Balans kolorów

Lewa połowa przedstawia zdjęcie pobrane z aparatu cyfrowego. Prawa połowa pokazuje zdjęcie skorygowane tak, aby szara powierzchnia była neutralna w tym samym świetle.

W fotografii i przetwarzaniu obrazów balans kolorów to globalna regulacja intensywności kolorów (zazwyczaj podstawowych kolorów czerwonego , zielonego i niebieskiego ). Ważnym celem tego dostosowania jest prawidłowe renderowanie określonych kolorów — w szczególności kolorów neutralnych, takich jak biały lub szary. Dlatego ogólna metoda jest czasami nazywana balansem szarości , balansem neutralnym lub balansem bieli . Balans kolorów zmienia ogólną mieszankę kolorów na obrazie i jest używany do korekcji kolorów . Uogólnione wersje balansu kolorów służą do korygowania kolorów innych niż neutralne lub celowej zmiany ich w celu uzyskania efektu. Balans bieli jest jednym z najpowszechniejszych rodzajów równoważenia i polega na dostosowaniu kolorów w taki sposób, aby biały przedmiot (taki jak kartka papieru lub ściana) wydawał się biały, a nie odcień jakiegokolwiek innego koloru.

Dane obrazu pozyskane przez czujniki – kliszę lub elektroniczne czujniki obrazu – muszą zostać przekształcone z uzyskanych wartości na nowe wartości, które są odpowiednie do odtwarzania lub wyświetlania kolorów. Kilka aspektów procesu akwizycji i wyświetlania sprawia, że taka korekcja kolorów jest niezbędna - w tym fakt, że czujniki akwizycji nie pasują do czujników w ludzkim oku, że należy wziąć pod uwagę właściwości nośnika wyświetlania oraz że warunki oglądania otoczenia podczas akwizycji odbiegać od warunków oglądania wyświetlacza.

Operacje balansu kolorów w popularnych aplikacjach do edycji obrazu zwykle działają bezpośrednio na wartościach pikseli kanału czerwonego, zielonego i niebieskiego , bez względu na jakiekolwiek wykrywanie kolorów lub model reprodukcji. W fotografii filmowej równowagę kolorów uzyskuje się zwykle za pomocą filtrów korekcji kolorów nad światłami lub na obiektywie aparatu.

Uogólniony balans kolorów

Przykład równoważenia kolorów

Czasami regulacja mająca na celu zachowanie neutralności kolorów neutralnych nazywana jest balansem bieli , a wyrażenie balans kolorów odnosi się do regulacji, która dodatkowo sprawia, że inne kolory na wyświetlanym obrazie wydają się mieć taki sam ogólny wygląd jak kolory w oryginalnej scenie. Szczególnie ważne jest, aby kolory neutralne (szary, neutralny, biały) w scenie wydawały się neutralne w reprodukcji.

Psychologiczny balans kolorów

Ludzie odnoszą się do odcieni skóry bardziej krytycznie niż do innych kolorów. Drzewa, trawa i niebo mogą być wyłączone bez obaw, ale jeśli odcienie ludzkiego ciała są „wyłączone”, osoba może wyglądać na chorą lub martwą. Aby rozwiązać ten krytyczny problem z balansem kolorów, same trójkolorowe kolory podstawowe zostały opracowane tak, aby nie były zrównoważone jako prawdziwie neutralny kolor. Celem tej pierwotnej nierównowagi kolorów jest wierniejsze odwzorowanie odcieni skóry w całym zakresie jasności.

Szacowanie i adaptacja oświetlenia

Zdjęcie pejzażu morskiego w Clifton Beach , South Arm , Tasmania , Australia. Balans bieli został dostosowany w kierunku ciepłej strony, aby uzyskać kreatywny efekt.

Zdjęcie ColorChecker jako zdjęcie referencyjne do regulacji balansu kolorów .

Dwa zdjęcia wieżowca wykonane w odstępie minuty za pomocą podstawowego aparatu typu „wyceluj i zrób zdjęcie”. Lewe zdjęcie pokazuje „normalny”, dokładniejszy balans kolorów, podczas gdy prawa strona pokazuje „żywy” balans kolorów, efekty w aparacie i brak postprodukcji poza czarnym tłem.

