KUVANKÄSITTELYN TEORIAA

Transkriptio

1 KUVANKÄSITTELYN TEORIAA

2 VALO JA VÄRIT Valoa tarvitaan, jotta voisimme nähdä kuvia ja värejä. Kuvankäsittelyssä käytettävien laitteiden toiminta ja kuvan syntyminen yleensä on paljon helpommin ymmärrettävää, kun tietää jotakin valon ja värien synnystä sekä käyttäytymisestä.

3 Digikuvan peruskirja VALON JA VÄRIN TEORIAA Valon värin määräytyminen Valo ja väri ovat ilmiöitä, jotka ovat aina kiehtoneet ihmismieltä - ties jo kuinka kauan ennen tunnetun historian aikoja. Ensimmäiset tunnetut selitykset valon ja värien selitykset lienevät antiikin kreikkalaisilta filosofeilta. Teoriat olivat monesti enemmän lennokkaita kuin ilmiötä selittäviä. Mm. Aristoteles kannatti voimakkaasti käsitystä, jonka mukaan näkeminen perustuu silmistä lähteviin näkösäteisiin. Samaa ideaa on jälkeenpäin soveltanut muuan Clark Kent, tosin sähkömagneetisen säteilyn valoa lyhemmillä aallonpituuksilla - röntgensäteillä. Kyseinen herra tunnetan paremmin Teräsmiehenä. Nykytieteen antama selitys valolle on paljon koruttomampi. Se on osa äsken jo mainittua sähkömagneetista säteilyä tai aaltoliikettä. Eri sähkömagneettisen säteilyn lajeja luonnehditaan niiden aallonpituuksien mukaan. Vaihteluväli on huima, kilometreistä millimetrin miljardisosiin. Valoksi kutsutaan niitä aallonpituuksia, jotka ihminen kykenee aistimaan silmillään. Ne osuvat satojen nanometrien eli millimetrien kymmenestuhannesosien suurusluokkaan. Tarkemmin sanoen valo sähkömagneettista säteilyä, jonka aallonpituus on nm. Siis hyvin kapea kaistale koko laajassa sähkömagneettisen säteilyn spektrissä. Jos sitä verrataan toiseen aistein havaittavaan aaltoliikkeeseen, ääneen, josta ihminen kykenee korvillaan aistimaan noin 10 oktaavin äänialan, niin valoa näkyy vain vajaan oktaavin alueelta. Muut valon ominaisuudet sitten kyllä korvaavat tämän "puutteen", kun on kyse kyvystä välittää informaatiota. Väri on jo paljon monimutkaisempi tapaus. Se kun on sekoitus fysiikkaa ja fysiologiaa. Lähdetään liikkeelle fysiikasta. Se kun on helpompaa. Valossa on yleensä useita aallonpituuksia. Sopivalla laitteella, kuten prismalla tai hilalla, valon eri aallonpituudet saadaan eroteltua toistaan. Silmä näkee tuloksen eri väreinä. Puhutaan spektrin puhtaista väreistä. Kuva 1.1: Valkoinen valo hajoaa prismassa spektriksi, jossa on nähävissä puhtaiden, vain yhtä aallonpituutta sisältävien värien kirjo. 4

4 Luku 1 Valo ja värit Spektrin värit Valon spektrissä kukin väri edustaa tiettyä aallonpituutta. Värit vaihtuvat periaatteesa portaatomasti pitkän aallonpituuden punaisesta lyhyiden aallonpituukisen violettiin, mutta näköaistin mekanismista johtuen näemme spektrin värit enemmän tai vähemmän selkeinä vyöhykkeinä. Kuinka monta eri väriä spektrissä nähdään, on osin myös kulttuurista riippuva seikka. Suomessa puhutaan yleisesti sateenkaaren seitsemästä väristä, kun taas esim. anglosaksisessa maailmassa katsotaan sateenkaaren värejä olevan yhdeksän. Luonnossa näkyvät värit ova harvoin puhtaita spektrin värejä (sateenkaaren väritkään eivät ole puhtaat spektrin värit, vaikka niin usein väitetäänkin), vaan värillisenä nähty valo koostuu useista, yleensä kaikista näkyvän valon aallonpituuksista. Näköaistin kokema väri riippuu valon aallonpituusjakaumasta. Silmä voi kokea kaksi erilaista aallonpituusjakaumaa saman värisinä. Tällä ilmiöllä on tiettyä merkitystä kameran tuottaman värin yhteydessä, sillä vaikka kameran "näkökyky" on melko lailla samanlainen kun ihmisen silmän, niin erojakin on. 400 nm 500 nm 600 nm 700 nm Kuva 1.2: Kaksi erilaista spektrijakaumaa, jotka kuitenkin tuottavat silmälle suunnilleen samanlaisen väriaistimksen. Valo ja materia Kun valo kohtaa materiaa, tapahtuu yleensä useita ilmiötä. Karkeasti ottaen seuraavat ilmiöt ovat mahdollisia: heijastuminen, taittuminen, sironta ja absorbtio. Usein kaikki näistä ilmiöstä voivat tapahtua saman aikaisesti. Arkikielessä heijastuminen ja sironta menevät usein sekaisin. Ilmiöinä ne ovat kuitenkin hyvin erilaiset. Heijastuminen on materian pinnan ominaisuus ja noudattaa yksinkertaista heijastuslakia: tulokulma = heijastuskulma. Kuvassa näkyvät kiillot ovat seurausta heijastuksesta. Sironta on matrian ominaisuus. Siinä osa valon aallonpituuksista absorboituu materiaan ja osa palaa takaisin. Materian väri on seurausta sironnasta. Sironneen valon avulla myös esineen muoto on hahmotettavissa. Materiasta sironneella valolla ei ole mitään tiettyä suuntaa kuten heijastuneella valolla, ja siitä syystä värit kuten koko esinekin on nähtävissä eri suunnista. 5

