Stupně šedi - Grayscale

V digitální fotografii , počítačově generovaného metafor a kolorimetrii , je ve stupních šedi jako je ten, ve kterém hodnota každého pixelu je jediný vzorek představující pouze částku ve světle ; to znamená, že nese pouze informace o intenzitě . Obrázky ve stupních šedi, jakési černobílé nebo šedé jednobarevné , jsou složeny výhradně z odstínů šedé . Kontrast se pohybuje od černé na nejslabší intenzitou bílá na nejsilnější.

Obrázky ve stupních šedi se liší od jednobitových bi-tonálních černobílých obrazů, což jsou v kontextu počítačového zobrazování obrázky pouze se dvěma barvami : černé a bílé (nazývané také dvouúrovňové nebo binární obrázky ). Obrázky ve stupních šedi mají mezi sebou mnoho odstínů šedi.

Obrázky ve stupních šedi mohou být výsledkem měření intenzity světla na každém pixelu podle konkrétní vážené kombinace frekvencí (nebo vlnových délek), a v takových případech jsou monochromatické, když pouze jedna frekvence (v praxi úzké pásmo frekvencí) ) je zajat. Frekvence mohou být v zásadě odkudkoli v elektromagnetickém spektru (např. Infračervené , viditelné světlo , ultrafialové záření atd.).

Kolorimetrické (nebo přesněji fotometrické ) ve stupních šedi je obraz, který má definovaný ve stupních šedi barevný prostor , který mapuje uložené hodnoty číselné vzorku k achromatický kanálu standardním barevném, který sám o sobě je založena na měřených vlastností lidského zraku .

Pokud původní barevný obrázek nemá definovaný barevný prostor, nebo pokud obraz ve stupních šedi nemá mít stejnou lidskou vnímanou achromatickou intenzitu jako barevný obraz, pak neexistuje žádné jedinečné mapování z takového barevného obrazu na obraz ve stupních šedi.

Numerická znázornění

Ukázkový obrázek ve stupních šedi

Intenzita pixelu je vyjádřena v daném rozsahu mezi minimem a maximem včetně. Tento rozsah je představován abstraktním způsobem jako rozsah od 0 (nebo 0%) (celková absence, černá) a 1 (nebo 100%) (celková přítomnost, bílá), přičemž jakékoli zlomkové hodnoty jsou mezi nimi. Tato notace se používá v akademických pracích, ale nedefinuje, co je „černá“ nebo „bílá“ z hlediska kolorimetrie . Někdy je měřítko obrácené, jako u tisku, kde numerická intenzita udává, kolik inkoustu je použito při polotónování , přičemž 0% představuje bílý papír (bez inkoustu) a 100% je plná černá (plný inkoust).

V oblasti výpočetní techniky, přestože stupně šedi lze vypočítat pomocí racionálních čísel , obrazové pixely jsou obvykle kvantovány, aby byly uloženy jako celá čísla bez znaménka, aby se snížilo požadované úložiště a výpočet. Některé rané monitory ve stupních šedi mohou zobrazit pouze až šestnáct různých odstínů, které by byly uloženy v binární formě pomocí 4 bitů . Dnes se však obrázky ve stupních šedi (například fotografie) určené pro vizuální zobrazení (na obrazovce i v tištěné podobě) běžně ukládají s 8 bity na vzorkovaný pixel. Tato hloubka pixelu umožňuje zaznamenat 256 různých intenzit (tj. Odstínů šedé) a také zjednodušuje výpočet, protože ke každému vzorku pixelu lze přistupovat jednotlivě jako jeden celý bajt . Pokud by však tyto intenzity byly rozmístěny rovnoměrně v poměru k množství fyzického světla, které v daném pixelu představují (nazývá se lineární kódování nebo měřítko), rozdíly mezi sousedními tmavými odstíny by mohly být docela patrné jako pruhové artefakty , zatímco mnoho světlejších odstínů by bylo „zbytečné“ zakódováním mnoha vjemově nerozlišitelných přírůstků. Proto jsou odstíny místo toho typicky rozloženy rovnoměrně na gama komprimovaném nelineárním měřítku , které lépe aproximuje jednotné vjemové přírůstky pro tmavé i světlé odstíny, což obvykle činí těchto 256 odstínů dost (jen stěží), aby se zabránilo znatelným přírůstkům.

Technická použití (např. V lékařském zobrazování nebo v aplikacích dálkového průzkumu ) často vyžadují více úrovní, aby bylo možné plně využít přesnost senzoru (obvykle 10 nebo 12 bitů na vzorek) a omezit chyby zaokrouhlování při výpočtech. Šestnáct bitů na vzorek (65 536 úrovní) je často vhodnou volbou pro taková použití, protože počítače efektivně spravují 16bitová slova . TIFF a PNG (mimo jiné), obrazové formáty podporuje 16bitové stupně šedi nativně, když prohlížeče a mnoho zobrazovací programy mají tendenci ignorovat nižšího řádu 8 bitů každého pixelu. Interně pro výpočet a pracovní úložiště software pro zpracování obrazu obvykle používá celá čísla nebo čísla s plovoucí desetinnou čárkou o velikosti 16 nebo 32 bitů.