Porównanie wersji kolorystycznych (surowa, naturalna, balans bieli) Mount Sharp (Aeolis Mons) na Marsie

Wyważony na biało obraz Mount Sharp (Aeolis Mons) na Marsie

Większość aparatów cyfrowych ma możliwość wybrania korekcji kolorów w zależności od rodzaju oświetlenia sceny, przy użyciu ręcznego wyboru oświetlenia, automatycznego balansu bieli lub niestandardowego balansu bieli. Algorytmy dla tych procesów wykonują uogólnioną adaptację chromatyczną .

Istnieje wiele metod równoważenia kolorów. Ustawienie przycisku na aparacie to sposób, w jaki użytkownik wskazuje procesorowi charakter oświetlenia sceny. Inną opcją w niektórych aparatach jest przycisk, który można nacisnąć, gdy aparat jest skierowany na szarą kartę lub inny neutralny przedmiot. To przechwytuje obraz światła otoczenia, co umożliwia aparatowi cyfrowemu ustawienie prawidłowego balansu kolorów dla tego światła.

Istnieje obszerna literatura na temat tego, jak można oszacować oświetlenie otoczenia na podstawie danych z kamery, a następnie wykorzystać te informacje do przekształcenia danych obrazu. Zaproponowano wiele algorytmów, a ich jakość była przedmiotem dyskusji. Kilka przykładów i analiza zawartych w nich odniesień doprowadzi czytelnika do wielu innych. Przykładami są Retinex , sztuczna sieć neuronowa lub metoda bayesowska .

Kolory chromatyczne

Równoważenie kolorów obrazu wpływa nie tylko na kolory neutralne, ale także na inne kolory. Mówi się, że obraz, który nie jest zrównoważony kolorystycznie, ma przebarwienie, ponieważ wydaje się, że wszystko na obrazie zostało przesunięte w kierunku jednego koloru. ^{[ potrzebna strona ]} Równoważenie kolorów można rozpatrywać w kategoriach usuwania tej poświaty.

Równowaga kolorów jest również związana ze stałością kolorów . Algorytmy i techniki stosowane w celu uzyskania stałości kolorów są również często używane do równoważenia kolorów. Stałość koloru jest z kolei związana z adaptacją chromatyczną . Koncepcyjnie równoważenie kolorów składa się z dwóch etapów: po pierwsze, określenie oświetlenia, w którym wykonano zdjęcie; a po drugie, skalowanie składowych (np. R, G i B) obrazu lub przekształcanie składowych w inny sposób tak, aby odpowiadały one oglądanemu oświetleniu.

modelu kolorów RGB kamery powodował mniejszą niespójność kolorów (tj. mniejsze zniekształcenie kolorów) niż w monitorze RGB dla ponad 4000 hipotetycznych zestawów czułości kamery. Ta różnica zwykle wynosiła więcej niż dwa razy na korzyść RGB aparatu. Oznacza to, że korzystniejsze jest uzyskanie właściwego balansu kolorów w momencie robienia zdjęcia, zamiast późniejszej edycji na monitorze. Jeśli później konieczne będzie zrównoważenie kolorów, zrównoważenie surowych danych obrazu spowoduje mniejsze zniekształcenie kolorów chromatycznych niż zrównoważenie w RGB monitora.

Matematyka balansu kolorów

Równoważenie kolorów jest czasami wykonywane na trójskładnikowym obrazie (np. RGB ) przy użyciu matrycy 3x3 . Ten rodzaj transformacji jest odpowiedni, jeśli zdjęcie zostało zrobione przy użyciu niewłaściwego ustawienia balansu bieli w aparacie cyfrowym lub przy użyciu filtra barwnego.

