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 К, З 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

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

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.

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»