УДК 343.983.25

ОТТЕНОЧНЫЙ СДВИГ И ЯРКОСТНЫЙ КОНТРАСТ: ПАРАДОКСЫ PHOTOSHOP

Гребенюк Павел Евгеньевич1, Чмутин Алексей Михайлович2
1Волгоградский государственный университет, аспирант кафедры судебной экспертизы
2Волгоградский государственный университет, кандидат технических наук, доцент кафедры информационных систем и компьютерного моделирования

Аннотация
Рассмотрены суть, структура и атрибуты изобразительного контраста. Приведена физически обоснованная классификация его составляющих. Введено в рассмотрение математическое определение оттенка, графически определено понятие оттеночного контраста. На примере, выполненном средствами программного пакета Photoshop, показано, что сдвиг оттенка, не влияя на оттеночный контраст, спорадически меняет яркостный контраст изображения. Проведен сравнительный анализ эффективности яркостного контрастирования методом оттеночного сдвига и методом яркостно-контрастного преобразования. Предложен путь оттеночного контрастирования и обозначена актуальная сфера его приложений.

Ключевые слова: анализ изобразительной информации, контрасты, механизмы контрастирования, оттенок, сдвиг оттенка, экспертные приложения, яркостный контраст


HUE SHIFT AND BRIGHTNESS CONTRAST: PHOTOSHOP PARADOXES

Grebenyuk Pavel Evgenyevich1, Chmutin Aleksey Mikhailovich2
1Volgograd State University, post-graduate student of the court expertise department
2Volgograd State University, PhD, associate professor of the information systems and computer simulation department

Abstract
The essence, structure and attributes of graphic contrast are considered. Physically reasonable classification of its components is resulted. Mathematical definition of hue is entered into consideration; the concept of hue contrast is graphically defined. On an example executed by means of Photoshop software package, it is shown that hue shift, without influencing on hue contrast, sporadically changes brightness contrast of the image. The comparative efficiency analysis of brightness contrast variation by method of hue shift and by method of brightness-contrast transform is carried out. The way for hue contrast variation is proposed and the actual sphere of its applications is designated.

Keywords: brightness contrast, contrast control mechanisms, contrasts, expert applications, graphic information analysis, hue, hue shift


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Гребенюк П.Е., Чмутин А.М. Оттеночный сдвиг и яркостный контраст: парадоксы Photoshop // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 8 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/08/70870 (дата обращения: 20.11.2016).

Введение

Анализ информации – процесс системный. Поэтому применительно к информации изобразительной, сначала нам придется систематизировать категорию контраста, как предпосылки и меры информативности изображения [1]. Отвергая сумбурность Википедии [2], где смешаны и понятия контраста, и характеристики, мы утвердились на фундаментальности классического определения Брокгауза [3] «Контрасты световые. – В основе относящихся сюда явлений лежит сопоставление в нашем сознании двух однородных зрительных впечатлений …». В такой трактовке самой детальной остается признать классификацию контрастов, введенную Иттеном [4]. Семь его психофизиологических типов

- контраст цветовых сопоставлений,

- контраст светлого и темного,

- контраст холодного и теплого,

- контраст дополнительных цветов,

- симультанный контраст,

- контраст цветового насыщения,

- контраст цветового распространения

для целей настоящей работы были в итоге редуцированы до трех, определимых физически, – яркостного и двух цветовых (контрастов оттенка, или цветового тона, и насыщенности).

Отталкиваясь от такой системы контрастов, перейдем в рамках виртуально-оптической методологии к программным инструментам контрастирования, памятуя, что с их помощью любой контраст (и, как следствие, информативность) цифрового фотографического изображения можно менять как после, так, иной раз, и до съёмки. Подчас при программной обработке цветных снимков удается локально изменить контраст вплоть до полной потери тех или иных деталей изображения – эффект демонстрируется на рис. 1.

Рис. 1. Сверху – исходное изображение, снизу – результат воздействия программного инструмента <Hue> по уровню –160°.

