, ale do JPEG souborů tuto informaci nedává! Zvyšovalo by to totiž zbytečně velikost všech souborů se snímky, a tím snižovalo kapacitu karty.

Lepší fotoaparáty umožňují snímat do Adobe RGB prostoru, který má větší gamut zejména v oblasti zelené a azurové. Ani v takovém případě ale obvykle není ICC profil do JPEG souboru přibalen, a proto je nutné si tuto informaci pamatovat a při otevření souboru v editoru mu ručně ICC profil Adobe RGB přiřadit.

Řada fotoaparátů umožňuje někde v menu volit barevný prostor, ve kterém budou data uložena. Lze ale doporučit nechat pro běžné použití prostor sRGB.

V praxi
Řada funkcí správy barev je implementována přímo v operačním systému a například Microsoft Windows pojmenoval svojí správu barev jako Image Color Management (ICM). Ve své jednodušší podobě pracuje tak, že vstupní zařízení a jeho driver převede barvy vstupního zařízení vždy do prostoru sRGB. Při výstupu jsou potom barvy z prostoru sRGB převedeny do barevného prostoru výstupního zařízení, což opět provede driver výstupního zařízení. Všechna data na disku jsou tedy v sRGB a není třeba k nim nic dodávat. Takto pracuje např. sada Microsoft Office.

Použití prostoru sRGB jako standardního a referenčního prostoru je velmi jednoduché, uživatelsky příjemné, nevyžaduje žádnou konfiguraci, a pokud vám přijdou neznámá data (např. JPEG fotografie), lze s vysokou pravděpodobností předpokládat, že jsou v prostoru sRGB. To je například i situace na internetu.

Složitější, ale obecnější a otevřený koncept je data ze vstupního zařízení nepřevádět do sRGB, ale ponechat pro zachování maximální kvality jejich původní barevný význam a připojit ke každému souboru s barevnými daty popis barevného prostoru, v kterém jsou data definována. To lze zařídit nejsnáze pomocí ICC profilu, který může být zabalen i dovnitř souborů typu TIFF, JPEG, PNG, EPS či PDF. V takovém případě se převod barev provádí pouze v případě potřeby propojení dvou zařízení a přes nezávislý propojovací barevný prostor L*a*b nebo CIE. Ty jsou tak velké a obecné, že zachovají plnou možnou kvalitu.

Závěr
Správa barev je poměrně složitý a mnohdy bohužel i matoucí proces. Je to dáno množstvím různých barevných modelů, konkrétních zařízení, softwaru i praktických potřeb. Používání prostoru sRGB jako standardního je pro běžnou přesnost barev přijatelné, protože většina zařízení má svůj gamut stejně menší nebo blízký sRGB. Navíc sRGB je prostor internetu a řada prohlížečů stejně ICC profil ignoruje. Pro profesionální použití, kde je třeba zabezpečit např. přesnou barvu loga či barevnou věrnost módního oblečení atd., je však nezbytná plná správa barev, včetně náročné kalibrace zařízení.