5 Digikuvan peruskirja Valo voi myös läpäistä materian. Sellaista materiaa kutsutaan läpinäkyväksi ja valo yleensä muuttaa kukusuuntaasa osuessaan tällaisen materiaan. Ilmitä kutsutaan taittumiseksi. Valon taittuminen kameran linssissä on kuvan muodostumisen keskeinen fysikaalinen ilmiö. Kuva 1.3: Kuva on täynnä erilaisia valoilmiötä. Lehdistä siroava valo on selektiivistä, eli valossa on eniten vihreän valon aallonpituuksia. Muurista siroava valossa taas aallonpituuksia on suunnileen samassa suhteessa kuin siihen osuvassa valossa. Siksi ne näyttävät harmaalta. Jotkin muurin osat absorboivat enemmän kuin toiset ja näyttävät siksi tummemmilta. Sateenkaaren valo on taittunut ja heijastunut valonsäteiden kuljettua vesipisaroiden lävitse. Taittuminen on erilaista eri aallonpituuksille, mikä aiheuttaa sateenkaaren värien muodostumisen. V edessä näkyvä sateenkaari on heijastuma. Pilvien tummuus riippuu siitä, kuinka paljon ne läpäisevät valoa ja kuinka paljon niihin osuu valoa muualta. Paksut koko taivaan peittävät sadepilvet ovat tummia, ohuet poutapilvet vaaleita. Sateenkaaren alla näkyvän sinitaivaan valo on taas peräisin siroamisesta Valon dualistinen luonne Valon todellinen olemus oli tiedemiehillekin pitkään arvoitus. Vallalla oli kaksi kilpailevaa käsitystä. Valon oletettiin olevan joko hiukkasia tai aaltoja. Kvanttifysiikan kehittyessä 1900-luvun alussa selvisi, että molempien teorioiden kannattajat olivat olleet oikeassa. Valolla on sekä aaltoliikkeen että hiukkasten ominaisuuksia. 6

6 Luku 1 Valo ja värit Kumpikin ominaisuus tulee esille eri yhteyksissä ja kummallakin ominaisuudella on tärkeä rooli valokuvauksessa riippumatta siitä, kuvattiinko filmillä vai digillä. Aaltoliikkeelle on tyypillistä, että aallot taittuvat, kun ne tulevat vinosti toiseen väliaineeseen. Näin käy myös valolle, kun se tulee ilmasta lasiin. Tämä ilmiö on keskeisessä roolissa, kun kuva muodostetaan linssin avulla. Kuva 1.4: Kuvan synty linssin avulla. Esineen kuva on terävä kohdassa, jossa samasta kohtaa sironneet valonsäteet leikkaavat kuljettuaan valoa taittavan linssin lävitse. Valon hiukkas- eli fotoniluonne tulee esille, kun linssin muodostama kuva tallentuu filmille tai digikameran kennolle. Filmille osuvat fotonit saavat energiallaan aikaan sähkökemiallisia reaktioita, joiden seurauksena filmille syntyy ensin piilossa oleva eli latentti kuva ja filmi kehitettäessä lopullinen kuva. Digikameran kennolla fotonit vpauttavat elektroneja, jotka puolestaan saavat aikaan jännitteen, joka taas muunnetaan numeeriseksi väriarvoksi. Hieman yksinkertaisttaej voidaankin sanoa kameran kennon toimivan fotonilaskurina. Mitä enemmän fotneita johonkin kennon pikseliin tulee valotuksen aikana, sit äsuurempi on kyseisen kohdan jänniten ja sitä suurempi on pikelin valoisuusarvo. Kuvan muodostumisen kannalta on olennaista, että kaikki valon fotonit toimivat tässä samalla tavalla Energeettisemmät lyhyemmän allonpituuden violetin värin fotonit ole yhtään tehokkaampia kuin vähemmän energeettiset punaisen valon fotonit. Filmikameroiden alkuaikana tämä oli melkoinen ongelma, kun filmit olivat vähemmän herkkiä herkempiä punaiselle kuin siniselle valolle. 7

7 Digikuvan peruskirja Kuva 1.4: Valon fotoniluonne käytännössä. Valossa tummuvat lasit toimivat lähinnä ultraviolettivalon energian avulla. Auton lasit eivät läpäise uv-valoa, joten autoa ajaessa lasit eivät toimi kirkkaassakaan auringonpaisteessa. Lasien toimintamekanismi on hyvin paljon samanlainen kuin filmin tummuminen valon vaikutuksesta. Sillä erolla vain, että lasien tummuminen on palautuva prosessi toisin kuin filmin. Saattaa tuntua oudolta, että kylmässä tummenevat silmälasit tummuvat enemmän kuin lämpimässä, joskin hitaammin. Kyseessä on ns. tasapainoreaktio, jonka tasapaino on kylmässä enemmän tummumista aiheuttavan reaktiotuotteen puolella. Diffraktio ja interferenssi Valon aaltopuoleen liittyy kaksi ilmiötä, joilla on suuri merkitys myös valokuvauksessa. Diffraktio ja interferessi. Diffraktio on aaltoliikkeen taipumista "nurkan taakse". Sen ansiosta (tai siitä syystä) ääni kuuluu hyvin sisällä ikkunan ollessa avoinna, vaikka äänilähde itse ei olisi näkyvussä. Valon diffraktio havaitaa parhaiten valon kulkiessa kapean raon tai reiän lävitse, koksa silloin diffraktoituneen valon osuus muuhun valoon verrattuna on suuri. Valokuvaksessa diffraktio voi heikentää kuvan laatua, jos käytetään hyvin pieniä himmetimen aukkoja. Näin taas tapahtuu etenkin hyvin lyhytpolttovälisillä digikameroilla. Esimerkiksi tyypillisessä digipokkarissa lyhin polttoväli on 8 mm ja pienin himmentimen aukko 8, jolloin himmentimen läpimitta on 1 mm. Ollaan jo niillä rajoilla, jossa diffraktiolla alkaa olla havaittavaa vaikutusta. Diffraktion vaikutus kuvan laatuun riippuu myös kameran kennon fyysisestä koosta. Pienen kennon pikseleiden märää ei kannata kasvattaa koivn suureksi, vaikka se teknisesti olisikin mahdollista, koska diffraktio alkaa haitata alkeiskennojen kykyä kerätä valoa. Monet digisiantuntijat ovatkin sitä mieltä, että digipokkareiden paras kuvanlaatu saavutetaan jo 3 miljoonan pikselin kennolla, vaikka markkinoilla näkee kaupallisista syistä jopa 8 megan kennoja. 8