Здесь мы намеренно рассматриваем не наиболее востребованное с точки зрения информативности изображения повышение контраста, а его понижение практически до нуля: глаз более чувствителен к утрате контраста, чем к его, хотя бы и заметному росту.

Видимый результат достигнут, однако, применением отнюдь не предназначенных для контрастирования программных инструментов (как, например, <Contrast>, <Saturation> и т.д. – в богатейшей на сегодняшний день номенклатуре Photoshop средств для этого вполне достаточно). Подавление контраста реализовано инструментом <Hue>. Парадокс состоит в том, что <Hue> предполагает всего лишь одинаковое изменение оттенка у всех пикселей изображения (сдвиг). Сам по себе механизм оттеночного сдвига не требует особых доказательств: сдвиг и наблюдается в соответствующем окне последних версий Photoshop, и поясняется в мануале [5]. Такой сдвиг не способен изменить оттеночный контраст фрагментов изображения в принципе, – он его на рис. 1 и не меняет. Хотя, к примеру, в работе [6] утверждается, что «изменения цветового тона … способствует увеличению цветового контраста» – список встречающихся в прикладной оптической литературе неоднозначностей можно было бы и продолжить.

Цель исследования

Таким образом, цель настоящей работы – разобраться с вопросом, который из контрастов столь заметно (рис. 1, иллюстрирующий как раз такой случай, в протяженных комментариях не нуждается) меняет программный инструмент <Hue>? Ведь контрасты могут и, как правило, имеют разную природу, т.е. несут различную информацию. Неплохо было бы также оценить контрастирующую способность данного инструмента.

Материал и методы исследования

Для разрешения поставленного вопроса нам придется, воспользовавшись устоявшимися в программной графике определениями [7] яркости

, где  ,      (1)
и насыщенности

,  где      (2)
ввести с их помощью в рассмотрение строго математическое определение оттенка как предела цветовых координат при устремлении яркости и насыщенности к максимуму [8]:
, где  .    (3)
Здесь мы обозначили яркость через Y, чтобы избежать путаницы с синей цветовой координатой B, а под КЗ и C понимаются яркостные коэффициенты. Собственно оттенками и образуется фигура, весьма некорректно, поименованная цветовым колесом (правильнее было бы говорить об оттеночном колесе). Эта фигура, введенная в рассмотрение еще Ньютоном, позднее уточнявшаяся Рунге, Освальдом, etc., [9] в своем современном представлении иллюстрируется рис. 2. В колориметрии принято относить цветовое колесо к координатной системам HSB, HSV, HSI или HSL, поэтому на круге каждому из шести наиболее утилитарных оттенков мы поставили в соответствие набор RGB координат. В свою очередь, контраст двух оттенков характеризуется удалением одного оттенка от другого, отсчитанным по той или иной круговой шкале, совмещаемой с цветовым колесом. При этом своего наибольшего возможного значения оттеночный контраст достигает в диаметрально противоположных точках окружности, как, например, между зеленым (green) и пурпурным (magenta) оттенками. В единицах RGB этот максимум взаимного удаления составляет 766.

Рис. 2. Цветовое колесо (color wheel).

Нетрудно заметить, что части цветового колеса, показанного на рис. 2, неодинаковы по яркости: желтые, например, ярче синих, причем эффект этот имеет место при любом известном соотношении яркостных коэффициентов в выражении (1), обычно именуемом яркостным уравнением. Таким образом, сдвиг оттенка хроматической детали изображения по цветовому колесу может привести к девиации его яркости по сравнению с соседствующей ахроматической деталью изображения, изменяя тем самым яркостный контраст этих деталей. Такая же яркостная девиация возникнет и у любого цвета, имеющего данный оттенок, и точно так же это скажется на соответствующем яркостном контрасте.

Исследуем это изменение яркостного контраста на примере. Объект – трехцветный (черно-желто-белый) национальный флаг Российской империи – выберем исходя из тех соображений, чтобы его цвета были хорошо известны читателю.

