Korisnost kompenzacije crne tačke u sistemima za upravljanje bojom

Bsc. Ivana Tomić, Mr. Igor Karlović, Dr. Dragoljub Novaković, Msc. Sandra Dedijer

Uvod

U  profilima, osnovnim elementima otvorenog sistema upravljanja bojama, definiše se kako se vrednosti bele boje ulaznog uređaja ili prostora boja konvertuje u belu izlaznog uređaja. Tačan način pretvaranje ovih vrednosti, kao i ostalih hromatskih vrednosti stimulusa određen je u namerama prikaza. Mapiranje crne boje, međutim nije posebno specificirano. Kompenzacija crne tačke (Black Point Compensation – BPC)  kreirana je od strane kompanije Adobe u cilju rešavanja problema prouzrokovanog razlikom prikaza crne boje izvornog i ciljnog uređaja, i ne predstavlja deo ICC specifikacija. Ukoliko je uključena - crna boja izvornog uređaja biće mapirana u crnu boju ciljnog; ukoliko nije - mapiranje će biti izvršeno samo u zavisnosti od namere prikaza. Ova opcija je po standardnim podešavanjima uključena, što se pokazuje kao dobro rešenje u većini situacija. Cilj rada je da se precizno definiše u kojim slučajevima bi trebalo aktivirati kompenzaciju crne tačke, a u kojima ne, kao i da ispita kako različiti moduli za upravljenje bojama utiču na konačan raspored boja na slici u pogledu njihovih psihofizičkih veličina.

Teorijske osnove

Kompenzacija crne tačke se koristi za čuvanje međuodnosa tonova na uređajima sa različitim tonskim opsezima. Bez ove kompenzacije uređaji sa većom vrednošću optičke gustine ne bi mapirali najtamnije tonove, nego bi našli najbližu vrednost optičke gustine manjeg prostora i linearno bi premapirali te tonove. To bi dovelo do snižavanja ukupne optičke gustine i odsecanja najtamnijih tonova. Mapiranje najtamnijeg tona uz pomoć kompenzacije crne tačke dovodi do očuvanja dinamičkog opsega sa određenom kompresijom, ako je ciljni prostor manjeg dinamičkog opsega. BPC opciju ne bi trebalo aktivirati ukoliko se vrši konverzija boja iz prostora manjeg u prostor boja većeg opsega (CMYK-RGB, npr.). Mapiranje i bele i crne tačke u ovom slučaju dovodi do netačne reprezentacije izvornih boja, što može biti veliki problem ukoliko je cilj precizna reprodukcija, kao što je slučaj kod ekranskog probnog prikaza.
BPC opcija samo je dodatni element koji se definiše prilikom konverzije boja, dok su namere prikaza tj. načini obrade (eng. Rendering Intents) zapravo ti koje tačno definišu parameter transformacije za boje koje su van opsega ciljnog uređaja. U zavisnosti od krajnjeg cilja, tj. efekta koji se želi postići prilikom konverzije bira se jedan od 4 načina obrade definisanim u ICC specifikacijama (Perceptual, Saturation, Relative Colorimetric i Apsolute Colorimetric).
Perceptualni način obrade mapira ceo prostor izvornog uređaja u prostor boja ciljnog uređaja na način da zadržava relativan odnos između boja. Ovakav način obrade je dobar ukoliko se konvertuju slike sa velikim brojem boja van opsega izlaznog uređaja, a veliku primenu nalazi kod konverzije fotografija. Kod obrade slika sa maksimalnim zasićenjem (Saturation) izvorni prostor se mapira u ciljni na način da se u potpunosti popuni ciljni prostor. Time se omogućava postizanje življih, zasićenijih boja pa se uglavnom koristi kod poslovne i akcidenične grafike.  