8 Luku 1 Valo ja värit Tämä kuva paratakoneen terästä on otettu ilman objektiiviä suoraan filmille. Vuorottaiset tummat ja kirkkaat juovat johtuvat diffraktoituneen valon interferenssistä, eli valoaallot väliin vahvistavat ja väliin heikentävät toisiaan. Ilmiö näkyy tässä hyvin voimakkaana, koska valolähteenä on käytetty laseria. Laserin valo poikkeaa normaalista valosta siten, että siinä on vain yhtä punaisen valon aallonpituutta ja kaikki aallot ovat lisäksi samassa vaiheessa. Interferenssi on aaltojen yhteisvaikutus. Samassa vaiheessa olevat aallot vahvistavat toisaan, eri vaiheessa olevat heikentävät. Esimerkiksi merellä huomaa helposti, että kaikki aallot eivät ole samankorkuisia. Se johtuu interferenssistä. Valoaaltojen interfenssiä havaitaan ohuissa kalvoissa, kuten saippuakuplissa tai öljyläikissä veden pinnalla. Kirkkaat värit syntyvät eri aallonpituisten eli eri väristen aaltojen sopivasti vahvistaessa ja heikentäessä toisiaan. Tätä ilmiötä voidaan käyttää hyväksi kameroiden objektiiveissä. Etenkin zoom-objektiivit ovat hyvin monimutkaisa ja niissä on useita linssejä. Tyypillisesti jopa lähes 20. Kun valo myös osittain heijastuu joka kerta osuessaan linssin pintaan, olisi näistä lukemattomista objektiivin sisällä tapahtuvista heijastumisista seurauksena merkittävä kuvan laadun heikkeneminen, ellei asialle tehtäisi jotain. Ratkaisu on linssien päällystäminen useilla eripaksuisilla ohuilla kerroksilla, joiden paksuus on valittu siten, että vaimentavat heijastuvaa valoa tehokkaastiuseiden aallonpituuksien alueella. Samaa tekniikkaa käytetään myös silmälaseissa heijastuksien ehkäisyssä. 9

9 Digikuvan peruskirja Objektiivien ohutkalvopinnoitus näkyy linssien värikkyytenä, kun objektiiviä katsotaan sopivasta kulmasta. Käytettäessä dioissa lasillisia kehyksiä harmina ovat aina olleet diaan helposti ilmestyvät mustajuovaiset kuviot. Nämä lasin ja dian väliin syntyvät ns. Newtonin renkaat johtuvat valon interferenssistä. 10

10 Luku 1 Valo ja värit Polarisaatio Polarisaatio on valon ominaisuus, jota ihmisilmä ei havaitse ilman apuvälineitä (toisin kuin esimerkiksi mehiläiset, jotka käyttävät taivaankannen polarisoitunutta valoa suunnistukseen). Valon täydellinen polarisaatio tarkoittaa, että normaalisti kaikissa sivusuunnissa värähtelevät valoaallot värähtelevät vain yhdessä sunnassa. Yleensä polarisoitunut valo on vain osittain polarisoitunutta eli se värähtee jossain tasossa voimakkaammin kuin muissa. Kun kaksi polarisoivien aurinkolasien linssiä päällekkäin ristissä. Ensimmäinen linssi polarisoi sen läpi kulkevan valon eli päästää lävitseen vain yhdessä suunnassa värähtelevää valoa. Tämä valo ei pääse enää toisen linssin lävitse, koska sen päästösuunnassa värähtelevää valoa ei tule ensimmäisen linssin lävitse. Valo polarisoituu sekä heijastuessaan että kulkiessaan sopivan polarisoivan materiaalin lävitse. Näihin kahteen fysikaaliseen ilmiöön perustuu polarisoivien aurinkolasien ja suodattimen käyttö heijastuksen poistajana. Heijastuva valo on yleensä jossain määrin polarisoitunutta. Kääntämällä polarisaatiosuodin sopivan suuntaiseksi, saadaan merkittävä osa heijastuksista poistettua. Tumman pöydän päällä vastavaloon kuvatut esineet ja itse pöytä heijastavat paljon valoa. Polarisaatiosuotimella saadaan merkittävä osa vaakasuorien pintojen heijastuksista pois, mutta ei samanaikaisesti lasissa olevia pystysuorien pintojen heijastuksia. Polarisaation voimakkuus riippuu myös heijastuskulmasta, siksi pöydän pinnan etuosan heijastukset suodattuvat paremmin kuin takaosan heijastukset. Metallisen kakkulapion heijastuksiin polarisaatiosuotimella ei ole vaikutusta, koska metallipinnasta heijastunut valo ei polarisoidu. 11