Převod barev na stupně šedi

Převod libovolného barevného obrázku na stupně šedi není obecně ojedinělý; různá váha barevných kanálů efektivně představuje účinek fotografování černobílých filmů s různobarevnými fotografickými filtry na fotoaparáty.

Kolorimetrická konverze (zachovávající jas jasu) na stupně šedi

Běžnou strategií je použít principy fotometrie nebo v širším smyslu kolorimetrie k výpočtu hodnot ve stupních šedi (v cílovém barevném prostoru ve stupních šedi) tak, aby měla stejnou svítivost (technicky relativní jas) jako původní barevný obraz (podle barevného prostoru) ). Kromě stejné (relativní) jasu, tato metoda také zajišťuje, že oba obrazy budou mít stejnou absolutní svítivost při zobrazení, jak může být měřena pomocí nástroje ve svých SI jednotkách cd na čtvereční metr , v jakékoli dané oblasti obrazu, dané stejné bílé body . Samotná svítivost je definována pomocí standardního modelu lidského vidění, takže zachování jasu v obraze ve stupních šedi také zachovává další měřítka vnímání světlosti , jako je L ^* (jako v barevném prostoru CIE L ab 1976 ), který je určen lineární svítivostí Y samotný (jako v barevném prostoru CIE 1931 XYZ ), který zde budeme označovat jako _lineární Y, abychom předešli nejasnostem.

Chcete-li převést barvu z barevného prostoru na základě typického gama komprimovaného (nelineárního) barevného modelu RGB na zobrazení jeho jasu ve stupních šedi, je třeba nejprve odstranit funkci gama komprese pomocí gama expanze (linearizace), aby se obraz transformoval na lineární RGB barevný prostor, aby bylo možné na lineární barevné složky ( ) vypočítat příslušný vážený součet ( ) pro výpočet lineárního jasu Y _lineárního , který pak může být znovu gama komprimován zpět, pokud má být výsledek šedé stupnice také zakódován a uložen v typickém nelineárním barevný prostor. ${\ displaystyle R _ {\ mathrm {linear}}, G _ {\ mathrm {linear}}, B _ {\ mathrm {linear}}}$

Pro společný barevný prostor sRGB je gamma expanze definována jako

${\ Displaystyle C _ {\ mathrm {linear}} = {\ begin {cases} {\ frac {C _ {\ mathrm {srgb}}} {12.92}}, & {\ text {if}} C _ {\ mathrm {srgb }} \ leq 0,04045 \\\ vlevo ({\ frac {C _ {\ mathrm {srgb}} +0,055} {1,055}} \ right)^{2,4}, & {\ text {else}} \ end {cases} }}$

kde C _srgb představuje kteroukoli ze tří gama komprimovaných primárních sRGB ( R _srgb , G _srgb a B _srgb , každá v rozsahu [0,1]) a C _lineární je odpovídající hodnota lineární intenzity ( R _lineární , G _lineární , a B _lineární , také v rozsahu [0,1]). Poté se lineární jas vypočítá jako vážený součet tří hodnot lineární intenzity. SRGB barevný prostor je definován v podmínkách CIE 1931 lineární jasu Y _lineární , což je dáno

${\ displaystyle Y _ {\ mathrm {linear}} = 0,2126R _ {\ mathrm {linear}}+0,7152G _ {\ mathrm {linear}}+0,0722B _ {\ mathrm {linear}}}$.

Tyto tři konkrétní koeficienty představují vnímání intenzity (jasu) typických trichromatických lidí ve světle přesné Rec. 709 aditivních primárních barev (chromatičností), které se používají při definici sRGB. Lidské vidění je nejcitlivější na zelenou, takže má největší hodnotu koeficientu (0,7152) a nejméně citlivou na modrou, takže má nejmenší koeficient (0,0722). Ke kódování intenzity šedé stupnice v lineárním RGB lze každou ze tří barevných složek nastavit tak, aby se rovnala vypočtené lineární svítivosti (nahrazením hodnotami, aby se získala tato lineární stupnice šedé), která pak obvykle potřebuje být komprimována gama, aby se vrátila ke konvenčnímu -lineární reprezentace. Pro sRGB je pak každé z jeho tří primárních hodnot nastaveno na stejnou gama komprimovanou Y _srgb danou inverzí k gamma expanzi výše jako ${\ displaystyle Y _ {\ mathrm {linear}}}$${\ displaystyle R _ {\ mathrm {linear}}, G _ {\ mathrm {linear}}, B _ {\ mathrm {linear}}}$${\ displaystyle Y _ {\ mathrm {linear}}, Y _ {\ mathrm {linear}}, Y _ {\ mathrm {linear}}}$

${\ Displaystyle Y _ {\ mathrm {srgb}} = {\ begin {cases} 12,92 \ Y _ {\ mathrm {linear}}, & {\ text {if}} Y _ {\ mathrm {linear}} \ leq 0,0031308 \\ 1,055 \ Y _ {\ mathrm {linear}}^{1/2,4} -0,055, & {\ text {else}} \ end {cases}}}$