Kolorimetrijski načini obrade mapiraju boje koje se nalaze van opsega ciljnog prostora na najbliže moguće boje ciljnog prostora, dok one koje su u spomenutom opsegu ostaju nepromenjene. To čini ovaj način obrade najpreciznijim jer se modifikuju samo boje koje su van opsega. Međutim, to takođe znači da se vrlo često veliki broj boja koje su van opsega mapira na najbližu boju ciljnog uređaja što može doprineti „odsecanju“  boja izvornog uređaja. Relativno kolorimetrijski način obrade  mapira belu boju izvornog u belu boju ciljnog uređaja, dok apsolutno kolorimetrijski  (Apsolute Colorimetric) zadržava belu boju originala menjajući sve boje  na način da se bela boja izlaznog uređaja prilagodi beloj boji ulaznog.
BPC opciju nije neophodno aktivirati pri perceptualnoj obradi, jer se tom prilikom sve boje ulaznog uređaja (pa i crna) mapiraju u odgovarajuće boje izlaznog. Opcija je ipak dostupna za ovaj način obrade u cilju kompenzovanja grešaka prilikom formiranja profila. Zbog samog načina obrade kompenzacija crne tačke nije dostupna za apsoluno kolorimetrijsku nameru prikaza, a može se aktivirati pri relativno kolorimetrijskoj i obradi sa maksimalnim zasićenjem.
Pored namera prikaza bitnu ulogu pri konverziji boja igra i modul za upravljanje bojama. Na osnovu informacija koje se nalaze u profilima CMM (Colour Management Modul) vrši sve kalkulacije neophodne za konvertovanje vrednosti boja iz jednog prostora boja u drugi.  CMM je najčešće vezan za sam operativni sistem ili nekog proizvođača softvera. Postizanje konstantne boje između aplikacija i uređaja bez sistema za upravljanje bojom na nivou operativnog sistema je težak zadatak. Pre pojavljivanja ICC konzorcijuma svaka od aplikacija bi  koristila svoj specifični sistem za upravljanje bojama i time otežavala komunikaciju između različitih softvera zaduženih za vernu reprodukciju boja. Microsoft, tvorac Windows operativnog sistema, kao jednog od najrasprostranjenijih u grafičkoj industriji, implementirao je prvi u put Windows 95 svoj sistem za upravljanje bojama Image Color Management (ICM).  ICM verzija 1 je podržavala ICC sistem i mogla je da radi samo sa RGB profilima. Unapređena, druga verzija ICM-a je zadržala kompatibilnost sa ICC tehnologijom sa proširenom listom podržanih prostora boja (CMYK, Lab), standardnim prostorom boja (sRGB), korišćenjem višestrukih modula za upravljanje bojom CMM (kao prethodno podrazumevani CMM modul je uzet LinoColor, danas Heidelbergovo vlasništvo). Ovim pristupom je omogućeno da korisnik u grafičkoj aplikaciji (kao što je Photoshop na Windows operativnom sistemu) sam može odabrati koji će CMM da koristi. Najčešće je to ICM ili Adobe CMM modul koji su i testirani u ovom radu.  Sa novim operativnim sistemom Windows Vista Microsoft je predstavio novi sistem za upravljanje bojama koji se razlikuje od prethodnih sistema - ima svoje zasebne tipove profila, načine mapiranja gamuta i sadrži promenjen CMM modul koji sadrži transformacije boja koji uključuju jednačine za modele osećaja boja. Osnovni koncept Windows Vista sistema je prikazan na slici 1.

