Värinhallinta ja -mittalaitteet. Mikko Nuutinen

Transkriptio

1 Värinhallinta ja -mittalaitteet Mikko Nuutinen

2 Luennon oppimistavoitteet Värinhallinta Käsitteet lähde- ja kohdelaitteen profiili sekä yhdysavaruus Näköistystavat (rendering intent) Värinmittalaitteet Kolorimetri, spektrofotometri ja spektroradiometri Värivaikutelmamallinnuksen perusidea (Huom! kaavoja ei tarvitse osata ulkoa)

3 Miksi tarvitaan värinhallintaa? Ongelma: Eri esityslaite (näyttö, tulostin, painokone) tuottaa samasta signaalista eri värivasteen Kysymyksiä: Miten signaali saadaan esitettyä samana (fyysiset väriarvot) riippumatta siitä, millä esityslaitteella kuvaa tarkastellaan? -> profiilit Miten väriarvot tulee toistaa, joita esityslaite ei pysty toistamaan? -> näköistystavat Lähdelaite 1 Kohdelaite 3 Kohdelaite 2 Kohdelaite 1

4 Värinhallinta - lähtökohta Kuvalähteen tuottamat väriarvot (kamera) Väriarvomuunnin Kohdeprosessin Väriarvot (näyttö, tulostin, painokone) Visuaalisesti havaittu väri Kameran detektio R=120 G=100 B=190 Kameran ulostuloarvot? R=140 G=120 B=170 Näytön syöttösignaali Näytön emissio Visuaalisesti havaittu väri Väriarvomuunnin modifioi signaalin niin, että näytön syöttösignaali tuottaa näytölle vasteen, joka vastaa mahdollisimman tarkasti kameralla kuvatun kohteen väriä

5 Värinhallintaongelma Jos muodostettaisiin aina kuvalähde ja -kohdekohtainen värimuunnos, niin vaihtoehtoisia muunnoksia tulisi n x m Eli jos esimerkiksi toimituksessa olisi n kameraa/skanneria ja m näyttöä/tulostina, niin värinhallinta edellyttäisi n x m muunnoksen ylläpitoa Lisäksi jokainen muunnos pitäisi erikseen mitata kuvalähde = tietty kamera, skanneri tms. kohdeprosessi = tietty näyttö, tulostuslaite, painokone tms. n m n kuvalähdettä m kuvakohde

6 Värinhallinta - srgb srgb on peruskuluttajan värinhallintaratkaisu! Suurin osa digitaalikameroista tallentaa kuvat srgbprofiiliin srgb on HP:n ja Microsoftin yhteistyössä kehittämä väriprofiili Ohjelmat, jotka eivät käytä värinhallintaa, toistavat värit yleensä srgb:n mukaan Näyttökohtaisesti mitattu ja valmistettu profiili kuitenkin parantaa (tai laajentaa) värien toistotarkkuutta verrattuna näytön mahdolliseen srgb-asetukseen

7 Värinhallinta ICC lähestymistapa (International Color Consortium) (n + m) EI (n x m) muunnosta eli ei tarvetta profiloida jokaista lähdeja kohdelaiteparia erikseen Jokaisen laitteen oma linkki yhdysavaruuteen riittää XYZ tai CIELAB n n kuvalähdettä yhdysavaruus m m kuvakohdetta

8 Värinhallinta ICC lähestymistapa (International Color Consortium) Lähdeprofiili Kohdeprofiili Kuvalähteen tuottamat väriarvot Värinhallintamoduuli (CMM) Kuvakohteen väriarvot Profiilin yhdysavaruus Lähdeprofiili: kuvalähteen digitaalisten signaali-arvojen ja kolorimetristen arvojen välinen yhteys Näköistystapa Kohdeprofiili: kolorimetristen väriarvojen ja kuvakohteen digitaalisten signaaliarvojen välinen yhteys

9 1. Profiilit Lähde- tai kohdeprofiili Lähdeprofiili määrittää laitteen detektoiman signaaliarvon ja väripinnan välisen yhteyden Kohdeprofiili määrittää ohjaussignaalin (näyttö/tulostin) ja laitteen tuottaman väripinnan kolorimetrisen väriarvon välisen yhteyden Käytännössä yhteydet: RGB (kamera) XYZ/CIELAB (yhdysavaruus) XYZ/CIELAB (yhdysavaruus) CMYK (tulostus) / RGB (näyttö)

10 1. Profiilit Taulukkomuunnos, esim. tulostimet, painokoneet 1-IN 1-OUT Komponenttimuunnos 3-IN 4-OUT Lookup Table 1-IN 1-OUT Komponenttimuunnos