Protože tři složky sRGB jsou si pak rovny, což naznačuje, že se ve skutečnosti jedná o šedý obraz (nikoli barevný), je nutné tyto hodnoty uložit pouze jednou a tomu říkáme výsledný obraz ve stupních šedi. Takto bude normálně uložen v obrazových formátech kompatibilních s sRGB, které podporují jednokanálové zobrazení ve stupních šedi, například JPEG nebo PNG. Webové prohlížeče a další software, který rozpoznává obrázky sRGB, by měl pro takové obrázky ve stupních šedi vytvářet stejné vykreslování, jako by to mělo pro „barevný“ obrázek sRGB se stejnými hodnotami ve všech třech barevných kanálech.

Kódování Luma ve video systémech

U obrazů v barevných prostorech, jako je Y'UV a jeho příbuzní, které se používají ve standardních barevných televizních a video systémech, jako jsou PAL , SECAM a NTSC , se nelineární složka Luma ( Y ' ) vypočítá přímo z primárních intenzit komprimovaných gama jako vážený součet, který, i když to není dokonalá reprezentace kolorimetrické svítivosti, lze vypočítat rychleji bez gama expanze a komprese použité ve fotometrických/kolorimetrických výpočtech. V modelech Y'UV a Y'IQ používaných PAL a NTSC je komponenta rec601 luma ( Y ' ) vypočítána jako

${\ displaystyle Y '= 0,299R'+0,587G '+0,114B'}$

kde používáme prime k odlišení těchto nelineárních hodnot od nelineárních hodnot sRGB (diskutovaných výše), které používají poněkud odlišný vzorec gama komprese, a od lineárních složek RGB. Standard ITU-R BT.709 používaný pro HDTV vyvinutý společností ATSC používá různé barevné koeficienty a vypočítává komponentu luma jako

${\ displaystyle Y '= 0,2126R'+0,7152G '+0,0722B'}$.

Ačkoli se jedná o numericky stejné koeficienty používané ve výše uvedeném sRGB, účinek je odlišný, protože zde jsou aplikovány přímo na hodnoty komprimované gama spíše než na linearizované hodnoty. Standard ITU-R BT.2100 pro HDR televizi používá ještě různé koeficienty a vypočítává komponentu luma jako

${\ displaystyle Y '= 0,2627R'+0,6780G '+0,0593B'}$.

Normálně jsou tyto barevné prostory před vykreslováním pro prohlížení transformovány zpět na nelineární R'G'B '. Pokud zůstane dostatečná přesnost, lze je pak přesně vykreslit.

Pokud je však místo toho použita přímo luminiscenční složka Y 'přímo jako zobrazení barevného obrazu ve stupních šedi, jas není zachován: dvě barvy mohou mít stejnou luma Y', ale odlišnou CIE lineární svítivost Y (a tedy odlišnou nelineární Y _srgb, jak je definována výše), a proto se typickému člověku jeví tmavší nebo světlejší než původní barva. Podobně dvě barvy, které mají stejnou svítivost Y (a tedy stejnou Y _srgb ), budou mít obecně různé luma podle kterékoli z výše uvedených definic Y ' luma.

Stupně šedi jako jednotlivé kanály vícekanálových barevných obrázků

Barevné obrázky jsou často postaveny z několika skládaných barevných kanálů , z nichž každý představuje úrovně hodnot daného kanálu. Například RGB obrazy jsou složeny ze tří nezávislých kanálů pro červené, zelené a modré primární barvy složek; Obrázky CMYK mají čtyři kanály pro azurové, purpurové, žluté a černé inkoustové destičky atd.

Zde je příklad rozdělení barevného kanálu na plný barevný obraz RGB. Sloupec vlevo zobrazuje izolované barevné kanály v přírodních barvách, zatímco vpravo jsou jejich ekvivalenty ve stupních šedi:

Složení RGB ze tří obrázků ve stupních šedi

Možný je také opak: vybudovat plnobarevný obraz z jejich oddělených kanálů ve stupních šedi. Namícháním kanálů, použitím ofsetů, otáčení a dalších manipulací lze dosáhnout uměleckých efektů namísto přesné reprodukce původního obrazu.

Režimy šedé

Některé operační systémy nabízejí režim ve stupních šedi. Může být vázán na klávesovou zkratku nebo může být programovatelný.

Do některých prohlížečů je také možné nainstalovat rozšíření režimu ve stupních šedi.

Viz také

• Kanál (digitální obrázek)
• Půltón
• Duotone
• Falešná barva
• Sépiový tón
• Kyanotypie
• Morfologické zpracování obrazu
• Mezzotint
• Seznam monochromatických a RGB barevných formátů - část Monochromatické palety
• Seznam softwarových palet - sekce palet barevných přechodů a palet falešných barev
• Achromatopsie , úplná barevná slepota , při níž je vidění omezeno na stupně šedi
• Zónový systém

Reference