Рис. 3. Слева – исходное изображение флага, справа – после сдвига оттенка на пол-оборота по цветовому колесу.

На исходной картине максимальный яркостный контраст наблюдается между средним и верхним полями, а на обработанной – между средним и нижним. Это тем более проявляется в черно-белом отображении (снизу на рис. 3 оно приведено именно для наглядности). Иначе говоря, из-за оттеночного сдвига имеет место перемещение наиболее заметного контраста с одной пары фрагментов на другую – изобразительная информация изменилась, в этом можно визуально удостовериться, например, сравнивая результат с оригиналом в изрядной темноте.

Теперь оценим на иллюстрируемом рис. 3 примере предельно достижимое изменение яркостного контраста при вариации оттенка. Поскольку сдвиг оттенка на ахроматические (черный и белый) цвета не действует по определению, применим предельный переход (3) только к цвету среднего (желтого R=255, G=205, B=51) поля флага. В результате получим его оттенок (R=255, G=191, B=0). Значения цветовых координат показывают, что в данном примере наибольшее изменение яркости лежит на пути ее уменьшения. Сдвинув желтый оттенок по колесу против часовой стрелки так, чтобы G обратилась в 0, получим новый оттенок – синий (R=0, G=0, B=204). Наконец, от полученного оттенка возвратимся к цвету среднего поля: R=51, G=51, B=255, – насыщенность при этом вернётся к исходной по (2).

Результаты исследования и их обсуждение

Посчитаем яркости исходной желтой и обретённой синей полос. Результаты расчетов сведем в табл. 1.

Таблица 1. Яркости

Яркостные коэффициенты уравнения (1)

Источник

Исходная яркость среднего поля

Новая яркость среднего поля

К=0,333; З=0,333; С=0,333

Теория

(энерг. фотометрия)

Y=170

Y’=119

К=0,177; З=0,812; С=0,011

Теория

(визуал. фотометрия)

Y=212

Y’=53

К=0,299; З=0,587; С=0,114

ITU-R BT.601 (NTSC, 1953)

Y=202

Y’=74

К=0,223; З=0,706; С=0,071

EBU Tech.3213-E

(PAL/SECAM, 1970)

Y=204

Y’=66

К=0,212; З=0,701; С=0,087

RP145-2004

(SMPTE-C, 1987)

Y=202

Y’=69

К=0,213; З=0,715; С=0,072

ITU-R BT.709

(HDTV, 1990)

Y=205

Y’=65

К=0,299; З=0,591; С=0,110

Программы Adobe

(по умолчанию)

Y=203

Y’=73

Очевидно, при восьмибитном представлении цвета яркости ахроматических полей равны 0 (черного) и 255 (белого). Симптоматично, что все исходные яркости хроматического поля лежат в верхней половине диапазона [0, 255], а новые – в нижней. Соответственно, его видимый яркостный контраст с черным и белым полями представлен в табл. 2.

Таблица 2. Яркостные контрасты

Яркостный контраст среднего поля

С верхним полем

С нижним полем

До сдвига оттенка

170

212

202

204

202

205

203

85

43

53

51

53

50

52

После сдвига оттенка

119

53

74

66

69

65

73

136

202

181

189

186

190

182

Приращение

–30%

-75%

–63%

–68%

–66%

–68%

-64%

+60%

+370%

+242%

+271%

+251%

+280%

+250%

Цифры показывают, что такое контрастирование много менее эффективно, нежели реализуемое с помощью яркостно-контрастного преобразования, подробно описанного в [10], где приращения могут превышать 25 000%. И, хотя программный инструмент <Hue> не отягощен погрешностями (присущими «яркостному» инструментарию не только Photoshop, но и всей современной компьютерной графики [11]), его применение ухудшает изображение, если не с точки зрения информативности, то с точки зрения адекватного восприятия (и, как следствие, доказательности). С заменой цвета утрачивается доказательная ценность изобразительной информации.