Skalowanie monitora R, G i B

W zasadzie chce się przeskalować wszystkie względne luminancje na obrazie, aby obiekty, które uważa się za neutralne , wyglądały tak. Jeśli, powiedzmy, uważano, że powierzchnia z $wartości$ jest białym obiektem, a 255 to liczba odpowiadająca bieli, można by pomnożyć wszystkie przez 255/240. Analogiczne postępowanie dla koloru zielonego i niebieskiego skutkowałoby, przynajmniej teoretycznie, obrazem o zrównoważonych kolorach. W tego typu przekształceniach macierz 3x3 jest macierzą diagonalną .

{\ Displaystyle \ lewo [{\ rozpocząć {tablica} {c} R \\ G \\B\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}255/R'_{w}&0&0\\0&255/G'_{w}&0\\0&0&255/B '_{w}\end{tablica}}\right]\left[{\begin{array}{c}R'\\G'\\B'\end{array}}\right]}

gdzie , i są zrównoważonymi kolorami składowymi piksela obrazu w kolorze czerwonym, zielonym i niebieskim; $}$ $\$ $displaystyle$ ${\ Displaystyle R '}$ , sol ${\ displaystyle G'}$ b $\ displaystyle B'}$ to czerwone, zielone i niebieskie składniki obrazu przed równoważeniem kolorów i ${\ displaystyle R'_ {w}}$ , ${\ Displaystyle G'_ {w}}$ i ${\ Displaystyle B'_ {w}}$ to czerwone, zielone i niebieskie składniki piksela, który uważa się, że jest to biała powierzchnia na obrazie przed równoważeniem kolorów. Jest to proste skalowanie kanałów czerwonego, zielonego i niebieskiego i dlatego narzędzia równoważenia kolorów w programie Photoshop mają białe narzędzie Kroplomierz. Wykazano, że przeprowadzanie balansu bieli w zestawie luminoforowym zakładanym przez sRGB powoduje powstawanie dużych błędów w barwach chromatycznych, mimo że może sprawić, że neutralne powierzchnie staną się idealnie neutralne.

Skalowanie X, Y, Z

Jeżeli obraz można przekształcić do wartości trójchromatycznych CIE XYZ , można tam przeprowadzić balansowanie kolorów. Zostało to nazwane „niewłaściwą transformacją von Kriesa”. Chociaż wykazano, że zapewnia zwykle gorsze wyniki niż balansowanie w RGB monitora, jest tutaj wspomniane jako pomost do innych rzeczy. Matematycznie oblicza się:

{\ Displaystyle \ lewo [{\ rozpocząć {tablica} {c} X \\Y\\Z\end{tablica}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}X_{w}/X'_{w}&0&0\\0&Y_{w}/Y'_ {w}&0\\0&0&Z_{w}/Z'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}X'\\Y'\\Z'\end {tablica}}\prawo]}

gdzie $;$ $zrównoważonymi$ kolorami $_$ trójchromatycznymi _ ${\ Displaystyle X_ {w}}$ , ${\ Displaystyle Y_ {w}}$ i ${\ Displaystyle Z_ {w}}$ to wartości trójbodźcowe oglądanego źródła światła (punkt bieli, do którego skierowany jest obraz przekształcenie w celu dostosowania się do); ${\ Displaystyle X'_ {w}}$ , ${\ Displaystyle Y'_ {w}}$ i ${\ Displaystyle Z'_ {w}}$ to wartości trójbodźcowe obiektu, w który wierzy się być białym na obrazie o niezrównoważonych kolorach, a $wartościami$ { \ $'$ $są$ w un -Zrównoważony kolor obrazu. Jeśli wartości trójchromatyczne prawyborów monitora są w macierzy, tak że: ${\ Displaystyle \ mathbf {P}}$

{\ Displaystyle \ lewo [{\ rozpocząć {tablica} {c} X \\ Y \\ Z \ koniec {tablica}} \ prawej] = \ mathbf

gdzie ${\ Displaystyle L_ {R}}$ , i $}$ $}$ to monitory RGB z korekcją un- , można użyć: L R {\ displaystyle L_ {R}