11 Digikuvan peruskirja Valokuvauksessa polarisoivia suodattimia voidaan käyttää myös värien kirkastamiseen ja taivaan sinen syventämiseen. Kasvien lehdet, kalliot, maantien pinta ja monet muut kohteet, jotka sekä sirottavat että heijastavat valoa, näyttävät monest aika haaleilta, kun heijastus peittää alleen kohteen väriä. Kammeran objektiivin eteen asetettua polarisaatiosuodinta on syytä kiertää eri asentoisin, jotta näkee, missä asennossa se toimii parhaiten heijastuksen poistaja. Vaaka- ja pystysuorilta pinnoilta, kuten vedestä ja ikkunoista tulevia heijastuksia ei voida poistaa molempia samalla suotimen asennolla, vaan on tehtävä valinta. Polarisaatiosuodin suodattaa vedenpinnan heijastumaa, jolloin pohjassa oleva sammakko tulee näkyviin. Vastavasti toimivaa suodatinta on turha hakea Photoshopin filttereistä. Tehokkaimmin polarisaatiosuodin poistaa heijastuksen veden pinnasta, kun valo tulee 37 asteen kulmassa veden pintaan nähden. Kuvassa on myös nähtävissä, kuinka polarisaatiosuodin syventää lehtien ja kivien väriä suodattamalla hajaheijastuksia niiden pinnalta. Polarisaatiosuorin tummentaa valokuvassa taivasta ja korostaa pilvien vaaleutta, koska sinitaivaan valo on polarisoitunutta, mutta pilvien ei. Sinitaivaan polarisaatio muuttuu siten, että se on suurin 90 asteen kulmassa aurinkoon nähden. Käytännössä polarisatiosuodin tummentaa enemmän lähellä taivaan lakea kuin horisonttia olevaa taivasta. Myös pölyn aiheuttaman usvan vähentäjänä voidaan kokeilla polarisaatiosuodinta. 12

12 Luku 1 Valo ja värit Värilämpötila Kaikki kappaleet säteilevät - jopa kaikki ihmiset, vaikka jokaisella meistä on välillä tuntemuksia, että juuri nyt ei oikein säteile. Se on kuitenkin eri juttu, eikä suoranaisesti liitty fysiikaan. Kappaleiden säteilyn määrä ja laatu riippuvat niiden lämpötilasta. On varsin ymmärrettävää, että kuumat kappaleet säteilevät enemmän kuin kylmät. Lämpötila vaikuttaa myös säteilyn aallonpituusjakaumaan. Mitä korkeampi on säteilevän kappaleen lämpötila, sitä enemmän säteilyn aallonpituusjakaumassa on lyhyitä energettisiä aallonpituuksia. Noin 600 asteessa kappale alkaa säteillä myös valoa. Ensin punaista ja lämpötilan kasvaessa valon määrä lisääntyy ja muuttuu valkoisemmaksi. Hyvin kuumat kappaleet, kuten jotkut tähdet, säteilevät sinivoittoista valoa. Kuva 1.5; Ihmisen säteilyä ei voida tallentaa tavallisella kameralla, mutta lämpökameralla kyllä. Kuvan väreillä ei ole mitään tekemistä värilämpötilan kanssa, vaan niillä vain havainnollistetaan kohteen eri lämpötiloja. Lieden levyjen punahehkuista sen sijaan voidaan päätellä ainakin niiden keskinäisiä lämpötilaeroja. Värilämpötilan käsite perustuu siis siihen, että eri lämpötiloissa hehkuva kappale säteilee aallonpituusjakaumaltaan erilaista valoa. "Kylmät" kappaleet hehkuvat punavoittoista valoa, kuumat sinivoittoista valoa. Kylmän ja lämpimän värin yleisesti mielletty järjestys on siis fysikaalisesti ottaen täysin päinvastainen. Auringon pintalämpötila on absoluutisella lämpötila-asteikolla noin 5800 kelviniä. Ihmisen silmä kokee tällaisen valon valkoisena, joten aallonpituusjakaumaltaan Auringon kaltaisen valkoisen valon värilämpötilan sanotaan olevan 5800 K. 13

13 Digikuvan peruskirja uva 1.6 Kynttilän liekin eri osien lämpötilja voi päätellä niiden väristä. Valkoinen on kuumin osa. Sen sijaan nestekaasun liekki ei ole asteista, vaikka väristä voisi näin päätellä. Syntymekanismit ovat aivan erilaiset. Kynttilän valo tulee nokihiukkasten hehkusta, nestekaasun palaessa syntyneiden vesimolekyylien virittymisestä. Tarkkaan ottaen värilämpötilan käsite pätee vain ns. ideaaliselle mustalle kappaleelle, mutta yksinkertaisuutensa vuoksi siitä on tullut mm. valokuvaukseen käyttökelpoinen valon värin mitta, riippumatta siitä, milla tavalla valo on syntynyt. Niinpä esimerkiksi sinitaivaan heijastaman valon sanotaan olevan värilämpötilaltaan yli K, vaikka taivaan valo syntyy selektiivisen sironnan, eikä hehkun seurauksena. Tähdet ovat hyvä esimerkki lämpötilan ja värin yhteydestä. Valottamalla taivasta pitkään piirtyvät tähdet maapallon pyörimisestä johtuen kaarina ja niiden väriä pääsee helpommin tarkastelemaan. Punaiset viivat kuuluvat meidän Aurinkoamme kylmemmille, siniset sitä kuumemmille tähdille. Taivaan sinisyys taas johtuu ihan muusta ilmiöstä kuin lämpötilasta. 14

14 Luku 1 Valo ja värit Värilämpötilan huomioiminen digikuvassa Filmiaikaan värilämpötilan huomiominen kuvaustilanteessa oli tärkeää, koska ns. väritasapainon säätö jälkikäteen oli hankalaa. Ratkaisuina oli kahden erilaisen filmityypin, keino- ja päivänvalofilmin käyttäminen ja erilaiset suotimet hienosäätöä varten. Digiaikana tilanne on kokonaan toinen. Kuvan ns. valkotasapaino voidaan säätää vastaamaan kuvausolosuhteiden valaistusta joko kamerassa etukäteen tai sitten vasta kuvankäsittelyvaiheessa. Niin sanottuja RAW-kuvissa voidaan jälkikäteen päättää, otetaanko kameran värilämpötila-asetukset huomioon vai määritetäänkö värilämpötila vasta avattaessa kuva kuvankäsittelyä varten. Tästä tarkemmin luvussa 9. Sisällä on lämmintä kynttilänvaloa ja ulkona hämärtyvän illan ns. sinisen hetken valoa. Vasemmanpuolinen kuvassa on värilämpötila-asetus ollut 3000 K, mikä saa ulkona oleman maiseman näyttämään vielä sinisemmältä kuin luonnossa. Keskimmäisessä kuvassa värilämpötilaksi on määritelty 7000 K, josta syystä ulkona näyttää pilviseltä päivältä, mutta sisällä valaistus on hyvin lämmintä. Oikeanpuolisessa kuvassa on yhdistelty näitä kahta kuvaa ja saatu valon väri aika neutraaliksi sekä ulkona että sisällä. Mikään näistä kuvista ei ole sen paremmin "oikein", vaan aina on kyse siitä, mitä kuvalla halutaan viestiä. Eri valonlähteiden (noin) värilämpötiloja Värilämpötila Valonlähde 1000 K Kynttilät ja öljylamput 2900 K Hehkulamput 3100 K Auringon nousu ja lasku 3200 K Halogeenivalaisin 4000 K Kylmänvalkoiset loisteputket 5800 K Auringon pinnan lämpötila ja salamavalojen värilämpötila. Ilmakehän vaikutuksesta päivänvalon lämpötila on noin K K Pilvisen päivän valo K > Sinitaivaan valo varjossa kirkkaana päivänä 15

