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彩色打印的色彩表現(xiàn)與色再現(xiàn)技術(shù)

   日期:2020-11-15 09:44     

相信不少人經(jīng)常會(huì)覺得數(shù)碼相同所拍下的影像顏色不夠鮮明,或是影像在打印輸出后,與顯示器上顯示的畫面有很大的差異。那么這一次,我們就來深入探討造成這些問題的根本原因--人類眼睛的特性,以及每一種相關(guān)影像產(chǎn)品本質(zhì)上的差異,并針對(duì)“色再現(xiàn)”技術(shù)來進(jìn)行說明。

高分辨率數(shù)碼相機(jī)所拍攝的影像,通過彩色打印機(jī)來打印,相信大多都會(huì)遇到這樣的情況--拍攝的云彩、森林偏色且略顯泛白。但這些可以通過適當(dāng)變更設(shè)定,打印效果也許在某種程度上會(huì)有一些改進(jìn),這也就是說,如果能將數(shù)碼相機(jī)與打印機(jī)間的顏色標(biāo)準(zhǔn)適度地加以校正,是可以達(dá)到畫面重現(xiàn)要求的。不論是使用多數(shù)打印機(jī)產(chǎn)品內(nèi)置的影像修正功能,還是數(shù)碼相機(jī)所提供的影像修正軟件,都能通過簡(jiǎn)單的操作方式來完成。

采用這樣的修正方式,基本上還是根據(jù)使用者眼睛的真實(shí)、自然的感覺。也就是說,如果能將數(shù)碼相機(jī)、打印機(jī)與顯示器之間的“顏色特質(zhì)”加以統(tǒng)一,便可以達(dá)到所需的要求。而在說明如何調(diào)整之前,首先,我們必須先去了解顏色或明亮度等名詞的意義是什么,以及眼睛到底是如何去感受“顏色”的。

人類的眼睛辨識(shí)光與顏色的機(jī)構(gòu)

對(duì)于靈魂之窗的眼睛來說,其實(shí)是將紫色到紅色之間的光線(約 380nm至770nm的波長(zhǎng)),分成“明度(value)”、“色相(hue)”與“彩度(chroma)”三個(gè)特質(zhì)來感應(yīng)。構(gòu)造上,主要是利用位于眼睛內(nèi)視網(wǎng)膜上呈馬賽克狀排列的“S錐體”、“M錐體”與“L錐體”三種視覺細(xì)胞來感應(yīng)外部光的亮度與色彩。因?yàn)樗惺艿墓獠ㄩL(zhǎng)(三原色)的不同,所以人眼才能清楚地辨識(shí)出各種顏色的不同。只不過由于數(shù)目上的不同,從比例上來講,每存在著一組S錐體,同時(shí)便擁有16組M錐體,32組L錐體,因此眼睛對(duì)于每種光波長(zhǎng)的感受能力并不平均。就是說,如果希望能將幾種特定顏色以相同亮度顯現(xiàn),考慮到眼睛的實(shí)際感受能力,就要修正三原色中個(gè)別色彩的強(qiáng)度。

此外,在眼睛的構(gòu)造中,具有在光線不足情形下提供感應(yīng)功能的桿體視覺細(xì)胞,在數(shù)目上約有1億3千萬組,比總數(shù)達(dá)7百萬組的S、M、L錐體多出很多。由于桿體細(xì)胞數(shù)目比較多,所以即使在外部光線不足的情況下,一般來說人的眼睛還是能捕捉到比較充足的光線信息。但由于桿體細(xì)胞就只有—種的緣故,且只具有接受黑白兩色明暗信息的特性,因此在黑暗中凝視物體時(shí),物體多會(huì)以黑白兩色來呈現(xiàn)。此外,眼睛對(duì)于亮度的感應(yīng)較色彩更為靈敏,道理也是一樣的。

通過錐體與桿體所感測(cè)的亮度信息,如果能在視網(wǎng)膜內(nèi)神經(jīng)兩兩鄰接的細(xì)胞間,對(duì)亮度加以強(qiáng)調(diào)處理,眼睛的感應(yīng)能力便更為敏銳。而且由于錐體的信號(hào)輸出是利用視網(wǎng)膜內(nèi)的神經(jīng)細(xì)胞,作為亮度與“紅-綠”、“黃-藍(lán)”之差,分信號(hào)來加以處理,因此,一般所進(jìn)行的顏色處理上需置換為互補(bǔ)色,可將其稱為互補(bǔ)色效應(yīng)。

