Digitale kleurruimten: een eenvoudige analogie helpt begrip

Inhoud

• sMPH
• aMPH
• ProMPH
• Analoog met sRGB-, aRGB- en ProPhotoRGB-kleurruimten
• sRGB-gegevens gedecodeerd met eenRGB-profiel
• aRGB-gegevens gedecodeerd met behulp van het sRGB-profiel
• Ontbrekende profielen, profielconversie en profieltoewijzing
• Ontbrekende profielen
• Wijs profiel toe
• Converteren naar profiel
• Conclusie
• Erkenningen

Een ingenieursadviseur en professionele fotograaf met 40 jaar ervaring in digitale beeldbewerking.

De voordelen van sRGB, AdobeRGB (aRGB) en ProPhotoRGBkleurruimten zijn vaak het onderwerp van discussie en enige verwarring. Pogingen van beginners om de principes achter deze kleurruimten te begrijpen, worden vaak gehinderd door de complexe, driedimensionale wiskundige transformaties die worden gebruikt om ze te beschrijven.

Deze moeilijkheid kan worden overwonnen door te verwijzen naar een eenvoudige eendimensionale lineaire analogie die drie fictieve methoden beschrijft voor het coderen van voertuigsnelheid, toepasselijk genoemd (naar analogie) sMPH, aMPH en ProMPH. Deze analogie illustreert hoe afbeeldingsgegevens worden gecodeerd en geconverteerd tussen kleurruimten en wat er gebeurt als afbeeldingen onjuist worden geconverteerd of weergegeven. Dit artikel wordt afgesloten met voorbeelden van echte en gesynthetiseerde afbeeldingen die in verschillende kleurruimten worden weergegeven.

sMPH

Stel dat ingenieurs de variatie in rijsnelheid van een motorvoertuig met tussenpozen van één seconde gedurende elke reis willen registreren. Het voertuig heeft een sensor die snelheidsmetingen levert van 0,0 tot 100,0 mph met 1 decimaal met intervallen van 1 seconde. Omdat ze beseften dat ze geen precisie van 0,1 mph nodig hadden en dat ze de geheugenopslagvereisten voor lange reizen moesten minimaliseren, besloten de ingenieurs om elke snelheidsmeting op te slaan in een enkele 8 bit byte (die alleen gehele getallen van 0-255 kan opslaan). Ze bedachten een eenvoudige coderingsmethode die de sensormetingen vermenigvuldigde met 2,5 en vervolgens afgerond op het dichtstbijzijnde hele getal. Ze noemden dit proces "Standaard MPH-codering" of sMPH in het kort.

sMPH gecodeerde aflezing = ROND (2,5 x sensoraflezing)

Een snelheid van 100,0 mph kan daarom worden gecodeerd in een enkele 8-bits byte met een waarde van 250. Om de oorspronkelijke gegevens te herstellen, wordt het proces gewoon omgekeerd. Ze noemden dit proces sMPH-decodering.

Gedecodeerde lezing = sMPH gecodeerde uitlezing / 2.5

sMPH Door codering konden snelheidsmetingen van 0,0 - 160,0 mph worden opgeslagen als enkele 8-bits bytes met waarden tussen 0 - 250. De precisie is echter teruggebracht van 0,1 mph tot 1 / 2,5 = 0,4 mph. Deze vermindering van de precisie helpt de gegevens te comprimeren voor opslag.

Omdat ze beseften dat de vereisten in de toekomst zouden kunnen veranderen, besloten de ingenieurs dat bestanden van sMPH gegevens moeten details bevatten van het sMPH-coderings- / decoderingsproces ("het sMPH-profiel") ingebed in het bestand. Dit zou ervoor zorgen dat toekomstige gebruikers van de gegevensbestanden zouden weten dat de gegevens erin sMPH-gecodeerd waren en dat ze de juiste manier zouden weten om de gegevens te herstellen (decoderen).