15 Digikuvan peruskirja Ihmisen värinäkö Jokaisella värillä on sille tyypillinen aallonpituusjakauma. Jotta voisimme nähdä vä'rit "oikein", pitäisi näköaistin pysytä jotenkin lukemaan spektrometrin lailla värin aallonpituusjakauman ja sen lisäksi aivojen vielä käsittelemään näin syntyvän valtavan väri-informaatiomäärän. Molemmat ovat ihmisen kyvyille liikaa ja sitäpaitsi niin yksityiskohtaisella ja suurella väri-informaation ei olisi mitään järjellistä käyttöä. Niinpä luonto onkin kehitellyt ihmiselle aivan toisentyyppisen värinäön. Silmän verkkokalvo koostuu kahdentyyppisistä soluista. Toisia, joita kutsutaan sauvoiksi, on vain yhdenlaisia. Ne ovat erikoistuneet reagoimaan vähään valoon ja tuottavat aivoihin mustavalkoisen kuvan hämärässä. Tappeja taas on kolmea eri sorttia, punaiselle, vihreälle ja siniselle valolle herkkiä. Ne toimivat hyvässä valaistuksessa ja niiden antaman väri-informaation suhteiden perusteella aivot muodostavat värit. Tappisolujen herkkyydet eri väreille. Silmä on herkin niile väreille, joita auringonvalossa on eniten, eli keltaiselle ja vihreälle. 16

16 Luku 1 Valo ja värit Kuvan muodostaminen kolmella värillä Koska silmä muodostaa kuvan vain kolmelle eri värille herkkien näkösolujen avulla, niin on aika luonteva idea yrittää tuottaa värikuvia myös kolmen värin avulla. Idea onkin osoittautunut varsin toimivaksi ja se on edelleen lähes kaikkien värikuvien syntymisen takana. Kuva kolmella värillä synnytetään käyttäen kahta erilaista periaatetta. Ensimmäinen on lisäävä eli additiivinen järjestelmä. Kun valaisemattomamalla pinnalle, kuten TV:n taikka tetokoneen kuvaruudulle, lisätään kolmen päävärin valoa: punaista, vihreää ja sinistä sopivissa suhteissa, on tuloksena tietty väri.. Värikuvan synty additiivisesti. Mustaan pintaan lisätään punaista, vihreää ja sinistä valoa. Toinen tapa on vähentävä eli subtraktiivinen järjestelmä. Kun valkoisesta valosta poistetaan jokin pääväreistä punainen, vihreä tai sininen, jää kyseisen värin vastaväri jäljelle. Esimerkiksi kun valkoisesta poistetaan punainen, jäljelle jäävät sininen ja vihreä, jotka yhdessä muodostavat syaanin. Vastaavasti valkoisesta poistettaessa vihreä jäljelle jäävät punainen ja sininen, eli yhdessä magenta. Syaanin ja magentan yhteisvaikutus on niien yhteinen väri, eli sininen Subtraktiivisen kuvanmudostuksen yleinen periaate. Valkoinen - negatiivi = positiivi. Kun valkoisesta otetaan pois väriä, jää jäljelle vastaväri. Tällä periaatteella kehitetään värinegatiivifilmistä positiivinen paperikuva. Esimerkiksi punainen merimerkki syntyy, kun valkoisesta on otettu pois syaani, eli sininen ja vihreä pääväri. Mitä tummempi kohta on negatiivissa, sitä vaaleampi on kyseinen kohta positiivissa. 17

17 Digikuvan peruskirja Värikuvan synny periaatetta subtraktiivisesti kolmella osavärillä voidan havainnollistaa yllä olevalla kaaviolla. Kun valkoisesta vähennetään RGB-värijärjestelmän päävärit: punainen, vihreä ja sininen, jäljelle jäävät kunkin vastavärit: syaani, magenta ja keltainen, eli CMY-värijärjestelmän päävärit. Näiden yhdistelmänä syntyy värikuva. Negatiivi- ja postiivikuvan välistä suhdetta ja ihmissilmän toimintaa voi kokeilla hauskasti oheisen kuvaparin avulla. Koe toimii parhaiten siten, että peitetään muut kohteet kirjan sivulta paitsi nuken negatiivikuva. Sen jälkeen katsotaan nukkea mahdollisimman läheltä (iästä ja näkökyvystä riippuen cm etäisyydeltä) noin 30 sekunnin ajan muuttamatta silmien tarkennuspistettä. Sen jälkeen katse käännetään puhtaan valkealle pinnalle (tietokoneen kuvaruutu valkoisena on hyvä). Kokeen voi toistaa oikeanpuoleiselle positiivikuvalle ja tehdä sen jälkeen johtopäätelmiä. 18