11 1. Profiilit Talletetut parametrit (esim 3x3-matriisi) 3 3 Matriisi

12 1. Profiilit Näyttöprofiilin luomisen testiasetelma Ohjelma esittää näytöllä värinäytteitä, joiden toisto mitataan värimittalaitteella Ohjelma luo yhteyden siitä, miten näytön ohjaussignaalia tulee muuntaa, jotta toisto vastaisi mahdollisimman tarkasti tavoitetta Usein tavoitetoistoksi asetetaan esimerkiksi srgb

13 1. Profiilit Tulostusprofiilin luomisen testiasetelma Testikenttä tulostetaan tulostimella Automaattinen mittauspöytä, johon värimittalaite on kiinnitetty tai manuaalinen värikenttien mittaus Ohjelma luo yhteyden siitä, miten tulostimen ohjaussignaalia tulee muuntaa, jotta toisto olisi mahdollisimman tarkka IT8.7/3 CMYK GretagMacbeth i1 Scan Target 1.4 RGB 13

14 2. Yhdysavaruus (PCS) Yhdysavaruudessa värisignaali saa laiteriippumaton väriarvon ICC-spesifikaatio käyttää CIE XYZ- tai CIE LABväriavaruuksia Kaikki värimuunnokset matkaavat yhdysavaruuden halki Lähdeprofiili Kohdeprofiili RGB CIE XYZ CMYK / RGB Yhdysavaruus

15 3. Värinhalintamoduuli (CMM) Ohjelmisto, joka suorittaa RGB- tai CMYK-arvojen muuntamisessa tarvittavat laskutoimitukset profiilien avulla Käytännössä värinhallintamoduulissa lähdeavaruuden arvot muuteteaan lähdeprofiilin mukaan yhdysavaruuden arvoiksi ja yhdysavaruuden arvot muunnetaan kohdeprofiilin mukaan kohdeavaruuden arvoiksi Jos kyseessä on taulukkomuunnos, niin profiili ei sisällä kaikkien RGB- tai CMYKlukuyhdistelmien yhdysavaruusmääritelmiä, joten CMM-moduulin täytyy interpoloida väliin jäävät arvot Valmistajakohtaisia interpolointi-algoritmeja on useita erilaisia Värinhallintamoduuli Lähdeprofiili Kohdeprofiili RGB CIE XYZ CMYK / RGB Yhdysavaruus

16 Näköistystavat Kaikilla esityslaitteilla on kiinteä värialue, jonka ne pystyvät toistamaan (gamut) ICC-spesifikaatio sisältää neljä erilaista näköistystapaa (=muunnosalgoritmia) käsitellä toistoalueen ulkopuolisia värejä, joita lähdeavaruus sisältää, mutta kohdeavaruus ei kykene toistamaan Näköistystavat: havainnollinen, kylläisyyden säilyttävä, suhteellinen kolorimetrinen ja absoluuttinen kolorimetrinen Värinhallintamoduuli Lähdeprofiili Näköistystapa = muunnosalgoritmi Kohdeprofiili RGB CIE XYZ CMYK / RGB Yhdysavaruus

17 Esimerkki toistoavaruuksien eroista Näköistystapa määrittää miten gamutin ulkopuoliset värit käsitellään Offset-painatus Näyttö

18 4. Muunnosalgoritmit Havainnollinen näköistystapa (perceptual) Yrittää säilyttää kokonaisvärivaikutelman muuttamalla kaikkia lähdeavaruuden värejä siten, että ne mahtuvat kohdeavaruuden sisään värien suhteet säilyttäen Hyvä vaihtoehto, jos kuva sisältää paljon toistoalan ylittäviä värejä A Gamutin ulkopuolisia värejä B Gamutin sisäpuolisia värejä, käsittely näköistystavasta riippuen C Värejä, jotka desaturoituvat havainnollisessa näköistyksessä

19 4. Muunnosalgoritmit Kylläisyyden säilyttävä näköistystapa (saturation) Yrittää tuottaa eloisia värejä muuntamalla lähdeavaruuden kyllästetyt värit kohdeavaruuden kyllästetyiksi väreiksi Menetelmä soveltuu erityisesti grafiikkaan ja karttoihin Käytännössä lähdeavaruuden värit levitetään niin laajasti kohdeavaruuteen kuin mahdollista A Gamutin ulkopuolisia värejä B Gamutin sisäpuolisia värejä, käsittely näköistystavasta riippuen C Värejä, jotka desaturoituvat havainnollisessa näköistyksessä

20 4. Muunnosalgoritmit Suhteellinen kolorimetrinen näköistystapa Lähdeavaruuden valkoinen kuvataan kohdeavaruuden valkoiseksi, muita värejä siirretään vastaavasti Toistoalan värit toistetaan täsmällisesti, toistoalueen ylittävät värit kiinnitetään lähimpään toistettavaan Säilyttää suuren osan alkuperäisistä väreistä A Gamutin ulkopuolisia värejä B Gamutin sisäpuolisia värejä, käsittely näköistystavasta riippuen C Värejä, jotka desaturoituvat havainnollisessa näköistyksessä