由于錐體對(duì)R(紅)、G(綠)與B(藍(lán))各原色的亮度感測(cè)能力 (分光感度)不同,如果將R設(shè)定為基準(zhǔn)1,則與其它兩種顏色間形成了R:G:B=1:4.5907:0.0601 (稱為眼睛的亮度計(jì)數(shù)比例)。如果將此數(shù)值以定量化比例調(diào)整,便可以不受任何外在因素影響,形成以假設(shè)三原色(X、Y、Z)表示的CIE (國(guó)際照明學(xué)會(huì))表色系,這是一種可正式作為評(píng)量標(biāo)準(zhǔn)的色彩表現(xiàn)形式。在CIE表色系中,能以3D坐標(biāo)來顯示任何一種顏色,因此,如果將三原色信號(hào)(X、Y、Z)分別除以(X2+Y2+Z2)的開平方,便形成了(x,y,z)坐標(biāo),一般稱為色度坐標(biāo)。如果利用最鮮明的顏色進(jìn)行繪圖,就是利用不同的單色光波長(zhǎng)值來進(jìn)行x,y坐標(biāo)繪圖,將人眼所看到的顏色范圍加以描繪,就會(huì)形成一種馬蹄形圖案(如“色度圖(由JIS與CIE色度圖所構(gòu)成)”中所示),即xy色度圖的馬蹄形圖形。這種圖形從四周往正中央,顏色趨向混和,中央逐漸變成白色。其實(shí),在常見的CRT顯示器、液晶顯示器或打印機(jī)等多數(shù)與影像有關(guān)的產(chǎn)品中,對(duì)于顏色的定義與規(guī)范大多是采用這種圖表。也就是說,要先規(guī)范好人眼可視的顏色范圍,再?zèng)Q定產(chǎn)品所能呈現(xiàn)或支持的色彩空間。

通過構(gòu)成光與顏色的三原色確定色彩空間的孟塞爾表色系

在談?wù)撊?,需要先了解物體本身屬于發(fā)光源,產(chǎn)生的三原色為(RGB:紅、綠與藍(lán)),以及顏料等物體屬于反射光源,形成的三原色為(YMC:黃色、靛青色與洋紅色),更要了解這兩種系統(tǒng)之間的不同。RGB是采用三種色彩混和后,使色彩愈加明亮,就是加色法所形成的原色混合法則。而YMC則是隨著色彩混和后顏色變得更暗,屬于減色法所形成的原色混合法則。

一般而言,人眼所感受到的風(fēng)景或物體,大半是通過反射光源形成的。但是,如果是利用數(shù)碼相機(jī)拍攝風(fēng)景或物體,則是利用CCD將物體的顏色變換為RGB,也就是轉(zhuǎn)換為顯示器能支持的三原色,而打印機(jī)則是將影像再轉(zhuǎn)換成物體顏色打印輸出。由此可以看出,電腦對(duì)影像的處理是在物體色與光源色間加以轉(zhuǎn)換。也就是說光源色的RGB系統(tǒng)與物體色的YMC系統(tǒng)間,能夠依照簡(jiǎn)單的函數(shù)演算來變換。在一般常見的印刷輸出或影像處理中,還會(huì)在YMC系統(tǒng)內(nèi)增加黑色,以提高混色后的色彩重現(xiàn)效果。

然而,假設(shè)由X、Y與Z坐標(biāo)所形成CIE表色系內(nèi)的色空間,雖然與現(xiàn)有相關(guān)產(chǎn)品間無關(guān)連性,但是在實(shí)際應(yīng)用上,眼睛辨識(shí)顏色時(shí)需要的是“明度”、“彩度”與“色相”三種要素(如“明度、彩度、色相的色空間圖”中所示)。明度就是明亮的程度,色相代表配置于色相環(huán)上的色調(diào)。彩度則代表從無色的中心軸開始,越往邊緣顏色越鮮明。

畫家A.H.Munsell發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象,將明度(value)、彩度(chroma)、色相(hue)配合人眼的感覺,將其制成色票(索引),這就是著名的孟塞爾表色系。此后由美國(guó)照明協(xié)會(huì),制訂了修訂版孟塞爾表色系,并計(jì)算出與X、Y、Z表色系坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)的值。不過從物體的物理性顏色材料(色材)上來講,還是有一定的顯示限制,會(huì)形成如同“孟塞爾(Munsell)色立體圖”的扭曲狀的立體錐形,一般稱為“色立體”。