Slika 1. Koncept Windows Vista sistema za upravljanje bojama

Windows Vista u sebi sadrži i unapređeni ICM u verziji 3 koji se koristi sa postojećom ICC tehnologijom i ICC profilima. Korisnik može da odabere i Windows Color System za transformaciju boja, koji se uključuje pri hibridnom upravljanju boja pri kom se koristi ICC i WCS tehnologija. WCS tehnologija umesto postojećeg CMM modula za transformacije koristi novi CITE sistem. Pored promenjenog načina preračunavanja boja, WCS uvodi i specifične profile bazirane na XML jeziku. Adobe aplikacije ne sadrže direktnu podršku za WCS, ali uključivanjem ICM modula i odabiranjem Vista profila transformacija se vrši kroz novi sistem obrade boja.  Pošto Vistin WCS sistem preračunava transformacije boja tokom aktivnog rada i ima pri tome tačne podatke o opsegu boja svakog uređaja, mapiranje gamuta bi trebalo da daje tačnije rezultate. Ovo znači da je kompenzacija crne tačke automatski uključena i obrađena tokom transformacije i da daje drugačije rezultate u odnosu na ICM način transformacija.

Metoda i materijali

Kako bi se definisala korisnost kompenzacije crne tačke pri transformaciji iz jednog prostor boja u drugi, izvršene su RGB-CMYK konverzije (prostor boja većeg u prostor manjeg gamuta) digitalno kreirane GretagMacbeth SG karte. Karta je konvertovana sa različitim namerama prikaza sa i bez aktiviranja BPC opcije. Za izvorni profil izabran je sRGB (bela boja na L=100 a= -2 b= -19; crna na L= 0 a= 0 b= 0), dok je kao ciljni profil definisan Europe ISO Coated Fogra27 – zvanični Fogra standard za štampu na premaznim papirima (bela boja na L =96 a =0 b =-3; crna na L =12 a= 0 b= -1). Konverzija boja je urađena u softveru Adobe Photoshop CS 3 pri čemu su pored namera prikaza menjani i ponuđeni CMM moduli ICM i Adobe. Nakon konverzije raspored boja na slici posmatran je u uređajno nezavisnom prostoru boja (CIE Lab) u okviru programa CHROMiX ColorThink. Posmatrane su promene u tonu i svetlini prilikom konverzije sa i bez kompenzacije crne tačke (sa definisanom namerom prikaza i CMM-om) i njihova preraspodela u 3D i 2D prostoru boja. Pored upoređivanja različitih modula (ICM I ACE) na Windows XP platformi urađene su transformacije i na Windows Vista platformi koja koristi izmenjene module. Za proveravanje korisnosti kompenzacije crne tačke na Vista operativnom sistemu umesto sRGB izvornog profila korišćen je wsRGB profil, da bi se prilikom konverzije aktivirala WCS obrada boja. Kako bi se dobijeni rezultati uporedili sa subjektivnim doživljajem boja na slici vršene su i konverzije tri tipa fotografija i to: fotografija sa dominantnim svetlim tonovima (definisane kao Tip 1), fotografija bez dominantnih tonova (Tip 2) i fotografija sa dominantnim tamnim tonovima (Tip 3). Izvorna fotografija i fotografije konvertovane sa i bez BPC opcije posmatrane su u CIE Lab prostoru boja u okviru Photoshop-a na kalibrisanom LCD monitoru. Urađena je vizuelna procena konvertovanih fotografija u pogledu vernosti dočaravanja izvorne slike. U vizuelnoj proceni proceni je učestvovalo 20 dobrovoljaca koji su pre posmatranja slike testirani na slepilo na boje (korišćen Isihara test) radi izbegavanja grešaka pri evaulaciji. Prilikom konverzije korišćen je Adobe i Windows ICM CMM, dok su namere prikaza varirane.

Rezultati i diskusija

Nakon konverzije test karte, raspored boja na Lab dijagramu pokazao je da ukoliko se koriste perceptualna i obrada sa maksimalnim zasićenjem uglavnom nema razlike u rasporedu boja sa i bez aktiviranja kompenzac­ije crne tačke. Nije primetno pomeranje u tonu boje, dok su u pojedinim tonovima (ljubičastim, zelenim, kao i u neutralnim tamnim partijama) opažena neznatna pomeranja ka višim L vrednostima. Ovo se može objas­niti samim načinom mapiranja, kao i opsegom boja profila koji su korišćeni prilikom konverzije. Isti rezultati dobijeni su korišćenjem Microsoft-ovog modula za upravljanje bojama (ICM) i Adobe CMM-a (ACE).
Kod relativno kolorimetrijskog načina obrade primećene su značajne razlike u pomeranju kako tono­va, tako i svetline ukoliko je BPC opcija aktivirana. Naime, ukoliko se ova opcija koristi prilikom konverzije pri datoj nameri prikaza, primetno je pomeranje većine tonova ka višim L vrednostima i globalno smanjenje zasićenja.
Neznatne razlike primećene su ukoliko je konverzija vršena sa različitim modulima za upravljanje bojama. Na slici 2. prikazan je raspored boja u Lab prostoru boja GretagMacbeth SG karte konvertovane iz RGB-a u CMYK sa ACE modulom i relativno-kolorimetrijskom obradom. Raspored tonova na karti kon­vertovanoj bez aktiviranja kompenzacije crne tačke prikazan je punim tonom, dok je raspored tonova na karti koja je kon­vertovana sa aktiviranom BPC opcijom prikazan transparentnije.

