13
Kleurigheid
wetenschap & onderzoek
Contrast Ter compensatie van een wellicht matig origineel zijn de meeste mensen wel gewend dat ze bij hun zwart-printer het contrast kunnen aanpassen voor een goed resultaat. Bij kleurenprinters is dat complexer, omdat ook kleurigheid een belangrijke rol speelt. Om dat proces te automatiseren, is het van belang om na te gaan wat de gemiddelde gebruiker goed noemt: beeldkwaliteit. Promovenda Judith Dijk zocht naar een maat voor beeldkwaliteit. Bij een van haar experimenten mochten proefpersonen kiezen uit deze plaatjes. Ze waren geordend naar contrast en kleurigheid. Het winnende beeld, tweede rij, derde van links, heeft een normale kleurigheid en iets hoger contrast.
Mooiere plaatjes Kleurenprinters leveren weliswaar steeds betere resultaten, maar fabrikanten houden zich toch voornamelijk nog bezig met trial-and-erroronderzoek. Onderzoekers van de vakgroep Patroonherkenning & Beeldbewerking van de TU Delft speuren naar een wetenschappelijke en algemenere kwaliteitsmaat voor de beoordeling van kleurenprints. Voor het eerst zijn die er ook in geslaagd om bij de voorbewerking van digitale beelden automatisch de essentiële beperkingen van een willekeurig afdrukapparaat mee te nemen. Dat kan voor bijvoorbeeld printers plaatjes opleveren die minder vlak in kleur worden weergegeven. delft
∫
i n t e g r a a l 2004.1
bennie mols
Naar een automatische kwaliteitsbeoordeling voor kleurenprints
14
Hoewel er veel onderzoek wordt gedaan naar de beeldkwaliteit van monitoren, geldt dat een stuk minder voor de resultaten van kleurenprinters. Mensen zijn prima in staat een kleurafdruk te beoordelen. En wanneer ze dat willen, kunnen ze de oorspronkelijke digitale afbeelding aanpassen met een beeldbewerkingprogramma om de kleurenkwaliteit te verbeteren. Dat is echter een tijdrovend proces. Het zou sneller en goedkoper zijn wanneer de computer al de kwaliteit van het beeld bepaalt en de benodigde aanpassingen doet bij de digitale opname, of zulke aanpassingen voorstelt aan de gebruiker. Daarvoor is dan wel een objectieve kwaliteitsmaat voor de kleurenprint nodig, gebaseerd op een wiskundig model. Die maat moet overeenkomen met hoe een gemiddelde beoordelaar de print zou beoordelen.
Nog een experiment. Ook hier waren proefpersonen verzocht aan te geven welk beeld uit de reeks ze het mooist vonden. De plaatjes zijn geordend naar scherpte en gladheid. Het winnende plaatje, onderste rij, derde van links, heeft iets overdreven scherpte en normale gladheid.
gladheid
wetenschap & onderzoek
Dat is echter gemakkelijker gezegd dan gedaan. Er zijn heel veel factoren die de beoordeling van een kleurenprint beïnvloeden: niet alleen het contrast, de kleurigheid en de scherpte, maar ook de inhoud van het beeld. Sommige beelden zijn druk, vol detail en vol contrasterende kleuren. Andere beelden zijn rustig, het contrast varieert nauwelijks en het bevat maar een paar verwante kleuren. Of iemand een print al dan niet als goed ervaart, hangt lang niet altijd af van het hele beeld. Soms is een klein maar belangrijk deel van de afbeelding bepalend. Allemaal redenen waarom zo’n objectieve kwaliteitsmaat niet bestaat. Ook een reden om wetenschappelijk te onderzoeken wat wel en niet mogelijk is bij de ontwikkeling van een automatische kwaliteitsmaat.
HyperPhysics (© c.r. nave, 2003
scherpte
Uitgangspunt voor het kleurenzien: de mens heeft drie soorten netvliescellen, iedere soort is gevoelig voor een stuk van het spectrum. De drie elkaar overlappende gevoeligheidspieken zijn: links groen via blauw tot blauw-paars, midden roodoranje via groen tot blauw, rechts rood via geel tot groen. Zelfs licht van precies een enkele golflengte stimuleert altijd twee soorten cellen. Een klap voor je hoofd (sterretjes zien) die een enkele
golflengte (nm)
zenuw zou prikkelen, geeft dan een zuiver zenuw-
Industriegeheimen ¶ Promovenda Judith Dijk heeft onder begeleiding van dr. Piet Verbeek afgelopen vier jaar onderzoek verricht naar de automatische beeldkwaliteit van afdrukken uit kleurenprinters. Het beeldbewerkingsgedeelte van het onderzoek voerde Dijk uit binnen de afdeling Patroonherkenning & Beeldbewerking van de faculteit Technische Natuurwetenschappen. De perceptieve kant van het promotie-onderzoek gebeurde op de afdeling Waarneming van tno-Technische Menskunde in Soesterberg, in samenwerking met dr. Jan Walraven. Daar werden ook de gebruikte kleurenprints gemaakt. Het hele onderzoek gebeurde verder in samenwerking met Océ in Venlo. Ideaal zou zijn wanneer een objectieve maat voor de beeldkwaliteit van een printerresultaat onderdeel uitmaakt van het programma dat de kleurenprinter aanstuurt. ‘Hoe het in de huidige aansturingprogramma’s gebeurt, weten we niet’, zegt Verbeek. ‘Dat zijn industriegeheimen. Er bestaan nu al aansturingsprogramma’s die voor kleurenplaatjes en voor tekst andere instellingen hebben. Waarschijnlijk gebruiken ze verschillende instellingen voor de scherpte, want het scherper maken van kleurenbeelden is veel lastiger dan van zwartwitbeelden.’ Dijk geeft het voorbeeld van een kleurenfoto die ze, aan het begin van haar onderzoek, als zwart-witafbeelding naar de kleurenprinter stuurde. Grijswaarden ¶ ‘De print bestond niet alleen uit grijswaarden, zoals ik verwachtte. Er zat tevens een beetje kleur bij. Misschien vindt de printerfabrikant dat het resultaat daar beter van wordt, maar als ik een printer de opdracht geef het plaatje in zwart-wit te printen, dan hoef ik die toegevoegde kleur niet. De meeste printers geven voor de gemiddelde gebruiker goede resultaten, maar we weten niet hoe ze tot stand komen. Voor mijn wetenschappelijk onderzoek, heb ik daar niets aan.’ Aan het begin van haar onderzoek gebruikte Dijk ook Adobe Photoshop om beelden te bewerken. Het eindresultaat was zeer goed, maar omdat er niet achter te komen viel hoe het tot stand kwam heeft ze daarna altijd zelf programma’s geschreven waarin ze de beelden op pixelniveau bewerkte. ‘Zo weet ik wél precies wat ik aan het doen ben.’ Proefpanels ¶ Dijk onderzocht bij de resultaten van kleurenprinters drie variabelen: scherpte, lichtheid en kleurigheid (ofwel chroma). Het laatste geeft aan of bijvoorbeeld de kleur rood echt zuiver rood is, of dat het een fletsere vorm van rood is, een of andere mengkleur. In het tweede geval is de kleurigheid dus minder dan bij het zuivere rood. Elk van deze variabelen kan worden uitgedrukt in een getal, soms ten opzichte van het oorspronkelijke digitale beeld, en soms als een maat van de kleurenprint zelf. Waar bij een zwart-witafbeelding alleen de grijswaarde per pixel wordt opgeslagen, worden bij een kleurenplaatje drie of meer waarden per pixel bewaard. Per experiment kregen panels van vier of acht proefpersonen een stapeltje kleudelft
∫
i n t e g r a a l 2004.1
signaal, een «zenuwkleur», zoals het indigo waarvan dichters dromen. Terwijl een monitor rood, groen en blauw licht in verschillende meng-verhoudingen optelt (additieve menging), gebeurt in drukwerk iets anders. Cyaan, magenta en geel doorlatende laagjes inkt komen over elkaar te liggen. Hierbij is doorlaatbaarheid bepalend: magenta bijv. laat 50% van het rode, 0% van het groene en 50% van het blauwe licht door. Geel laat 50% van het rode, 50% van het groene en 0% van het blauwe licht door. Voor twee lagen op elkaar moet je de doorlaatbaarheden vermenigvuldigen (multiplicatieve menging). Magenta op geel bijvoor-
cyaan magenta geel
beeld laat 0,5 x 0,5= 25% van het rode, 0 x o,5 = 0% van het groene 0,5 x 0= 0% van het blauwe licht
papier
door. Dat levert dus rood op.