由于孟塞爾表色系(Munsell color system)是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出的體系坐標(biāo),并非根據(jù)物理實(shí)質(zhì)所形成。因此,如果要將顏色量化,就必須通過實(shí)際演算來得到。根據(jù)孟塞爾值所形成的色空間,可延伸定義出“L*a*b*色空間”。這是利用L(白色至黑色的軸),以及顯示彩度與色相的ab兩軸來表示,其中 a代表了紅色至青色的軸,b則表示黃色至青色的軸。

由于在“L*a*b*色空間”中,能分別利用兩種不同顏色軸來計(jì)算,因此目前也已經(jīng)被Windows、Macintosh等系統(tǒng)的色彩管理采用。自Windows 98推出之后,更是將顯示器所使用的色彩管理定義文件列為標(biāo)準(zhǔn)配備,并提供了打印機(jī)或掃描儀所需的定義文件,就是“ICC定義文件”。ICC定義文件是由ICC (International Color Consotium)制訂的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)形式,只要產(chǎn)品內(nèi)提供了此定義文件,彼此間便能進(jìn)行色彩的正確轉(zhuǎn)換與結(jié)合。在不同外圍設(shè)備間,有關(guān)色彩定義都是通過“L*a*b*色空間”來處理,常見大多數(shù)產(chǎn)品在色空間上的轉(zhuǎn)換便是一例,而不同產(chǎn)品間“L*a*b*色空間”的轉(zhuǎn)換函數(shù),其實(shí)也就是ICC定義文件的真實(shí)面目。只要使用ICC定義值,就能輕易地規(guī)范影像輸出人的表現(xiàn),就目前來講,提供ICC定義文件的產(chǎn)品數(shù)量雖然還不是很多,但相信未來ICC定義文件的提供,將會(huì)成為使用者選購(gòu)產(chǎn)品的重要依據(jù)。

通過分析能量分布狀態(tài)將光源色感定量表示為色溫如同前面文章所述,通常眼睛是以物體反射光來進(jìn)行顏色識(shí)別,由于光源色的不同,觀察所得的物體顏色也會(huì)有所改變。而這里所說的色澤在物理上其實(shí)有明白的定義,通常是用色溫一詞來表示。

簡(jiǎn)單地說,根據(jù)普朗克輻射定律(Plankian radiator)的定義,假設(shè)一個(gè)能完全吸收入射光的物體,將此全黑物體的溫度以K(Kelvin)表示,即為色溫的定義,這與物體的材料無關(guān)。當(dāng)改變此物體的溫度時(shí),其所釋放的光能分布也會(huì)隨之改變,因此就能夠?qū)⒐庠吹纳珴梢粤炕绞郊右远x了。例如在CIE表色系中,便定義了多組標(biāo)準(zhǔn)光源值,其中最常使用的標(biāo)準(zhǔn)太陽光為6504K。

當(dāng)使用者進(jìn)行影像處理時(shí),由于個(gè)人計(jì)算機(jī)所使用的顯示器色溫,所提供的色澤可變動(dòng)的緣故,所以在使用時(shí)要加以注意。一般來說,為了適應(yīng)喜好冷色系與較高清晰度的使用者,包括電視機(jī)等在內(nèi),市面上多是以 9300K為標(biāo)準(zhǔn)的顯示器產(chǎn)品。也就是說,此基準(zhǔn)明顯地比CIE表色系中的標(biāo)準(zhǔn)太陽光數(shù)值高,因此對(duì)于中上等的顯示器產(chǎn)品來說,多會(huì)額外提供將色溫調(diào)整至6500K的設(shè)定選項(xiàng),這樣才能以接近自然色調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)太陽光來顯示。這對(duì)于要求忠實(shí)呈現(xiàn)原物的照片或影像相關(guān)工作者而言,可以說這是不容或缺的重要設(shè)定模式。

如果使用者習(xí)慣9000K以上顯示的畫面,對(duì)于6500K左右的顯示模式會(huì)感覺整體畫面偏紅。所以忠實(shí)呈現(xiàn)畫面會(huì)因?yàn)槭褂谜邆€(gè)人偏好而無法滿足每個(gè)人的需要,尤其是在不同環(huán)境下,所偏好的顏色呈現(xiàn)方式也可能有所差異。這樣便產(chǎn)生出“演色”的概念,就是“傾向于喜好顏色”的思考方向。