21 4. Muunnosalgoritmit Absoluuttinen kolorimetrinen näköistystapa Eroaa edellisestä siten, että lähdeavaruuden valkoista ei kuvata kohdeavaruuden valkoiseksi Tarkoitettu pääasiassa vedostukseen A Gamutin ulkopuolisia värejä B Gamutin sisäpuolisia värejä, käsittely näköistystavasta riippuen C Värejä, jotka desaturoituvat havainnollisessa näköistyksessä

22 Muunnosalgoritmit Näköistystapoja Havainnollinen Kolorimetrinen Kylläisyyden säilyttävä Tavoite: säilytetään kokonaisvärivaikutelma Tavoite: säilytetään tarkat väriarvot niin laajasti kuin mahdollista Tavoite: maksimoidaan saturaatio

23 Kolorimetrinen vs. havainnollinen Alkuperäinen kuva Suhteellinen kolorimetrinen Havainnollinen Eli käytännössä kolorimetrinen näköistystapa hukkaa gamutin ulkopuolisten värien yksityiskohdat; havainnollinen näköistystapa saattaa tuottaa vähemmän värikkäitä kuvia

24 Esimerkki kun muokataan kuvaa värihallitusti näytöllä Kohdeprofiili Lähdeprofiili Yhdysavaruus

25 Esimerkki kun vedostetaan kuvaa näytöllä Kohdeprofiili? Lähdeprofiili? Vedostuksessa tarkastellaan näytöllä sitä, miltä tuloste tulee näyttämään Yhdysavaruus

26 Värinmittalaitteet Kamerat ja skannerit tallettavat estimaatin näytteen emissiospektristä, mutta niiden tarkkuus ei riitä erityistä väritarkkuutta vaativiin sovelluksiin (kuten väriprofiilien luomiseen) -> tarvitaan erityisesti värienmittaukseen tarkoitettu mittalaite Jos mitataan ainoastaan XYZ-arvot tai jokin niiden johdannainen (kuten CIELAB), niin kolorimetri on riittävä mittalaite Jos halutaan mitata koko näkyvä spektri, niin tarvitaan spektrofotometri tai radiometri Spektrofotometri mittaa kohteen heijastusspektrin Spektroradiometri mittaa kohteen emissiospektrin

27 Värinmittalaitteet - spektroradiometri Spektroradiometri mittaa näytteestä heijastuneen tai näytteen emittoiman valon intensiteetin (tehon) aallonpituuden funktiona Valo jaetaan aallonpituuskaistoihin joko prismalla tai optisella hilalla H.J. Trussel, M.J. Vrhell, Fundamental of Digital Imaging, Cambridge, 2008, 532 s.

28 Värinmittalaitteet - spektroradiometri Mitatusta spektristä voidaan laskea XYZ-arvot ja XYZ-arvojen johdannaisia Lisäksi kohteen emissiospektri voidaan estimoida eri valaistuksien alle, jos alkuperäisen mittausympäristön valonlähteen spektri on mitattu Valonlähteen spektri Näytteestä mitattu spektri Värinsovitusfunktiot XYZ-arvot Väriavaruusmuunnos Esitys esim CIELAB L=76, a=-30, b=-38 Laitteen varsinainen mittaustulos Mittaustuloksen mahdollinen prosessointi

29 Värinmittalaitteet - spektrofotometri Spektrofotometri mittaa kohteen heijastusspektrin Spektrofotometrilla on oma valonlähde, ls, sekä standardi heijastaja, jonka heijastusspektri, rs, tunnetaan Aluksi mitataan standardiheijastajan emissiospektri Lisäksi mitataan tutkitun objektin emissiospektri Tutkitun objektin heijastusspektri voidaan laskea ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( k r k l k r k r k l k m k r k m k r s s s o s r s o o ) ( ) ( ) ( k r k l k m o s o ) ( ) ( ) ( k r k l k m s s r

30 Värinmittalaitteet - spektrofotometri m r ( k) l ( k) r ( k) s s m o ( k) l ( k) r ( k) s o Mitataan standardiobjektin emissiospektri, jonka avulla kompensoidaan mittalaitteen valonlähteen ikääntymisestä johtuvaa muutosta l s (k) r s (k) r ( k) o l s (k) mo ( k) rs ( k) m ( k) r Lasketaan kohteen heijastusspektri. Valonlähteen vaikutus eliminoidaan, kun standardiobjektin heijastusspektri on tunnettu H.J. Trussel, M.J. Vrhell, Fundamental of Digital Imaging, Cambridge, 2008, 532 s.