Het sMPH-coderings- en decoderingsproces wordt schematisch weergegeven in Figuur 1.

aMPH

Toen geavanceerde technologie-ingenieurs besloten dat ze snelheden moesten registreren van voertuigen die sneller konden rijden (tot 125 mph) met behulp van een vergelijkbaar bestandsformaat (1 byte / lezen). Om dit te bereiken bedachten ze een nieuwe coderings- en decoderingsmethode die ze "Advanced MPH" of afgekort aMPH noemden. Om het uitgebreide snelheidsbereik te dekken, hebben ze de coderings- en decoderingsfactor gewijzigd van 2,5 in 2,0

aMPH gecodeerde aflezing = ROND (2,0 x sensoraflezing)

Een snelheid van 200,0 mph kan daarom worden aMPH-gecodeerd in een 8-bits byte met een waarde van 250. Om de oorspronkelijke gegevens te herstellen, wordt het proces gewoon omgekeerd. Ze noemden dit proces aMPH-decodering.

Gedecodeerde lezing = aMPH gecodeerde lezing / 2.0

Met aMPH-codering kunnen snelheidsmetingen van 0,0 - 125,0 mph worden opgeslagen als enkele 8 bit bytes met waarden van 0 - 250. De precisie is echter verder verminderd door de extra datacompressie van 0,4 mph (onder sMPH-codering) tot 0,5 mph ( onder aMPH-codering). Dus hoewel aMPH bestanden kunnen gegevens bevatten voor een 25% groter snelheidsbereik dan sMPH, de precisie waarmee die snelheden worden geregistreerd, is met 20% verminderd.

Om aMPH-bestanden te kunnen onderscheiden van sMPH-bestanden, hebben ze de details van het "aMPH-codering / decodering" -proces (het "aMPH-profiel") in het bestand ingebed. Dit zou ervoor zorgen dat toekomstige gebruikers van de databestanden automatisch weten dat de data erin aMPH-gecodeerd is en de juiste manier is om de data te herstellen (decoderen), en dat ze niet per ongeluk het sMPH-proces mogen gebruiken.

Het aMPH-coderings- en decoderingsproces wordt schematisch weergegeven in Figuur 2.

ProMPH

Naarmate de technologie weer vorderde, werd besloten dat het systeem verder moest worden aangepast om snelheden tot 240 km / u te kunnen coderen en decoderen. Dit werd bereikt door de coderings- en decoderingsfactor te veranderen in 5/3 en ze noemden dit proces Professional MPH (afgekort ProMPH) codering.

ProMPH gecodeerde uitlezing = ROND (5 x sensoruitlezing / 3)

Een snelheid van 240 km / u kan daarom worden gecodeerd in een 8-bits byte met een waarde van 250. Om de oorspronkelijke gegevens te herstellen, wordt het proces gewoon omgekeerd. Ze noemden dit proces ProMPH-decodering.

Gedecodeerde uitlezing = 3 x ProMPH gecodeerde uitlezing / 5

Merk op dat het gebruik van ProMPH-codering het bereik van snelheden dat kan worden opgeslagen met 50% heeft vergroot (ten opzichte van sMPH​Maar dit vermindert de precisie waarmee de snelheid wordt geregistreerd met 33% tot 0,6 mph. De ingenieurs realiseerden zich dat deze vermindering aanzienlijk werd en adviseerden dat voor toepassingen met hoge precisie ProMPH gegevens moeten worden opgeslagen in dubbele bytes (16-bits modus).

Analoog met sRGB-, aRGB- en ProPhotoRGB-kleurruimten

Als sMPH, aMPH en ProMPH conceptueel worden vervangen door sRGB, aRGB en ProPhotoRGB en de voertuigsnelheid wordt vervangen door rijkdom aan kleuren (hogere snelheid = rijkere kleuren), is het mogelijk om parallellen te trekken tussen het hierboven beschreven proces en het proces dat wordt gebruikt om beeldgegevens op te slaan.

Wanneer een sRGB-afbeeldingsbestand wordt gemaakt, worden de beeldsensorgegevens gecodeerd met de sRGB-standaard en wordt de sRGB-profielinformatie (meestal) ingebed in het bestand, zodat de gegevens automatisch correct kunnen worden gedecodeerd.

De aRGB- en ProPhotoRGB-standaarden zijn ontwikkeld om rijkere en rijkere kleuren in het bestand op te slaan, op een vergelijkbare manier waarop aMPH en ProMPH hogere en hogere snelheden kunnen coderen.