Таким образом, используя далеко не все возможности яркостного контрастирования, инструмент <Hue> не привносит и контраста оттеночного, что снижает его действенность в деле повышения информативности изображений.

Выводы и заключение

Исходя из обозначенной в преамбуле задачи систематизации контрастов, по результатам работы можно генерализовать следующий вывод: оттеночный сдвиг, никак не изменяя оттеночный контраст изображения, спорадически воздействует на его яркостный контраст. Последнее обусловлено яркостной неравномерностью представления оттенков на колесе, и не может быть отнесено к алгоритмическим погрешностям Photoshop. С точки зрения информативного восприятия света это системный недостаток RGB-представления цвета в компьютерной графике.

Как следствие, предположим особый интерес поварьировать для повышения информативности изображения контраст оттеночный, а не яркостный. Путь реализации оттеночного контрастирования представляется весьма похожим на яркостно-контрастное преобразование – это пропорциональное удаление от опорной точки всех оттенков изображения. Именно на этом пути лежит реализация эффективного разделения исходно неразличимых глазом фрагментов изображения по оттенку. А вариация цветовых контрастов подчас оказывается ещё и единственно возможной, например, в экспертных приложениях [12], где по процессуальным соображениям итоговой процедурой для получения криминалистически значимой информации практикуется исключительно визуальный анализ фотоматериала.

В заключение отметим, что применительно к решаемой задаче все преобразования проводились в RGB Mode. Анализ работы контрастирующего инструментария в Lab Mode даёт не менее парадоксальные результаты, но он сложнее, – тому будет посвящена отдельная статья.


Библиографический список
  1. Боровкова А.О., Чмутин А.М. Управление яркостью изображений в фотографии, в телевидении, в компьютерной графике. Часть 1. // Интернет-вестник ВолгГАСУ. 2013. №1(20). 6 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.vestnik.vgasu.ru (дата обращения: 05.07.2016).
  2. Контраст. // Википедия. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 06.07.2016).
  3. Контрасты. // Энциклопедическiй словарь. В 86 т. Т. 16(31). / Под ред. К.К. Арсеньева и Θ.Θ. Петрушевскаго. – СПб.: Изд. Ф. Брокгаузъ и И. Ефронъ, 1895. С. 110.
  4. Иттен И. Искусство цвета. Изд. 6-е. – М.: Изд. Д. Аронов, 2010. 96 с.
  5. Dayley L., Dayley B. Photoshop CS5 Bible. – Indianapolis: Wiley, 2010. 1042 p.
  6. Четверкин П.А. Методы цифровой обработки слабовидимых изображений при технико-криминалистической исследовании документов. – М.: ЮРЛИТИНФОРМ, 2009. С. 147.
  7. Ежова К.В. Моделирование и обработка изображений: Учебное пособие. – СПб.: НИУ ИТМО, 2011. 93 с.
  8. Гребенюк П.Е., Чмутин А.М. Информативность изображений – оттеночный сдвиг versus оттеночный контраст. Тр. конф. «Лазеры. Измерения. Информация». – СПб.: СПбГПУ, 2014. С. 69-70.
  9. Gerritsen F. Evolution in color. – West Chester: Schiffer, 1988. 88 p.
  10. Боровкова А.О., Рвачева О.В., Чмутин А.М. Управление яркостным контрастом: от телевидения к компьютерной графике. // Журнал радиоэлектроники. 2012. №2. 10 с. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:http://jre.cplire.ru/jre/feb12/7/text.pdf (дата обращения: 05.07.2016).
  11. Рвачева О.В., Стрюкова А.О., Чмутин А.М. Яркостное преобразование и цветовой сдвиг: проблемы Microsoft, Corel, Adobe, etc// Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2010. №10. С. 32-38.
  12. Андронова Н.Е., Рвачева О.В., Чмутин А.М. О повышении информативности изображений методом цветового контрастирования. // Тр. 17 Междунар. конф. «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». – Новороссийск: КубГУ, 2009. С. 108.


Все статьи автора «strat01»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация