Przestrzeń barw i gamut – wstęp do reprodukcji barwy

Trochę o kolorach, które nie istnieją

Żyjemy w czarno białym świecie – stwierdzenie to nie jest figurą poetycką, lecz faktem naukowym. Widzenie barw jest zasadniczo sztuczką, którą płata nam nasz mózg. Proces ten uzależniony jest od indywidualnej percepcji wzrokowej każdego człowieka oraz od długości fali świetlnej, która dociera na naszą fotoczułą siatkówkę oka. Światło, które jest w „zasięgu naszego wzroku” stanowi raptem wycinek z całości spektrum fal elektromagnetycznych – ten ograniczony dla ludzkich fotoreceptorów przedział nazywamy widmem światła widzialnego, którego zakres wynosi od około 380 do 780 nanometrów. Oczywiście poza samym widmem, istnieją także inne rodzaje promieniowania elektromagnetycznego takie jak np. gamma, podczerwień czy fale radiowe, których jednak nie jesteśmy w stanie zobaczyć. W zasadzie, to nawet lepiej dla nas. Wyobraźcie sobie tylko sytuację, w której oko ludzkie byłoby wrażliwe na promieniowanie rentgenowskie – wówczas moglibyśmy zajrzeć do wnętrza każdego człowieka – i to w dosłownym znaczeniu tego słowa! Raczej trudno byłoby nam funkcjonować w takim świecie. Natura zadbała więc o to, aby nasza percepcja pozostała ograniczona.

Długości fal świetlnych w zakresie widma światła widzialnego determinują wrażenia barwne, które mózg każdego z nas kreuje w sposób indywidualny – dlatego barwa nie jest cechą światła samą w sobie, lecz sposobem w jaki oś oko-mózg interpretuje konkretną falę elektromagnetyczną. Świadomość tego procesu wyjaśnia, dlaczego kobiety postrzegają więcej barw niż mężczyźni – nie jest to żadna złośliwość, lecz fakt naukowy – aparaty percepcyjne w przypadku obu płci różnią się od siebie budową anatomiczną, która warunkuje wrażliwość na barwę. Podobną analogię można uczynić względem matryc światłoczułych w naszych kamerach i aparatach – to, w jaki sposób interpretują one światło, a więc barwę, uzależnione jest od ich indywidualnych specyfikacji. Nim jednak skupimy się na technicznych aspektach związanych z odwzorowaniem i wyświetlaniem barw na urządzeniach fizycznych, wróćmy jeszcze na chwilę do procesów zachodzących w ludzkim mózgu.

Proces widzenia

Wiemy już, że barwa jest wrażeniem uzależnionym od długości fali elektromagnetycznej oraz procesów psychofizjologicznych. Do dziś nie udało się ostatecznie ustalić, ile barw istnieje – ich liczba jest nieskończona i nieokreślona, tak samo jak nieskończone są możliwości budowy anatomicznej oka i mózgu, które determinują to, w jaki sposób postrzegamy barwy i ich zakres. Mechanizm percepcji barw przez człowieka jest więc procesem subiektywnym. Zależy nie tylko od konkretnej długości fali, ale także od okoliczności jej zarejestrowania, od stanu emocjonalnego obserwatora, jego wieku czy nawet kondycji zdrowotnej.

Proces powstawania barwy zaczyna się w oku – jest on możliwy dzięki pracy trzech grup fotoreceptorów tzw. czopków. Każda z grup jest odmiennie wrażliwa na różne długości fal świetlnych docierających na siatkówkę. Z tego powodu impulsy wysyłane do mózgu przez czopki również nie są takie same. Fotoreceptory wrażliwe na fale powyżej 700 nm wysyłają impuls, który mózg interpretuje jako czerwień. Wrażenie barwy zielonej powstaje w wyniku impulsu wywołanego falą powyżej 500 nm. Niebieski natomiast powstaje w wyniku pracy trzeciej grupy czopków wrażliwych na fale z przedziału około 450 a 500 nanometrów. Jeśli do oka dociera światło, które stanowi mieszaninę różnych długości fal, wówczas w mózgu tworzy się wrażenie barwy pośredniej. Jest ona równa proporcji 3 barw (wrażeń) podstawowych – czerwieni, zieleni oraz niebieskiego – stanowią one podstawę w trójstopniowej teorii postrzegania barw. 