18 Luku 1 Valo ja värit Kuva rasteroimalla Käytännössä merkityksillisimmät tavat tuottaa värikuvia ovat television tai tietokoneen kuvaruudulle additiivisesti syntyvät ja paperille subtraktiivisesti painetut kuvat. Näiden teknillisessä toteutuksessa hyödynnetään toista näkökyvyn "heikkoutta", näön erotuskyvyn rajallisuutta. Tarkimminkin näkevän ihmisen on todettu havaitsevan kaksi erillistä pistettä yhtenä, jos niiden välinen etäisyys 50 cm päästä katsottaessa on vähemmän kuin 0,15 mm. Koska kuva on teknisesti paljon helpompi synnyttää pienten vierekkäisten pisteiden avulla kuin painamalla tai projisoimalla värit päällekäin, niin kuvat tehdään rasteroimalla kuva pieneksi pisteiksi. Esimerkiksi tämä kirja on painettu käyttäen rasteritiheyttä 80 linjaa/cm, jolloin pisteet ovat 0,125 mm päässä toisistaan. Katsottaessa kuvaa normaalilta lukuetäisyydeltä se nähdään yhtenäisenä väripintana, ei erillisitä pisteistä koostuvana. Erilaisia makrokuvia kuvaruudusta ja painetusta kuvasta. Kuvaruudun pisteet ovat eri näytöissä erilaisia. Yllä vasemmalla perinteiset kolmiossa olevat pisteet, alla suorakaiteinen malli. Kuvat on otettu makro-objektiivilla. 19

19 Digikuvan peruskirja VÄRIMALLIT RBG-värimalli. Värejä voidaan esittää monien eri värimallien avulla. Valokuvaajan kannalta näistä tärkein on RGB-järjestelmä, joka on additiivisen värinmuodostuksen takana. RGB-värimalli koostuu kolmesta pääväristä: punaisesta (Red), vihreästä (Green) ja sinisestä (Blue). Jokainen pääväri voi saada 256 eri kirkkausarvoa, alkaen umpimustasta, jonka arvo on 0 ja päätyen kyseisen puhtaan värin kirkkaimpaan arvoon 255. Lopullinen väri on näiden kolmen päävärin yhdistelmä. Värijärjestelmiin ja niiden ominaisuuksiin on mukava tutustua Photoshopin Värimuokkain- (Color Picker) toiminnolla. Sen saa aktiiviseksi työkalupaletin alaosassa neliöistä, joista ylempi näyttää käytössä olevan piirtovärin ja alempi taustavärin. k Värimuokkaimessa on valittuna puhtaan punaisen kirkkain arvo. RGB-arvot ovat 255, 0, 0. Pystysuorassa pakissa näkyvät kaikki puhtaan punaisen arvot R arvoilla 0-255, kun G- ja B-arvot ovat kumpikin 0. Suuremmassa neliössä taas nkyvät kaikki ne arvot, joissa R = 255 ja G ja B vaihteleat välillä On syytä huomata, että RGB-värimalli tai väriavaruus (käsitteitä käytetään hieman sekaisin) ei ole suinkaan yksikäsitteinen. On olemassa useita RGB-väriavaruuksia. 20

20 Luku 1 Valo ja värit Esimerkiksi lähes kaikissa digitaalissa järjestelmäkameroissa voidaan valita joko srgb- ja Adobe RGB -väriavaruus. Erona on väriavaruuksien laajuus. Edellä mainituista Adobe RGB on laajempi väriavaruus. Koska kaikki RGB-värit koodataan jokaisen osavärin kohdalla arvoilla 0-255, niin väsitämättömänä seurauksena on, että samat RGB-väriarvot antavat eri väriavaruuksissa eri värit. jlkjlkj 21

21 Digikuvan peruskirja Samat RGB-arvot kahdessa eri RGB-väriavaruudessa. Värit ova erilaiset. Jotta kahden eri väriavaruuden värit saataisiin vastaamaan toisiaan, tarvitaan kolmas näistä riippumaton väriavaruus, johon kummankin väriarvoja verrataan. Tällainen on ns. laiteriippumaton Lab-värivaruus. Kun eri Lab-arvot ovat samat eri väriavaruuksissa, niin värit ovat (avaruuksien mahdollisuudet huomioiden) mahdollisimman lähellä toisiaan. RGB-arvot poikkeavat nyt toisistaan. Alla olevassa kuvassa näkee selvästi ylhäällä olevista väreistä, joissa on väri ennen ja jälkeen muutoksen, kuinka paljon eri väriavaruuksien värit voivat erota toisistaan, kun niillä on samat RGB-arvot. CMYK-värit Painettaessa ja tulostettaessa kuva voidaan esittää kolmella värillä vähentämllä valkoisesta pinnasta sironnutta valoa. Painokoneissa ja tulostimissa hyödynnetäänkin tätä tekniikkaa. Puhutaan CMYK-järjestelmästä. Kirjainlyhenne CMY tulee värien englanninkielisistä nimistä: cyan, magenta ja yellow. Lisäksi käytössä on niin kutsuttu avainväri eli musta. Lyhenteelle K on kaksi yleistä selitystä. Joidenkin lähteiden mukaan se tulee englannin kielen sanasta key, avain. Usein kuulee myös, että K tulee englannin sanasta black, musta, ja että black-sanasta ei olisi käytetty ensimmäistä kirjainta, jottei se menisi sekaisin blue-sanan kanssa, vrt. lyhenne RGB. Aivan kuten RGB-värit eivät CMYK-väritkään ole yksikäsitteisiä, vaan suorastaan painokone- ja paperikohtaisia. Pääsääntöisesti valokuvaajan kannattaakin jättää ennen painoa tehtävä RGB - CMYK muunnos eli värierottelu painon ammattilaisten murheeksi, mutta jotain sitäkin on hyvä tietää. Tästä kuitenkin enemmän värierottelun yhteydessä luvussa xx. 22