Slika 2. Prikaz rasporeda boja SG karte pri korišćenju relativno kolorimetrijske transformacije ACE modula (tonovi nakon konverzije sa kompenzacijom crne tačke prikazani punim nanosom, bez kompenzacije prikazani transparentnije)

Kompenzacija crne tačke uglavnom nema efekta kod neutralnih svetlih tonova. Kod svih ostalih tonova primetno je pomeranje ka višim L vrednostima, koje je najviše izraženo u tamnim partijama.  Ovo pomer­anje u skladu je sa teorijskim mapiranjem gamuta profila, jer se crna tačka izvornog profila nalazi na manjoj L vrednosti. Odstupanja u tonu boje posmatrana su na 2D projekciji Lab prostora boja (Slika 3). Tonovi su, ukoliko je pri konverziji korišćena kompenzacija crne tačke, uglavnom pomerani ka L osi, pri čemu su najveća odstupanja primećena kod pojedinih  plavih, zelenih i dela crvenih tonova. Ova odstupanja mogu se objasniti činjenicom da je sRGB prostor boja u odnosu na odabrani CMYK mnogo većeg opsega upravo u ovim tonovima (Slika 4), pa se prilikom mapiranja oni najviše menjaju.

Slika 3. Prikaz rasporeda boja SG karte na a-b osi pri korišćenju relativno kolorimetrijske transformacije ACE modula (tonovi nakon konverzije sa kompenzacijom crne tačke prikazani punim nanosom, bez kompenzacije prikazani transparentnije)

Slika 4. Prikaz opsega boja profila u Lab prostoru boja (sRGB većeg opsega od Europe ISO Coated Fogra27)

Na Slici 5. prikazan je raspored boja karte konvertovane sa ICM modulom i relativno-kolorimetrijskom obradom. I u ovom slučaju postoji tendencija povećanja vrednosti svetline i pomeranja tonova u neutral­nim tamnim partijama. Sa Slike 6. na kojoj je prikazana 2D projekcija Lab prostora boja uočene su identične promene kao i pri konverziji sa ACE modulom, s tim da su razlike u pomeranju ljubičastih tonova u ovom slučaju neznatno manje.

Slika 5. Prikaz rasporeda boja SG karte pri korišćenju relativno kolorimetrijske transformacije ICM modula (tonovi nakon konverzije sa kompenzacijom crne tačke prikazani punim nanosom, bez kompenzacije prikazani transparentnije)

Slika 6. Prikaz rasporeda boja SG karte na a-b osi pri korišćenju relativno kolorimetrijske transformacije ICM modula (tonovi nakon konverzije sa kompenzacijom crne tačke prikazani punim nanosom,bez kompenzacije prikazani transparentnije)

Pri konverziji različitih tipova fotografija i vizuelnim upoređivanjem razlika u prikazu dobijeni su rezultati prikazani u tabelama 1 i 2. Znakom “+” označeno je da je fotografija sa datim načinom obrade vernija reprezentacija izvorne fotografije (nekonvertovane fotografije u RGB prostoru boja). Znak nije dodeljen kod načina obrade kod kog razlika u prikazu fotografija nije vizuelno uočljiva.

Tabela 1. ACE modul Win XP OS         

                                     
Tabela 2. ICM modul Win XP OS

Kod perceptualne i obrade sa maksimalnim zasićenjem uglavnom nema razlike u prikazu boja, čime su potvrđeni rezultati dobijeni konverzijom test karte i posmatranjem rasporeda boja u Lab prostoru boja. Kod konverzija izvedenih sa relativno-kolorimetrijskom obradom bolji rezultati su dobijeni sa aktiviranom BPC opcijom, jer se na ovaj način čuvaju detalji u tamnim partijama. Razlike koje su vizuelnom evaluacijom primećene kod konverzije fotografija sa dominantnim svetlim tonovima, a koje se ogledaju u činjenici da je vernija reprodukcija slike u RGB prostoru boja postignuta bez korišćenja kompenzacije crne tačke može se objasniti rasporedom boja na fotografiji. Kompenzacija crne tačke u ovom slučaju pomera sve tonove na slici, a kako je malo tamnih tonova koji se mapiraju rezultat je reprodukcija koja u većoj meri odstupa od origi­nala. Ova odstupanja nisu velika, ali ukoliko se teži preciznosti prilikom reprodukcije, svakako bi trebala biti uzeta u obzir. Da bi se ova tvrdnja dokazala neophodno je izvršiti dodatna testiranja koja bi uključila konver­ziju većeg broja fotografija i upotrebu različitih profila.
U drugom delu testiranja pristupilo se upoređivanju ACE modula sa kompenzacijom crne tačke i Vistinog sistema za upravljanje bojom (WCS) koji prema dokumentaciji ima konstatno uključenu BPC opciju. Oba sistema transformacije su urađena na Windows Vista sistemu. Kao polazni profil je odabran wcsRGB prostor boja koji je šireg opsega od klasičnog sRGB prostora. Odabir ovog prostora boja je bio nužan zbog aktiviranja WCS sistema koji se uključuje isključivo pri radu sa novim Vistinim profilima. Na Slici 7. je prikazan je raspored boja karte konvertovane sa Vista CITE  i Adobe ACE modulom i relativno-kolorimetrijskom obradom. Na osnovu analize slike 7. može se primetiti da Vistin i Adobe-ev sistem daju slične pozicije boja nakon transformacije, sa tim da Vista daje blago svetlije tonove. Analizom hromatskih koordinata prikazanih na slici 8. se može primetiti da ACE daje neznatno manje zasićenje boje nego WCS transformacija. Identične razlike primećene su pri perceptualnoj i obradi sa maksimalnim zasićenjem. Na osnovu ovih zapažanja se može zaključiti da ACE sa uključenom kompenzacijom i WCS koji automatski ima uključenu tu opciju daju slične vrednosti transformacija.