Model ludzkiej percepcji barwy

Aby chociaż w małym stopniu okiełznać subiektywizm ludzkiej percepcji, postanowiono stworzyć ujednolicony standard postrzegania barw, który w późniejszym czasie znalazł swoje zastosowanie jako punkt odniesienia dla wszystkich urządzeń fizycznych. Raz zaprojektowany dla maszyny standard interpretacji barw nie ulegnie już zmianie, chyba że kolejna wersja danego urządzenia zostanie wzbogacona o jego bieżącą aktualizację. Z człowiekiem jest o tyle trudniej, że pracy jego mózgu nie da się trwale ująć w nawias – badacze David Wright oraz John Guild byli pierwszymi śmiałkami, którzy w latach 20-stych XX wieku próbowali obejść tę regułę. Ich badania przyczyniły się do powstania pierwszego modelu ludzkiej percepcji barwy.

Uproszczony wykres chromatyczności CIE xyY

Pierwszą na świecie ustandaryzowaną przestrzeń barw, tak zwaną CIEXYZ, utworzono w 1931 roku z inicjatywy Międzynarodowej Komisji Oświetleniowej (Comission Internationale de l'Eclairage). Ów standard, który obowiązuje do dziś, obiektywnie determinuje przestrzeń barw, która jest w zasięgu percepcji prawie każdego ludzkiego oka – celowo używam słowa „prawie każdego” ponieważ zdarzają się kompletnie odmienne interpretacje konkretnych fal elektromagnetycznych – medycyna nazywa ten przypadek daltonizmem. 

Standard CIEXYZ (1931), a dokładnie jego wersję dwuwymiarową – CIE xyY – przedstawia się najczęściej pod postacią trójkąta barw na wykresie chromatyczności, który w wersji 2D został naniesiony na układ współrzędnych. Kolorowe wnętrze zaznaczone na wykresie zawiera w sobie wszystkie barwy, które jest w stanie zobaczyć człowiek. Środkowy punkt wykresu nosi nazwę punktu bieli i jest on odpowiednikiem światła białego, powstałego na skutek zmieszania się wszystkich fal widma. Im bliżej punktu bieli znajduje się dana barwa, tym jej nasycenie ulega desaturacji – im dalej od punktu, tym barwa jest bardziej nasycona. Model CIEXYZ jest punktem odniesienia dla wszystkich innych utworzonych dotychczas standardów i co najważniejsze – jest on kompletnie niezależny od fizycznych urządzeń.

Gamut i przestrzeń barw – wyjaśniamy różnice

Jak już wiemy, prawidłowa reprodukcja barw jest kwestią bardzo problematyczną – z poziomu samej budowy oka, pracy mózgu, jak i możliwości odwzorowania barw przez konkretne urządzenia fizyczne, które różnią się od siebie elektroniczną techniką obrazowania.

W odniesieniu do możliwości reprodukcyjnych barw przez poszczególne modele sprzętowe, mówimy zasadniczo o 2 ważnych pojęciach, które określają stopień zaawansowania odwzorowania barwnego:

Przestrzeń barw (model barw) jest to zakres barw znajdujących się w spectrum fal elektromagnetycznych interpretowanych przez ludzkie oko. Dostępny dla nas zakres tego spektrum nazywamy widmem światła widzialnego. Istnieją także inne przestrzenie barwne, zawierające się w widmie, które zostały utworzone dla urządzeń fizycznych. Są to między innymi sRGB, Adobe RGB, ProPhoto RGB, Rec.709 (BT.709) czy DCI-P3. Ich skróconą charakterystykę znajdziecie w dalszej części artykułu.

