彩色打印的色彩表現與色再現技術

相信不少人經常會覺得數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，以及每一種相關影像產品本質上的差異，并針對“色再現”技術來進行說明。
高分辨率數碼相機所拍攝的影像，通過彩色打印機來打印，相信大多都會遇到這樣的情況--拍攝的云彩、森林偏色且略顯泛白。但這些可以通過適當變更設定，打印效果也許在某種程度上會有一些改進，這也就是說，如果能將數碼相機與打印機間的顏色標準適度地加以校正，是可以達到畫面重現要求的。不論是使用多數打印機產品內置的影像修正功能，還是數碼相機所提供的影像修正軟件，都能通過簡單的操作方式來完成。
采用這樣的修正方式，基本上還是根據使用者眼睛的真實、自然的感覺。也就是說，如果能將數碼相機、打印機與顯示器之間的“顏色特質”加以統一，便可以達到所需的要求。而在說明如何調整之前，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。
人類的眼睛辨識光與顏色的機構
對于靈魂之窗的眼睛來說，其實是將紫色到紅色之間的光線(約 380nm至770nm的波長)，分成“明度(value)”、“色相(hue)”與“彩度(chroma)”三個特質來感應。構造上，主要是利用位于眼睛內視網膜上呈馬賽克狀排列的“s錐體”、“m錐體”與“l錐體”三種視覺細胞來感應外部光的亮度與色彩。因為所感受的光波長(三原色)的不同，所以人眼才能清楚地辨識出各種顏色的不同。只不過由于數目上的不同，從比例上來講，每存在著一組s錐體，同時便擁有16組m錐體，32組l錐體，因此眼睛對于每種光波長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，考慮到眼睛的實際感受能力，就要修正三原色中個別色彩的強度。
此外，在眼睛的構造中，具有在光線不足情形下提供感應功能的桿體視覺細胞，在數目上約有1億3千萬組，比總數達7百萬組的s、m、l錐體多出很多。由于桿體細胞數目比較多，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，物體多會以黑白兩色來呈現。此外，眼睛對于亮度的感應較色彩更為靈敏，道理也是一樣的。
通過錐體與桿體所感測的亮度信息，如果能在視網膜內神經兩兩鄰接的細胞間，對亮度加以強調處理，眼睛的感應能力便更為敏銳。而且由于錐體的信號輸出是利用視網膜內的神經細胞，作為亮度與“紅-綠”、“黃-藍”之差，分信號來加以處理，因此，一般所進行的顏色處理上需置換為互補色，可將其稱為互補色效應。
由于錐體對r(紅)、g(綠)與b(藍)各原色的亮度感測能力 (分光感度)不同，如果將r設定為基準1，則與其它兩種顏色間形成了r:g:b=1:4.5907:0.0601 (稱為眼睛的亮度計數比例)。如果將此數值以定量化比例調整，便可以不受任何外在因素影響，形成以假設三原色(x、y、z)表示的cie (國際照明學會)表色系，這是一種可正式作為評量標準的色彩表現形式。在cie表色系中，能以3d坐標來顯示任何一種顏色，因此，如果將三原色信號(x、y、z)分別除以(x2+y2+z2)的開平方，便形成了(x，y，z)坐標，一般稱為色度坐標。如果利用最鮮明的顏色進行繪圖，就是利用不同的單色光波長值來進行x，y坐標繪圖，將人眼所看到的顏色范圍加以描繪，就會形成一種馬蹄形圖案(如“色度圖(由jis與cie色度圖所構成)”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，在常見的crt顯示器、液晶顯示器或打印機等多數與影像有關的產品中，對于顏色的定義與規范大多是采用這種圖表。也就是說，要先規范好人眼可視的顏色范圍，再決定產品所能呈現或支持的色彩空間。
通過構成光與顏色的三原色確定色彩空間的孟塞爾表色系
在談論三原色之前，需要先了解物體本身屬于發光源，產生的三原色為(rgb：紅、綠與藍)，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，人眼所感受到的風景或物體，大半是通過反射光源形成的。但是，如果是利用數碼相機拍攝風景或物體，則是利用ccd將物體的顏色變換為rgb，也就是轉換為顯示器能支持的三原色，而打印機則是將影像再轉換成物體顏色打印輸出。由此可以看出，電腦對影像的處理是在物體色與光源色間加以轉換。也就是說光源色的rgb系統與物體色的ymc系統間，能夠依照簡單的函數演算來變換。在一般常見的印刷輸出或影像處理中，還會在ymc系統內增加黑色，以提高混色后的色彩重現效果。
然而，假設由x、y與z坐標所形成cie表色系內的色空間，雖然與現有相關產品間無關連性，但是在實際應用上，眼睛辨識顏色時需要的是“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上的色調。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發現了這一現象，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。此后由美國照明協會，制訂了修訂版孟塞爾表色系，并計算出與x、y、z表色系坐標相對應的值。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)是根據經驗計算出的體系坐標，并非根據物理實質所形成。因此，如果要將顏色量化，就必須通過實際演算來得到。根據孟塞爾值所形成的色空間，可延伸定義出“lab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“lab色空間”中，能分別利用兩種不同顏色軸來計算，因此目前也已經被windows、macintosh等系統的色彩管理采用。