De kracht van de analogie wordt duidelijk wanneer we analyseren wat er gebeurt als bestanden worden gedecodeerd met een andere standaard dan die wordt gebruikt om de gegevens te coderen. Wat gebeurt er bijvoorbeeld als sRGB-beeldgegevens worden gedecodeerd met eenRGB-profiel, of omgekeerd? Deze twee voorbeelden worden hieronder besproken.

sRGB-gegevens gedecodeerd met eenRGB-profiel

Dit is analoog aan het gebruik van de aMPH proces om snelheidsgegevens te decoderen waarmee werd gecodeerd sMPH​De effecten hiervan worden weergegeven in de onderstaande afbeelding 3. Merk op hoe een werkelijke voertuigsnelheid van 160 km / u ten onrechte is gedecodeerd als 200 km / u. De gedecodeerde gegevens geven aan dat het voertuig sneller rijdt dan het in werkelijkheid was. Daarom, naar analogie, wanneer sRGB gegevens worden gedecodeerd (weergegeven) met een aRGB profiel, worden de kleuren onjuist weergegeven en lijken ze rijker dan zou moeten. De situatie wordt erger als sRGB bestanden worden weergegeven met een ProPhotoRGB profiel als de kleuren nog rijker zullen lijken.

aRGB-gegevens gedecodeerd met behulp van het sRGB-profiel

Dit is analoog aan het gebruik van de sMPH proces om snelheidsgegevens te decoderen waarmee werd gecodeerd aMPH​De effecten hiervan worden weergegeven in figuur 4 hieronder. Merk op hoe een werkelijke voertuigsnelheid van 200 km / u ten onrechte is gedecodeerd als 160 km / u. De gedecodeerde gegevens geven aan dat het voertuig langzamer rijdt dan het in werkelijkheid was. Daarom, naar analogie, wanneer aRGB gegevens worden gedecodeerd (gerenderd) met een sRGB profiel, zullen de kleuren onjuist worden weergegeven en zullen ze meer gedempt lijken dan zou moeten. De situatie wordt erger als a ProPhotoRGB bestand wordt weergegeven met een sRGB profiel als de kleuren nog meer gedempt zullen lijken.

Ontbrekende profielen, profielconversie en profieltoewijzing

Als bestanden correct zijn gecodeerd en het relevante profiel bevatten, mogen er geen onjuiste decoderingsfouten optreden. Maar er zijn verschillende scenario's waarin problemen kunnen ontstaan ​​of compromissen moeten worden gesloten.

Ontbrekende profielen

Als het profiel dat wordt gebruikt om de gegevens te coderen, ontbreekt in het bestand, is het onduidelijk hoe de gegevens moeten worden gedecodeerd. Veel systemen gaan ervan uit sRGB als een standaardprofiel en past dat profiel toe om de gegevens te decoderen. Dit is prima als de gegevens zijn gecodeerd met sRGB, maar als aRGB of ProPhotoRGB werd gebruikt, worden de gedecodeerde kleuren onjuist weergegeven en lijken ze meer gedempt dan zou moeten (analoog aan het scenario in figuur 4).

Om te voorkomen dat er bestanden met ontbrekende profielen worden gemaakt, is het raadzaam om bij het opslaan het kleurprofiel in het afbeeldingsbestand in te sluiten. Photoshop biedt een aankruisvakje voor "Kleurprofiel insluiten" bij het opslaan van afbeeldingen. Photoshop kan ook worden ingesteld om waarschuwingen te geven bij het openen van afbeeldingen met ontbrekende profielen en te vragen wat te doen. Deze instellingen zijn te vinden in de sectie Kleurbeheerbeleid van het menu Bewerken> Kleurinstellingen…. Het wordt aangeraden om alle vakjes in deze sectie aan te vinken, zoals weergegeven in afbeelding 5.