Gamut to podzbiór barw wewnątrz przestrzeni barw ograniczony barwami podstawowymi – czerwienią, zielenią i niebieskim (RGB) – który może zostać zarejestrowany, zreprodukowany lub wyświetlony przez dane urządzenie fizyczne. Im większy gamut posiada dane urządzenie rejestrujące, reprodukujące lub wyświetlające, tym dokładniejsze jest odwzorowanie barw. 

Nie dysponujemy jednolitym systemem klasyfikacji kolorów. Istnieje natomiast bardzo wiele przestrzeni barwnych, które zostały utworzone na podstawie modelu CIEXYZ i które znalazły swoje zastosowanie w przemyśle filmowym, fotograficznym, graficznym czy drukarskim. Poniżej przedstawiamy ich skrócony opis.

Najbardziej upowszechnionym standardem jest obecnie model sRGB, którego stopień odwzorowania barw wynosi około 30 % w odniesieniu do widma światła widzialnego – to właśnie w tej przestrzeni wyświetlamy treści i materiały dostępne w Internecie. Ów standard został tak zaprojektowany, aby nawet bardzo kiepskie urządzenie było w stanie go odwzorować (wyświetlić). Filmowym odpowiednikiem sRGB jest przestrzeń barw Rec.709 (BT-709).

Świat jednak zmienia się dynamicznie, a potrzeby użytkowników ciągle wzrastają. Fakt ten powoduje, że sRGB przestaje być wystarczający – obecnie coraz więcej urządzeń mobilnych korzysta ze standardu DCI-P3, który pierwotnie powstał w świecie filmowym na potrzeby kinowych projektorów. Model ten odwzorowuje około 50 % barw z widma światła widzialnego i coraz bardziej upowszechnia się w wirtualnej rzeczywistości. 

Adobe RGB, który również odwzorowuje około 50 % barw w zakresu widma, jest przestrzenią rejestrowaną przez aparaty z wyższej półki cenowej, profesjonalne monitory graficzne oraz fotograficzne drukarki atramentowe. Przyglądając się natomiast przestrzeni ProPhoto RGB, której zakres odwzorowania jest wprost imponujący – aż 92 % – to możemy jednak zauważyć, że sporo zawartych w niej barw nie istnieje w naszej rzeczywistości – wykraczają one poza widmo światła widzialnego. Paradoksalnie, choć niedostępny dla naszych oczu, tak szeroki zakres barw przydaje się podczas profesjonalnych zabiegów postprodukcyjnych. 

Powyżej znajduje się uproszczony zakres gamut dla poszczególnych systemów kamerowych. Jak możemy zauważyć, wiele współczesnych gamutów zastosowanych w zaawansowanych urządzeniach filmujących wykracza poza widmo barw rejestrowanych przez ludzkie oko. Trójkątne zaznaczenia na wykresie znajdują się już częściowo w spektrum tych fal, których my ludzie nie jesteśmy w stanie zobaczyć. Szczególnie imponująco wypada zakres barw DaVinci Wide Gamut rejestrowany przez kamery z serii Blackmagic. Bardzo szerokim gamutem zastosowanym w niektórych aparatach i kamerach mogą także pochwalić się producenci Sony.

Szeroki zakres gamutu ma ogromne znaczenie w procesach posprodukcyjnych obejmujących colorgrading – im większe możliwości reprodukcyjne posiada dany sprzęt, tym większą rozpiętość barwną jesteśmy w stanie uzyskać kolorując nasz surowy materiał. 

Pokrycie i objętość gamutu monitora

W kontekście monitorów oraz ich zdolności do jak najbardziej szczegółowego wyświetlania barw na ekranie, warto zwrócić uwagę na dwie ważne kwestie w odniesieniu do gamutu danego urządzenia – jego pokrycia oraz objętości. Nie są to bowiem pojęcia tożsame, dlatego decydując się na zakup konkretnego modelu monitora, warto nie ulegać celowym chwytom marketingowym, które wprowadzają potencjalnych klientów w błąd. 