31 Värinmittalaitteet esimerkki mittausgeometriasta Yleinen mittausgeometria on 45-0 eli valonlähde on 45 asteen kulmassa kohteeseen ja mittapää on kohtisuorassa kohdetta vasten H.J. Trussel, M.J. Vrhell, Fundamental of Digital Imaging, Cambridge, 2008, 532 s.

32 Värinmittalaitteet - kolorimetri Kolorimetrin kolmikomponenttinen detektio vastaa teknisesti digitaalikameran detektiota, mutta kolorimetrin mittaustarkkuus on korkeampi Kolorimetrin optiikalta ei vaadita suurta tarkkuutta, koska kyseessä on pistemittaus (vrt. kameran spatiaalinen näytteistys) Kolorimetrin detektori- ja suodinkombinaation vasteen ja värinsovitusfunktioiden välillä tulee olla lineaarinen yhteys, jotta tarkat XYZ-arvot saadaan mitattua kaikissa eri valaistuksissa X a b c C1 Y d e f * C2 Z g h i C3 Kolorimetrin mittaamat XYZ-arvot Väriavaruusmuunnos Esitys esim CIELAB L=76, a=-30, b=-38 Näytteen spektri Näytteestä mitatut arvot (C1,C2,C3)

33 Värivaikutelmamallinnus (CIECAM02) Ympäristö Tausta (10 ) Stimulus, ärsyke (2 ) Värivaikutelman mallinnus tarkastelee ärsykkeen synnyttämää värivaikutelmaa riippuvaisena adaptoivasta kentästä eli se minkälaisessa valaistuksessa näytettä tarkastelee vaikuttaa näytteen havaittuun väriin Värivaikutelmamalli määrittää matemaattisen formuloinnin, jonka input ovat ärsykkeen ja katseluolosuhteiden fyysiset mitta-arvot ja output ovat värin havaittujen attribuuttien korrelaatit Värin havaittujen attribuuttien korrelaatit ovat: brightness, lightness, chroma, colorfulness, saturation, hue

34 Värivaikutelmamallinnus (CIECAM02) INPUTS LA: XYZ: XwYwZw: Yb: Adaptoivan kentän (ympäristön luminanssi), yksikkö cd/m^2 Näytteen (2 ) suhteelliset tristimulusarvot (ärsyke) Valkoisen suhteelliset tristimulusarvot Taustan (10 ) suhteellinen luminanssi D: Adaptaation aste D=1, täydellinen adaptaatio D=0, ei adaptaatiota 0<D<1, epätäydellisen adaptaation aste + Määritys katseluolosuhteista Average surround Dim surround Dark surround Ärsyke (2 ) Tausta (10 ) Ympäristö

35 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 komponenttihahmotelma XYZ XwYwZw D LA Yb Adaptaatiomuunnos Ympäristöön adaptoituneet tappivasteet, R a, G a, B a + määritys katseluolosuhteista

36 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 kaavoja: Ärsykkeen XYZ -> Adaptoidut tappivasteet, R a, G a, B a (HUOM! Tentin kannalta kaavoja ei tarvitse opetella ulkoa) Input-arvot Output-arvot

37 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 komponenttihahmotelma R ag ab a Opponenttivasteet Vaikutelmakorrelaatit -Brightness, Lightness -Colorfulness, Chroma, Saturation -Hue Opponenttivasteilla lasketaan varsinaiset vaikutelmakorrelaatit, jotka kuvaavat sitä, miten värinäyte havaitaan

38 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 Sävy (hue) Aste joka määrittää ärsykkeen samanlaiseksi tai erilaiseksi verrattuna toiseen ärsykkeeseen, kun liikutaan skaalalla punainen, vihreä, sininen ja keltainen

39 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 Lightness ja Brightness Lightness, J, on ärsykkeen kirkkaus suhteessa ärsykkeeseen joka havaitaan valkoisena katselutilanteessa Brightness, Q, on valon havaittu määrä joka tulee ärsykkeestä

40 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 Chroma, Colorfulness, Saturation Kroma (chroma), C, on ärsykkeen värikylläisyys suhteessa valkoisena havaitun ärsykkeen kirkkauteen Värikylläisyys (colorfulness), M, on tietyn sävyn havaittu määrä (/ etäisyys harmaasta). Värikylläisyys kasvaa kun katseluolosuhteiden luminanssi kasvaa Saturaatio (saturation), s, on ärsykkeen värikylläisyys suhteessa ärsykkeen omaan kirkkauteen

41 Värivaikutelmamallinnus CIECAM02 käyttötapaus Eräs käyttötapaus on käyttää käänteistä mallia, jolloin voidaan laskea XYZ-arvot jotka tuottavat halutun värihavainnon tietyssä ympäristössä ja kun XYZ-arvot tunnetaan voidaan ne muuttaa ICCprofiilin avulla näyttölaitteen ohjaussignaaliksi J C h Käänteinen CIECAM02 XYZ XwYwZw D LA Yb