Licht en kleuren Als we over licht spreken, bedoelen we meestal het licht dat onze ogen kunnen zien: zichtbaar licht. Dat is een klein deel van het volledige elektromagnetische spectrum. Licht wordt gekarakteriseerd door de frequentie. Hoe hoger de frequentie, hoe hoger de energie. Gammastralen hebben een hoge energie, radiogolven een lage. Daar tussenin ligt zichtbaar licht. Fysisch gezien is het wel allemaal dezelfde soort straling. Bij zichtbaar licht correspondeert de frequentie met een bepaalde kleur zoals het brein dat waarneemt. Golflengten van zichtbaar licht liggen tussen vierhonderd en zevenhonderd nanometer. Om een object te kunnen zien, moet het ofwel licht uitzenden ofwel (een deel van het) licht weerkaatsen. Wanneer licht op een object valt, kunnen er in principe een aantal dingen gebeuren: reflectie (zoals bij een spiegel), verstrooiing (reflectie in alle richtingen op een ruw oppervlak, bijvoorbeeld het oppervlak van een pagina papier), absorptie (het voorwerp neemt energie op; zwart neemt bijvoorbeeld alle golflengten van zichtbaar licht op, terwijl een groen blad van een boom blauw en rood licht absorbeert, maar groen reflecteert), breking (bijvoorbeeld een stok die in het water lijkt te buigen) en ten slotte doorgang zonder effect (transparantie). Het oog bevat drie typen kegeltjes met gevoeligheidspieken bij respectievelijk rood, groen en blauw (de primaire kleuren). Ons brein interpreteert de totale respons als een bepaalde kleur. Wanneer alle drie typen kegeltjes ongeveer gelijk reageren, zien we wit licht. Naast kegeltjes, heeft het oog ook nog een ander type cellen: staafjes. Staafjes zijn lichtgevoelig, maar kunnen geen kleuren onderscheiden. In de schemering kunnen we dankzij de kegeltjes wel nog vormen zien, maar nauwelijks kleuren. Waar een kleuren-tv en een kleurenmonitor de drie primaire kleuren rood, groen en blauw mengen tot andere kleuren, wordt in drukwerk en in fotografie een andere set van primaire kleuren gebruikt. De reden is dat kleurstoffen zich op een andere manier mengen dan gekleurd licht, omdat pigmenten hun kleur krijgen door reflectie in plaats van uitzending van licht. Drukwerk maakt gebruik van inktpuntjes met de kleuren CMYK, die vaak aan de onderzijde van een krantenpagina zijn te zien: Cyaan, Magenta, Yellow en Black (K).
wetenschap & onderzoek
15
renprints ter beoordeling. De proefpersonen ordenden de prints dan bijvoorbeeld in volgorde van toenemende scherpte, lichtheid of kleurigheid. Ook moesten ze aangeven wat ze zelf het beste resultaat vonden, zonder te weten hoe de oorspronkelijke digitale afbeelding eruitzag. Het gaat er om in hoeverre de afdruk voldoet aan de verwachting die de waarnemer van het beeld heeft. Als uitgangspunt nam Dijk vijf digitale foto’s die de printerindustrie zelf ook gebruikt, zogeheten standaard iso-foto’s. Het zijn een portretfoto, een foto van een terras, een typisch complexe stilleven-foto met een oude fiets, een foto van een fruitmand en een foto van een muzikantentrio, waarbij alle drie een andere huidskleur hebben. Alle vijf foto’s zijn voorbeelden van natuurlijke beelden. De foto’s betreffen 300 dpi in CMYK-formaat (Cyaan-Magenta-Yellow-Black: de vier drukkleuren die zowel in de offsetdrukkerij als bij kleurenprinters worden gebruikt). Ze zijn afgedrukt met een hp-laserjet (voor het scherpte-experiment) en een Epson-inktjetprinter (voor het kleurenexperiment) op een formaat van 12,8 x 16 centimeter. ‘Het zou best kunnen dat diagrammen of tekst iets andere eisen stellen aan de kwaliteitsmaat dan de huis-tuin-en-keuken-afbeeldingen die wij onderzochten’, zegt Verbeek. ‘De context van de afbeelding speelt ook altijd een rol. Dat maakt de ontwikkeling van één enkele kwaliteitsmaat ook zo moeilijk.’ De Delftse promovenda voerde experimenten uit met zowel scherpte, kleurigheid als lichtheid. Allereerst keek ze naar de invloed van scherpteveranderingen op het printerresultaat. Twee begrippen zijn hier belangrijk: opscherping en effening. Effening werkt op gebieden, terwijl het bij opscherping om de randen gaat. Neem de afbeelding van een groen varenblad. Dan werkt effening op het binnengebied van het blad. Opscherping beïnvloedt hoe mensen de rand van het blad zien. ‘Mijn programma kijkt voor ieder pixel of het verschil met zijn omgeving groter of kleiner wordt’, zegt de promovenda. ‘Wanneer het verschil toeneemt, denken we dat het om een rand gaat en doet het pixel mee aan de opscherping. Als het verschil afneemt, doet het mee aan de effening. Voor dit soort operaties heb ik bestaande filters gebruikt die ik in een eigen programma heb geïmplementeerd.’