Wijs profiel toe

Met Photoshop kan de gebruiker een profiel (Bewerken> Profiel toewijzen…) toewijzen aan een afbeelding met een ontbrekend profiel, of het bestaande profiel overschrijven. Deze optie moet met de nodige voorzichtigheid worden gebruikt. Kleuren in de afbeelding worden onjuist weergegeven als het profiel dat aan een afbeelding is toegewezen niet hetzelfde is als het profiel dat is gebruikt om de afbeelding oorspronkelijk te coderen. Het toewijzen van een ander profiel kan creatief worden gebruikt om kleuren rijker of meer gedempt te laten lijken, maar het kan handiger zijn om de schuifregelaars voor verzadiging of vibratie aan te passen, omdat deze meer controle bieden. De optie "Converteren naar profiel ..." moet echter worden gebruikt om een ​​afbeelding van het ene profiel naar het andere te wijzigen zonder de kleuren aanzienlijk te wijzigen.

Converteren naar profiel

Met Photoshop kunnen gebruikers afbeeldingen van het ene profiel naar het andere converteren (Bewerken> Converteren naar profiel ...). Deze handeling werkt als volgt. Eerst worden de beeldgegevens gedecodeerd met behulp van het originele profiel, daarna (na enige aanpassing indien nodig *) worden de gegevens gecodeerd met behulp van het nieuwe profiel.​Hoewel het conversieproces enig effect kan hebben op de kleuren in de afbeelding, zijn er verschillende instellingen die kunnen worden gebruikt om eventuele aanpassingen te regelen, zoals weergegeven in het gedeelte Conversie-opties van het menu in afbeelding 5. Een gedetailleerde beschrijving van de verschillende opties valt momenteel buiten het bestek van dit document, maar er zijn enkele mogelijke compromissen waar u rekening mee moet houden.

• Als een ProPhotoRGB afbeelding bevat een zeer breed scala aan kleuren en wordt vervolgens geconverteerd naar een kleurruimte met minder bereik (bijv. sRGB) zal enige kleurverandering veroorzaken. Kleuren kunnen enigszins worden afgekapt of gedesatureerd in een poging om het grotere kleurbereik in de kleinere kleurruimte te "persen". Dit proces is niet omkeerbaar. Omzetten van een ProPhotoRGB afbeelding naar sRGB verliest kleurinformatie die kan niet worden hersteld door te converteren van sRGB terug ProPhotoRGB.
• Een soortgelijk compromis doet zich voor, maar in mindere mate bij het omzetten van ProPhotoRGB naar aRGB, of van aRGB naar sRGB. Nogmaals, het proces is niet omkeerbaar.

Hoewel deze compromissen misschien ontmoedigend klinken, moeten een paar belangrijke punten in gedachten worden gehouden.

• De visuele verschillen tussen correct weergegeven sRGB, aRGB en ProPhotoRGB afbeeldingen zijn relatief klein. Op monitoren en printers van consumentenkwaliteit kunnen ze inderdaad moeilijk te herkennen zijn. Zelfs op professionele monitoren en printers is het visuele verschil vaak veel minder opvallend dan de relatieve afmetingen van de kleurruimten suggereren.
  
  Figuur 6 geeft een voorbeeld. Deze figuur is gemaakt door te creëren ProPhotoRGB, aRGB en sRGB versies van dezelfde RAW-afbeelding van een Passport Color Checker Target en ze vervolgens allemaal correct weergeven in Photoshop en een screenshot maken. Uiteraard zijn er beperkingen in deze vergelijking, aangezien alle afbeeldingen zijn weergegeven op een monitor met een beperkte kleurruimte. Om deze beperking te ondervangen, zijn de jpeg-bestanden die worden gebruikt om de figuren 6-10 te produceren hier daarom online beschikbaar. De afbeeldingen kunnen worden gedownload en vergeleken op het scherm of als afdruk.

• De visuele verschillen tussen onjuist weergegeven afbeeldingen zijn veel meer merkbaar en duidelijk zichtbaar op het scherm, zoals geïllustreerd door Afbeelding 7 hieronder. Deze figuur is gemaakt door te creëren ProPhotoRGB, aRGB en sRGB versies van een RAW-afbeelding van een Passport Color Checker Target en vervolgens de verkeerde profielen aan sommige ervan toewijzen. De centrale afbeelding is een screenshot van het sRGB afbeelding weergegeven in Photoshop met behulp van de juiste sRGB profiel. De omringende (onjuist weergegeven) afbeeldingen zijn schermafbeeldingen van het sRGB, aRGB en ProPhoto afbeeldingen die in Photoshop zijn gerenderd met het verkeerde profiel, worden toegewezen, zoals aangegeven. Merk op dat de verschillen nu veel duidelijker zijn dan die in figuur 6.