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準配備，并提供了打印機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)制訂的標準化數據形式，只要產品內提供了此定義文件，彼此間便能進行色彩的正確轉換與結合。在不同外圍設備間，有關色彩定義都是通過“lab色空間”來處理，常見大多數產品在色空間上的轉換便是一例，而不同產品間“lab色空間”的轉換函數，其實也就是icc定義文件的真實面目。只要使用icc定義值，就能輕易地規范影像輸出人的表現，就目前來講，提供icc定義文件的產品數量雖然還不是很多，但相信未來icc定義文件的提供，將會成為使用者選購產品的重要依據。
通過分析能量分布狀態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行顏色識別，由于光源色的不同，觀察所得的物體顏色也會有所改變。而這里所說的色澤在物理上其實有明白的定義，通常是用色溫一詞來表示。
簡單地說，根據普朗克輻射定律(plankian radiator)的定義，假設一個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。當改變此物體的溫度時，其所釋放的光能分布也會隨之改變，因此就能夠將光源的色澤以量化方式加以定義了。例如在cie表色系中，便定義了多組標準光源值，其中最常使用的標準太陽光為6504k。
當使用者進行影像處理時，由于個人計算機所使用的顯示器色溫，所提供的色澤可變動的緣故，所以在使用時要加以注意。一般來說，為了適應喜好冷色系與較高清晰度的使用者，包括電視機等在內，市面上多是以 9300k為標準的顯示器產品。也就是說，此基準明顯地比cie表色系中的標準太陽光數值高，因此對于中上等的顯示器產品來說，多會額外提供將色溫調整至6500k的設定選項，這樣才能以接近自然色調的標準太陽光來顯示。這對于要求忠實呈現原物的照片或影像相關工作者而言，可以說這是不容或缺的重要設定模式。
如果使用者習慣9000k以上顯示的畫面，對于6500k左右的顯示模式會感覺整體畫面偏紅。所以忠實呈現畫面會因為使用者個人偏好而無法滿足每個人的需要，尤其是在不同環境下，所偏好的顏色呈現方式也可能有所差異。這樣便產生出“演色”的概念，就是“傾向于喜好顏色”的思考方向。
將喜好顏色重現演色與相關的修正方法
r．w．g． 漢特(hunt)在1970年，將色彩重現的目標區分為:“分旋光性色再現”、“測旋光性色再現”、“正確性色再現”、“相等性色再現”、“對應性色再現”與“喜好性色再現”等六種分類。“分旋光性色再現”中，即使外部照明(色澤)有所改變，物體的色再現其實并不會有所變動，所以實際，要達成此目標現今仍不可能。而“測旋光性色再現”與“正確性色再現”則是屬于量測儀器的色再現范疇內，對人眼的感應而言沒有多大實質意義。“相等性色再現”就如同從一片漆黑的觀眾席觀看明亮的舞臺，會出現色調偏白的現象，通過此特性去強調原有的彩度與對比，以展現原有效果。
至于“對應性色再現”則是使與原有亮度、光源不同的場所，或是在外部條件不同的情況下觀看畫面，將其恢復為原有色調的手法，最具代表性的范例莫過于電視機。“喜好性色再現”則是針對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境等，以此為目的來配合或支持顏色處理的手法。在實際運用中，其實反而常見于沖洗照片時，通過調整，以增減膚色的方式，以達到更為健康的效果，這可以算是通過“喜好性色再現”產生效果吧。還有，在拍攝照片時，經常使用增加演色性的濾色片或顏色鮮明的偏光鏡等相關的手法。
理論上，顏色的重現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，數碼相機的ccd、顯示器、彩色打印機與掃描儀彼此間的顏色重現性是無法以直線方式來加以表示的。因此如果要針對產品的目標特性來調整，需要先了解產品本身的色空間特征，將其轉換成虛擬的x y z色表系，換算為 lab色空間后，再求得所需相關函數的色差值，才能真正調整影像輸出入中所產生的色差現象。
常見的技巧之一就是利用y修正來完成。例如，將數碼相機所拍畫面，直接從顯示器上觀看，經常會發生暗部層次不正常的現象。此時，只要對影像文件進行y修正，就能在黑暗畫面中清楚地辨識出細微部分。所謂的y修正，其實是針對裝置的非直線特性(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輸出，便必須對所有裝置都以y修正，如此才能使打印機上狹窄的色再現特性在相關動態范圍內能以最好的效果呈現出來。
　 后語
　事實上，在以icc定義文件的色彩管理模式為主的使用環境中仍無法達到極佳的畫質與色再現性，尤其明顯的是色再現性上的表現十分不足。相比之下，現今常見的數碼相機搭配打印機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勢，所以數字攝影目前仍無法重現100％的彩色原始畫面，也是因為在模擬世界中有所謂的高柔軟性造成的。如果要重現原始畫面，最少要采用rgb三原色各擁有10位數據量的32位彩色系統。不過，位數增減并不能完全反應出模擬顯示的優點，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。當然，對于32位彩色系統，在此我們不再深談，但看來還要關注今后更新的發展趨勢。


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