將喜好顏色重現(xiàn)演色與相關(guān)的修正方法

R.W.G. 漢特(Hunt)在1970年,將色彩重現(xiàn)的目標(biāo)區(qū)分為:“分旋光性色再現(xiàn)”、“測(cè)旋光性色再現(xiàn)”、“正確性色再現(xiàn)”、“相等性色再現(xiàn)”、“對(duì)應(yīng)性色再現(xiàn)”與“喜好性色再現(xiàn)”等六種分類。“分旋光性色再現(xiàn)”中,即使外部照明(色澤)有所改變,物體的色再現(xiàn)其實(shí)并不會(huì)有所變動(dòng),所以實(shí)際,要達(dá)成此目標(biāo)現(xiàn)今仍不可能。而“測(cè)旋光性色再現(xiàn)”與“正確性色再現(xiàn)”則是屬于量測(cè)儀器的色再現(xiàn)范疇內(nèi),對(duì)人眼的感應(yīng)而言沒有多大實(shí)質(zhì)意義。“相等性色再現(xiàn)”就如同從一片漆黑的觀眾席觀看明亮的舞臺(tái),會(huì)出現(xiàn)色調(diào)偏白的現(xiàn)象,通過此特性去強(qiáng)調(diào)原有的彩度與對(duì)比,以展現(xiàn)原有效果。

至于“對(duì)應(yīng)性色再現(xiàn)”則是使與原有亮度、光源不同的場(chǎng)所,或是在外部條件不同的情況下觀看畫面,將其恢復(fù)為原有色調(diào)的手法,最具代表性的范例莫過于電視機(jī)。“喜好性色再現(xiàn)”則是針對(duì)喜好顯高色溫畫面的使用者或是文藝愛情片中采用暖色系的照明環(huán)境等,以此為目的來配合或支持顏色處理的手法。在實(shí)際運(yùn)用中,其實(shí)反而常見于沖洗照片時(shí),通過調(diào)整,以增減膚色的方式,以達(dá)到更為健康的效果,這可以算是通過“喜好性色再現(xiàn)”產(chǎn)生效果吧。還有,在拍攝照片時(shí),經(jīng)常使用增加演色性的濾色片或顏色鮮明的偏光鏡等相關(guān)的手法。

理論上,顏色的重現(xiàn)性是通過具有直線性的RGB或YMCK色系來取得。然而,由于目的的不同,數(shù)碼相機(jī)的CCD、顯示器、彩色打印機(jī)與掃描儀彼此間的顏色重現(xiàn)性是無法以直線方式來加以表示的。因此如果要針對(duì)產(chǎn)品的目標(biāo)特性來調(diào)整,需要先了解產(chǎn)品本身的色空間特征,將其轉(zhuǎn)換成虛擬的X Y Z色表系,換算為 L*a*b*色空間后,再求得所需相關(guān)函數(shù)的色差值,才能真正調(diào)整影像輸出入中所產(chǎn)生的色差現(xiàn)象。

常見的技巧之一就是利用Y修正來完成。例如,將數(shù)碼相機(jī)所拍畫面,直接從顯示器上觀看,經(jīng)常會(huì)發(fā)生暗部層次不正常的現(xiàn)象。此時(shí),只要對(duì)影像文件進(jìn)行Y修正,就能在黑暗畫面中清楚地辨識(shí)出細(xì)微部分。所謂的Y修正,其實(shí)是針對(duì)裝置的非直線特性(y特性),以逆特性來加以修正而命名的。例如,如果要將影像通過打印機(jī)輸出,便必須對(duì)所有裝置都以y修正,如此才能使打印機(jī)上狹窄的色再現(xiàn)特性在相關(guān)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)能以最好的效果呈現(xiàn)出來。

  后語

 事實(shí)上,在以ICC定義文件的色彩管理模式為主的使用環(huán)境中仍無法達(dá)到極佳的畫質(zhì)與色再現(xiàn)性,尤其明顯的是色再現(xiàn)性上的表現(xiàn)十分不足。相比之下,現(xiàn)今常見的數(shù)碼相機(jī)搭配打印機(jī)的畫面輸出方式與采用銀鹽相片的攝影方式有很大差距,主要由于相紙顏料的優(yōu)勢(shì),所以數(shù)字?jǐn)z影目前仍無法重現(xiàn)100%的彩色原始畫面,也是因?yàn)樵谀M世界中有所謂的高柔軟性造成的。如果要重現(xiàn)原始畫面,最少要采用RGB三原色各擁有10位數(shù)據(jù)量的32位彩色系統(tǒng)。不過,位數(shù)增減并不能完全反應(yīng)出模擬顯示的優(yōu)點(diǎn),必須在采用完整的全位之前,加入非直線性的曲線壓縮等等技巧才行。當(dāng)然,對(duì)于32位彩色系統(tǒng),在此我們不再深談,但看來還要關(guān)注今后更新的發(fā)展趨勢(shì)。

 


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