• Sommige afbeeldingen op internet, die worden gebruikt om de verschillen tussen elke kleurruimte aan te tonen, worden geproduceerd door verschillende spectrumgradiënten te genereren in sRGB, aRGB en ProPhotoRGB werkruimten met behulp van Photoshop. Deze afbeeldingen moeten met de nodige voorzichtigheid worden geïnterpreteerd, aangezien ze een groot aantal wiskundig geproduceerde kleuren bevatten. Deze kleuren zijn geconcentreerd aan de randen van elke kleurruimte om opzettelijk de verschillen tussen elke kleurruimte te benadrukken. Dergelijke kleuren kunnen buiten het bereik liggen waarvoor typische digitale camera's gevoelig zijn, of verschijnen in normale scènes. De spectrumverloopgegevens die door het opvulgereedschap in Photoshop zijn gemaakt, worden ook niet gecodeerd (geconverteerd) om bij een bepaalde kleurruimte te passen. Dezelfde numerieke RGB-waarden worden gewoon in de afbeelding ingevoegd en vervolgens gedecodeerd met het kleurruimteprofiel dat aan de afbeelding is toegewezen. Elke gegenereerde pixel bevat minimaal één kleur die volledig verzadigd is (waarde = 255). Dit is analoog aan het vullen van het voertuigsnelheidsgegevensbestand met waarden van 0-250 en vervolgens onderzoeken hoe elke decoderingsmethode (sMPH, aMPH of ProMPH) interpreteert deze gegevens.
  
  Voorbeelden van een spectrumgradiënt gekruist met een helderheidsgradiënt (vaak een Granger-grafiek genoemd) die in elke kleurruimte is gemaakt, worden weergegeven in Figuur 8. Deze extreme test toont duidelijke verschillen tussen de kleurruimten.

• Voorbeelden van eenvoudige spectrumgradiënten die in elke kleurruimte zijn gemaakt, worden weergegeven in Figuur 9. Ook hier toont deze extreme test duidelijk zichtbare verschillen tussen de kleurruimten.

• Vergelijkingen tussen gesynthetiseerde afbeeldingen zoals deze worden vaak gebruikt om aanbevelingen te ondersteunen om AdobeRGB of ProPhotoRGB te gebruiken in plaats van sRGB.
• Echter…. de verschillen tussen digitale camerabeelden van echte scènes, gemaakt in RAW-formaat, vervolgens verwerkt in elk van de kleurruimten en correct weergegeven, zullen minder opvallen, vooral wanneer ze worden bekeken of afgedrukt op monitoren en printers van consumentenkwaliteit. Dit wordt geïllustreerd door de volgende afbeeldingen van een echt spectrum dat wordt gecreëerd door zonlicht dat door een prisma gaat en op een wit vel papier wordt geprojecteerd om een ​​verzadigde reeks natuurlijke kleuren te produceren. De RAW-afbeelding is verwerkt om te produceren sRGB, AdobeRGB en ProPhotoRGB versies. Figuur 10 toont een montage van de drie afbeeldingen.

Conclusie

Hopelijk heeft het bovenstaande een nuttig inzicht gegeven in enkele van de basisprincipes achter digitale kleurruimten. Tot slot heb ik drie aanbevelingen.

1. Voer uw eigen tests uit om te bepalen welke kleurruimte het beste bij u past.
2. Zorg ervoor dat uw afbeeldingen zijn ingesloten / getagd met het profiel dat u selecteert.
3. Controleer of uw bewerkingstools zijn ingesteld om de kleurruimte van een geopende afbeelding te controleren.

Erkenningen

1. Photoshop is een geregistreerd handelsmerk van Adobe Systems Incorporated
2. De grafische weergaven van sRGB-, AdobeRGB- en ProPhotoRGB-kleurruimten in de openingsfiguur werden geproduceerd met behulp van de ColorSync Utility-applicatie - copyright Apple Inc.