22 Luku 1 Valo ja värit Kuva 1.7: Värien muodostuminen additiivisesti lisäämällä eri värisiä valoja ja subtraktiivisesti poistamalla väriä valosta. Yhdistämällä pareittain kaksi RGB-järjestelmän pääväriä saadaan yksi CMY-järjestelmän pääväri. Esimerkiksi vihreä ja sijinen muodostavat additiivisesti syaanin ja syaani ja keltainen muodostavat subtraktiivisesti vihreän. Painovärien epäpuhtaus väriopillisessa mielessä aiheuttaa sen, että musta ei ole riittävän tummaa kolmella perusvärillä painettaessa, kuten tässä on tehty oikeanpuoleisessa kaavakuvassa.. Kun syaani, magenta ja keltainen painetaan tiiviisti vierekkäin, syntyy teoriassa musta väri. Käytännössä lopputulos on kuitenkin painovärien epäpuhtauksista johtuen harmaan ja ruskean välimaastossa. Jotta kuvan tummimmista kohdista saataisiin todella mustia, on käytettävä erillistä mustaa väriä. Kun musta väri kerran on käytettävissä, sitä hyödynnetään muuallakin kuin pelkästään mustissa kohdissa. Tietyissä kuvan sävyissä (lähinnä tummat sävyt ja harmaahkot kohdat) muita osavärejä voidaan nimittäin korvata mustalla, jolloin tulostus- tai painoväriä säästyy. Tällaista muiden osavärien korvaamista mustalla sanotaan alivärin poistoksi. Se voidaan määritellä kuvankäsittelyohjelmassa värierottelun eli CMYK-muotoon kääntämisen yhteydessä. Painokuvan periaate syaanin, magentan, keltaisen ja mustan osavärin avulla. Valkoiselle pinnalle painetaan neljää eri väriä. Värien väliset keskinäiset suhteet riippuvat monesta eri seikasta. Millaisia värejä käytetään, millaiselle paperille painetaan, käytetäänkö mustassa värissä ns. alivärin poistoa, akromaattista värierottelua vai luurankomustaa. 23

23 Digikuvan peruskirja HSB-värimalli Additiivista ja subtraktiivista väriteoriaa eli RGB- ja CMYK-värimalleja käytetään yleensä teknisiin määrittelyihin. Taiteellisessa ilmaisussa ja laaduntarkkailussa käytetään kuitenkin yleisemmin HSB-värimallia värin ominaisuuksien määrittämiseen. Myös HSB-lyhenne juontaa juurensa vastaavista englanninkielisistä termeistä. Värin sävy Sävy (hue) määritellään väriympyrästä asteina. Esimerkiksi punainen on 0/360 ja sen vastaväri syaani on 180. Kun väriympyrässä liikutaan niin, että pysytään koko ajan yhtä kaukana sen keskipisteestä, vaihtuu vain värin sävy. Ihmissilmä pystyy erottamaan toisistaan noin 128 eri sävyä. Sävy on ainoa kuvan tekijä, joka havaitaan suoraan vain vilkaisemalla kuvaa. Muut kuvan osat vaativat enemmän aivotoimintaa ja hahmottamista. Kuvan rajat ja reunat muodostuvat sävyeroista. Mustavalkokuvalla sävy tarkoittaa harmaasävyjen vivahteita, värikuvalla värin, intensiteetin ja kylläisyyden yhdistelmää. Ihmissilmä pystyy erottamaan paremmin eri värisävyjä kuin harmaasävyjen muutoksia; värisävyt tarjoavat enemmän informaatioita ympäristöstä. Kuva 1.8: Kun liikutaan väriympyrän kehän suuntaisesti, vaihtuu värin sävy. Säteen suuntaisesti liikuttaessa vaihtuu kylläisyys. Periaatteessa HSB-värimalli perustuu additiiviseen värinmuodostukseen kuten RGB-värimallikin. Koska RGB-värejä ei kuitenkaan voi kuvata sellaisenaan painettuna, on kuvan 1.8 väriympyrän pääväreinä käytetty samoja sävyjä kuin kuvan 1.6 aineen päävärien kaaviossa. 24

24 Luku 1 Valo ja värit Värin kylläisyys Kylläisyys (saturation) ilmoitetaan prosentteina. Kun väriympyrässä pysytään paikoillaan kehän kiertosuunnassa, mutta liikutaan säteen suuntaisesti, vaihtuu värin kylläisyys. Jos kahden värin sävy on sama, mutta kylläisyys erilainen, toinen niistä vaikuttaa haaleammalta, vähemmän värikkäältä. Suurin mahdollinen kylläisyys on väriympyrän ulkoreunalla olevilla spektrin väreillä. Kun siirrytään ympyrän keskiosaa kohti, vähenee kylläisyys. Ympyrän keskipisteessä kylläisyys on 0 % ja väri on kuihtunut kokonaan pois. Värin kirkkaus Myös kirkkaus (brightness) ilmoitetaan prosentteina. Mitä suurempi kirkkausarvo, sitä puhtaampi väri on. Kirkkausarvon pienentyessä väri muuttuu tummemmaksi, ja kun kirkkaus on 0 %, on väri musta. Yleensä väriympyrä esitetään niin, että värien kirkkaus on lähes 100 % ympyrän reunoilla ovat spektrin värit ja keskellä valkoinen. Jos kirkkaus olisi 50 %, olisivat reunoilla olevat sävyt huomattavasti tummempia ja ympyrän keskusta 50 %:n harmaa. Ja jos kirkkausprosentti olisi 0, olisi koko väriympyrä musta. Kuva 1.9: Kirkkauden vaikutus väriympyrän reunalta löytyvään spektrin väriin. HSB:n ohella puhutaan myös HSL-värimallista. Jälkimmäisen lyhenteen viimeinen kirjain tulee sanasta lightness, valoisuus. Joskus näkee myös vastaavaa suomenkielistä lyhennettä SKV. Lab-värijärjestelmä Lab-värijärjestelmä on suunniteltu laiteriippumattomaksi värimalliksi. Aiemmin kerrottiin, että värijärjestelmä vaihtuu, kun kuva muutetaan esimerkiksi näyttökuvasta (RGB) tulostimen ymmärtämään muotoon (CMYK). Lab-värijärjestelmän idea on, että molemmat laitteet ymmärtävät samaa järjestelmää. 25