➡ Pokrycie gamutu monitora określamy w procentach w przedziale od 0 do 100 % maksymalnie. Pokrycie gamutu oznacza zdolność monitora do wyświetlania barw w ramach określonego modelu barw np. w przestrzeni barwnej sRGB, Adobe RGB, CMYK itd. Dla przykładu: załóżmy, że producent oferuje nam 100 % pokrycia sRGB. 100 % oznacza całościową reprodukcję barw w ramach określonego modelu barw (u nas jest to sRGB) i jest to wartość graniczna – więc jeśli natrafimy na informacje, że stopień pokrycia gamutu monitora wynosi przykładowo sRGB 125 % – będzie to błędem. To dodatkowe 25 % wychodzi poza ramy standardowej przestrzeni barw sRGB – a nie da się rozszerzyć tej przestrzeni nie ingerując w jej parametry. 

➡ Objętość gamutu monitora określamy również w procentach od 0 do nieskończoności. Jest to parametr, który informuje nas o tym, na ile rozmiar gamutu barw monitora zawiera się w rozmiarze określonego modelu barw. Co ważne, gamut barw monitora bez względu na wartość swojej objętości, może tylko w niewielkim stopniu pokryć się z określonym modelem barw. Dla przykładu: objętość gamutu monitora może wynosić 125 % sRGB, jednak tylko jego 90 % może pokryć model barw sRGB. 

Na załączonym powyżej przykładzie umieszczamy graficzne odwzorowanie pokrycia oraz objętości gamutu dowolnego monitora, aby wskazać wizualnie na dzielące je różnice. Załóżmy, że kupujemy dowolny model, którego producent deklaruje odwzorowanie barw o wartości 125 % sRGB. Jak już wiemy, jest to chwyt marketingowy, niezgodny z prawdą. Co jednak oznacza to w praktyce? Przestrzeń barwna sRGB została w naszym przykładzie ograniczona ramionami czarnego trójkąta i stanowi punkt wyjścia do odwzorowania barw przez urządzenie.

Z kolei gamut naszego monitora zaznaczyliśmy kolorem czerwonym. Jak widać gołym okiem, czerwony trójkąt jest większy od czarnego, jednakże nie pokrywa się on w całości z naszą przestrzenią sRGB, a jedynie z jej częścią – na naszej grafice jest to zamalowana na szaro przestrzeń – 90 % pokrycia – oznacza to, że pozostałe 10 % z przestrzeni barw sRGB jest dla naszego monitora niemożliwe do odwzorowania. Analizując naszą grafikę, możemy stwierdzić, że gamut naszego urządzenia (czerwony trójkąt) będzie uboższy o odwzorowanie barw z zakresu czerwieni i żółci, ale za to bogatszy o nasycenie zieleni – wskazuje na to górny wierzchołek czerwonego trójkąta wychodzący poza przestrzeń barw sRGB. A więc – nie jest możliwe odwzorowanie większej ilości barw niż 100 % z danej przestrzeni barwnej. W naszym przypadku wartość zwiększona o dodatkowe 25 % wskazuje na to, że objętość gamutu naszego monitora (w uproszczeniu: jego rozmiar) obejmuje również zdolność odwzorowania barw z innych przestrzeni barw, a nie tylko te znajdujące się w przestrzeni barw sRGB. 

Oczywiście istnieje też kilka innych aspektów, na które warto zwrócić uwagę przy wyborze monitora dostosowanego pod indywidualne potrzeby. Praktyczne wskazówki na ten temat znajdziecie w naszym obszernym blogowym poradniku, który porządkuje najistotniejsze informacje dotyczące specyfikacji sprzętowej monitorów. 

W jego pierwszej części przeczytacie między innymi o tym, jak w odpowiedni sposób zaaranżować Wasze stanowisko pracy, aby w stopniu jak najbardziej neutralnym wpływało ono na postrzeganie obrazu wyświetlanego na ekranie. W części drugiej przeczytacie o najważniejszych parametrach monitorów w kontekście pracy profesjonalnej. Część trzecia porusza temat rozdzielczości monitorów, natomiast część czwarta skupia się na kolejnych pojęciach wpływających na stopień zaawansowania technicznego poszczególnych modeli monitorów.