Slika 7. Prikaz rasporeda boja SG karte pri korišćenju relativno kolorimetrijske transformacije ACE i WCS modula na Windows Vista operativnom sistemu (tonovi nakon konverzije sa ACE modulom prikazani punim nanosom, sa WCS modulom prikazani transparentnije)

Slika 8. Prikaz rasporeda boja SG karte na a-b osi pri korišćenju relativno kolorimetrijske transformacije ACE i WCS modula na Windows Vista operativnom sistemu (tonovi nakon konverzije sa ACE modulom prikazani punim nanosom, sa WCS modulom prikazani transparentnije)

Zaključak

Na osnovu prikazanih rezultata urađenih transformacija boja može se zaključiti da kompenzacija crne tačke nije efektivna kod svih tipova slika, pri čemu korisnost u većoj meri zavisi od izabrane namere prikaza, a manje od definisanog CMM-a. Najuočljivija razlika primećena je kod konverzija sa relativno-kolorimetrijskim načinom obrade, dok kod drugih namera prikaza efekat kompenzacije nije naglašen nezavisno od korišćenog CMM-a. Efekat kompenzacije crne tačke najviše je primetan u neutralnim tamnim tonovim i u tonovima koji su van opsega ciljnog profila. Samim tim, najveći efekat BPC opcija ima kod konverzije fotografija sa dominantnim tamnim tonovima i kod onih fotografija koje poseduju veliki broj informacija u tamnim partijama koje treba sačuvati prilikom konverzije. Aktiviranje BPC opcije kod slika sa dominantnim svetlim tonovima ne daje adekvatnu reprodukciju, pa bi pri konverzaciji ovih slika kompenzacija crne tačke trebala biti isključena. Kod svih drugih tipova slika i namera prikaza pokazalo se da su bolji rezultati postignuti ako je BPC opcija aktivirana prilikom konverzije.  Prilikom upoređivanja transformacija sa istim namerama prikaza između različitih CMM modula primećeno je da Adobe-ev ACE modul na Windows Visti sa uključenom kompenzacijom crne tačke daje slične rezultate kao Vistin WCS. Kod ACE i Microsoft-ovog ICM modula sa istim namerama prikaza na Windows XP operativnom sistemu su primećene manje razlike u odnosu na rezultate postignute na Visti.

Literatura

1. Adobe Systems Incorporated (2006). Adobe Systems’Implementation of Black Point Compensation.  http://www.color.org/AdobeBPC.pdf, 05.02.2009.
   
2. Anon, http://www.colorwiki.com/wiki/Vistas_New_Color_Management_System_-_WCS, 05.02.2009.
   
3. Anon, http://www.microsoft.com/whdc/archive/icmwp.mspx?pf=true#icmfig1 01.02.2009
   
4. Anon, http://download.microsoft.com/download/f/0/5/f05a42ce-575b-4c60-82d6 208d3754b2d6/ColorMgmt_Ecosystem.ppt 01.02.2009
   
5. Fraser, B., Murphy, C., Bunting,F.(2005). Real World Color Management. Berkeley: Peachpit Press, 2nd Ed.
   
6. Nate, J. (2004). ‘Black point compensation-Thumbs up or down?’, Newspapers and Technology Magazine, May 2004.  http://www.newsandtech.com/issues/2004/05-04/pt/05-04_blackpoint.htm, 06.02.2009.
   
7. Sharma, A. (2004). Understanding Color Management. New York: Thompson, Delmar learning