25 Digikuvan peruskirja Lab koostuu valoisuus-komponentista (luminance) sekä kahdesta kylläisyyskomponentista: a-komponentti kertoo värin kylläisyydestä linjalla punainen vihreä ja b-komponentti linjalla sininen keltainen. Valoisuudelle voidaan antaa arvo väliltä sekä a- ja b-kanaville väliltä Esimerkiksi ammattilaisten suosima Photoshop-kuvankäsittelyohjelma mahdollistaa Lab-jäjestelmän käytön kuvankäsittelyssä. Monet ammattimaiset kuvankäsittelijät käyttävätkin sitä sen sisältämän laajan sävyalan takia siitä voidaan tarvittaessa siirtyä RGB- tai CMYK-työtilaan ilman että väritietoja menee hukkaan. Yleisempää on kuitenkin käyttää työskentelyyn RGB-järjestelmää ja muuntaa kuvat vain tarvittaessa (esimerkiksi painoon toimitettaessa) CMYK-muotoon. Värit Internet-käytössä Html-kielessä www-sivujen värit määritellään koodilla, joka ilmaistaan16-järjestelmän lukuna. 16-järjestelmän luvut kasvavat normaalisti yhdeksään asti (0, 1, 2, 3...8, 9), mutta lukua kymmenen ilmaisee kirjan A. Näin jatketaan aina lukuun 15 asti (A, B, C, D, E, F). Koska erilaiset lukujärjestelmät ovat olennainen osa niin tietotekniikkaa yleensä kuin kuvankäsittelyäkin, kerrotaan eri lukujärjestelmistä tarkemmin seuraavassa luvussa. Oheinen taulukko kertoo kunkin värin RGB-arvot sekä niiden html-koodin. Engl. nimi -sarakkeessa on lueteltu värien englanninkieliset nimet ja niistä johdetut kirjainlyhenteet. Näitä nimiä ja lyhenteitä käytetään digitaalikameroissa, kuvanlukijoissa, näytöissä sekä kuvankäsittelyyn liittyvissä ohjelmistoissa. Yhteenveto väreistä Sävyn nimi Engl. nimi RGB HTML Punainen Red (R) 255, 0, 0 FF0000 Keltainen Yellow (Y) 255, 255, 0 FFFF00 Vihreä Green (G) 0, 255, 0 00FF00 Syaani Cyan (C) 0, 255, FFFF Sininen Blue (B) 0, 0, FF Magenta Magenta 255, 0, 255 FF00FF (M) Musta Black (K) 0, 0, Valkoinen White (W) 255, 255, 255 FFFFFF 26

26 Luku 1 Valo ja värit Kuva 1.10: Värijärjestelmän valinta Photoshopissa. Painettavissa kuvissa CMYK Painotöissä filmien tai painopeltien tulostus perustuu CMYK-värijärjestelmään. Osa kirjapainoista vaatiikin, että kaikkien painoon tulevien kuvien on oltava valmiiksi värieroteltuja eli CMYK-muotoon käännettyjä. Joillekin painoille sopii, että kuvat on jätetty RGB-muotoon, jolloin värierottelu tapahtuu painossa RIPillä (Raster Image Processor), samalla kun kuvat muunnetaan rasterimuotoon. Painoon toimitettavien kuvien käsittelystä kerrotaan tarkemmin luvussa 12. Myös useimmat mustesuihku- ja värilasertulostimet käyttävät CMYK-värimallia. Joissakin valokuvatulostukseen tarkoitetuissa laitteissa saattaa olla lisävärejä, joilla pyritään toistamaan normaalin CMYK-toistoalan ulkopuolelle jääviä sävyjä. Nykyiset tulostimet tekevät tarvittavan värierottelun nopeasti, joten tulostettavia kuvia ei yleensä kannata kääntää erikseen CMYK-muotoon. Jos kuvat kääntää CMYK-muotoon, se kannattaa tehdä vasta aivan lopuksi. Myös RGB-versiot kannattaa säilyttää vastaisen varalle. Kaikki kuvankäsittelyohjelmien toiminnot (mm. jotkin Photoshopin suotimet) eivät nimittäin ole mahdollisia CMYK-tilassa, ja kuvan sävyille ei ole ainakaan eduksi, jos värimallia joutuu muuttelemaan moneen kertaan edestakaisin. Harmaasävykuva Kun kuvassa ei tarvita väritietoja, se voidaan muuttaa harmaasävykuvaksi (grayscale). Vanhoista valokuvista puhutaan usein mustavalkokuvina, mutta teknisesti ne ovat harmaasävykuvia. 27

27 Digikuvan peruskirja Kuvankäsittelyssä mustavalkokuva tarkoittaa kuvaa, jossa on vain mustaa ja valkoista. Tällaisia kuvia ovat esimerkiksi monet viivapiirrokset. Photoshopissa tätä kuvatyyppiä nimitetään bittikartaksi ( bitmap). Kuvankäsittelyn terminologiassa on ikävä kyllä paljon päällekkäisyyksiä ja ristiriitaisuuksiakin. Paitsi mustavalkokuvaa bittikartta tarkoittaa myös pikseleistä koostuvaa kuvaa yleensä, erotuksena matemaattisilla arvoilla määriteltävään vektorikuvaan. Bittikartta- ja vektorikuvista enemmän luvussa 2. Tarkkaan ottaen Photoshopin bittikartta tarkoittaa kuvaa, jossa on kahta tasaista väriä. Värit voivat siis olla mustan ja valkoisen sijaan mitkä tahansa muutkin värit. Samoin harmaasävykuvasta voidaan tehdä versio, jossa tietty sävyalue painetgaan muulla kuin mustalla värillä. Tällaista kuvaa nimitetään duotone-kuvaksi. Käsitteet kuntoon. Sama kuva väri- harmaasävy- duotone ja mustavalkoisena kuvana. 28