\ Displaystyle \ lewo [ {\begin{array}{c}L_{R}\\L_{G}\\L_{B}\end{array}}\right]=\mathbf {P^{-1}} \left[{\ początek{tablica}{ccc}X_{w}/X'_{w}&0&0\\0&Y_{w}/Y'_{w}&0\\0&0&Z_{w}/Z'_{w}\end{tablica }}\right]\mathbf {P} \left[{\begin{array}{c}L_{R'}\\L_{G'}\\L_{B'}\end{array}}\right] }

Metoda von Kriesa

Johannes von Kries , którego teoria pręcików i trzech rodzajów czopków wrażliwych na kolor w siatkówce przetrwała jako dominujące wyjaśnienie odczuwania kolorów przez ponad 100 lat, zmotywował metodę konwersji koloru do przestrzeni kolorów LMS , reprezentującej efektywne bodźce dla Typy stożków o długich, średnich i krótkich falach, które są modelowane jako dostosowujące się niezależnie. Matryca 3x3 konwertuje RGB lub XYZ na LMS, a następnie trzy podstawowe wartości LMS są skalowane w celu zrównoważenia neutralnego; kolor można następnie przekonwertować z powrotem na żądaną ostateczną przestrzeń kolorów :

{\ Displaystyle \ lewo [{\ rozpocząć {tablica} {c} L \\ M \\S\end{tablica}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}1/L'_{w}&0&0\\0&1/M'_{w}&0\\0&0&1/S '_{w}\end{tablica}}\right]\left[{\begin{array}{c}L'\\M'\\S'\end{array}}\right]}

gdzie i $są$ $zrównoważonymi$ $wartościami$ stożka ; ${\ Displaystyle L'_ {w}}$ , ${\ Displaystyle M'_ {w}}$ i ${\ Displaystyle S'_ {w}}$ to wartości trójbodźcowe obiektu, w który wierzy się być białym na obrazie ${\ Displaystyle M '}$ niezrównoważonych kolorach, a , $i$ S $Displaystyle S'}$ to wartości trójchromatyczne piksela w un -Zrównoważony kolor obrazu.

Macierze do konwersji na przestrzeń LMS nie zostały określone przez von Kriesa, ale można je wyprowadzić z funkcji dopasowywania kolorów CIE i funkcji dopasowywania kolorów LMS, gdy te ostatnie są określone; macierze można również znaleźć w podręcznikach.

Skalowanie kamery RGB

Według pomiarów Viggiano i przy użyciu jego modelu gaussowskiej czułości spektralnej kamery, większość przestrzeni RGB kamery działała lepiej niż RGB monitora lub XYZ. Jeśli znane są surowe wartości RGB kamery, można użyć matrycy przekątnej 3x3:

{\ Displaystyle \ lewo [{\ rozpocząć {tablica} {c} R \\ G \\B\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}255/R'_{w}&0&0\\0&255/G'_{w}&0\\0&0&255/B '_{w}\end{tablica}}\right]\left[{\begin{array}{c}R'\\G'\\B'\end{array}}\right]}

a następnie przekonwertować do działającej przestrzeni RGB, takiej jak sRGB lub Adobe RGB po zrównoważeniu.

Preferowane przestrzenie adaptacji chromatycznej

Porównania obrazów zrównoważonych przez ukośne przekształcenia w wielu różnych przestrzeniach RGB zidentyfikowały kilka takich przestrzeni, które działają lepiej niż inne i lepiej niż przestrzenie kamery lub monitora pod kątem adaptacji chromatycznej, mierzonej za pomocą kilku modeli wyglądu kolorów ; systemami, które statystycznie i najlepiej radziły sobie z większością zestawów testów obrazu, były przestrzenie „Sharp”, „Bradford”, „CMCCAT” i „ROMM”.

Ogólna adaptacja oświetlenia

Najlepsza matryca kolorów do dostosowania do zmiany oświetlenia niekoniecznie jest matrycą diagonalną w ustalonej przestrzeni kolorów. Od dawna wiadomo, że jeśli przestrzeń oświetlaczy można opisać jako model liniowy z N składnikami bazowymi, właściwa transformacja barw będzie sumą ważoną N ustalonych transformacji liniowych, niekoniecznie spójnie diagonalizowalnych.