Dijk maakte voor haar onderzoek gebruik van deze ISO-beelden. Dit soort beelden wordt door de grafische industrie als standaard gebruikt.
De xy-kleuren-«driehoek» zoals die sinds 1931 in
Lage effening, grote opscherping ¶ Dijk maakte variaties met zowel de opscherping als de effening en liet de printresultaten beoordelen door een proefpanel. ‘De proefpersonen moesten de resultaten ordenen op scherpte en effening. De conclusie is dat mensen goed in staat zijn om de verschillen te beoordelen. Hun waarneming kwam overeen met de criteria die ik heb gebruikt om scherpte en effening aan te passen. Niet geheel onverwacht hebben mensen een voorkeur voor een lage effening en een grote opscherping. Dan zien ze zowel de details in grotere gebieden als scherpe randen. In het algemeen vinden mensen een scherp plaatje mooier, tenzij het onnatuurlijk wordt.’ Mensen blijken verschillende graden van de effeningsmaat makkelijker te onderscheiden dan verschillende graden van de opscherpingsmaat. Het nog juist waarneembare verschil van de effeningsmaat moet daarom kleiner zijn dan het nog juist waarneembare verschil van de opscherpingsmaat. Toch betekenen deze resultaten niet dat er zomaar een formule bestaat die een kwaliteitsmaat voor de scherpte koppelt aan het oordeel van mensen. Dijk: ‘Ik weet dat er een dergelijke kwaliteitsmaat bestaat voor JPEG-afbeeldingen. Maar JPEG-afbeeldingen zijn altijd gecomprimeerd en dus altijd slechter dan het origineel. Wij willen juist geen verschil met de originele afbeelding. Hoewel een automatische kwaliteitsmaat voor JPEG-afbeeldingen dus eenvoudiger is, heeft een heel researchlab een aantal jaren gewerkt om die maat op te stellen. Dat geeft aan hoe lastig het is.’ Ook de inhoud van de foto bemoeilijkt zo’n maat. En zelfs binnen een foto kan het ene gebied belangrijk zijn dan het andere. Dijk: ‘Neem een portretfoto. Wanneer je de achtergrond van het gezicht onscherp maakt, vinden mensen dat niet erg. Maar als je de ogen onscherp maakt, wordt het erg storend. Het is onduidelijk hoe een computerprogramma de relevantie van verschillende subgebieden automatisch kan herkennen.’
gebruik is. De lichtheid blijft hier buiten beschouwing. Langs het «hoefijzer» liggen de xy-kleuren van precies een enkele golflengte: rechtsonder rood, middenboven groen, linksonder blauw. Een additief mengsel van twee xy-kleuren C1 en C2 komt overeen met een punt op de verbindingslijn C1C2. Blauw (ongeveer bij C1) en geel (ongeveer bij C2), tussen rood en groen mengt dit (de ronde stip). De zenuwsignalen (altijd positieve getallen) kunnen worden uitgezet langs assen P1, P2, P3. Dit heet de XYZ-ruimte. In de oorsprong (K) ligt zwart. Bij toenemende P1 neemt de lichtheid toe. De zichtbare kleuren (niet de droomkleuren) vullen een soort puntzak. Wordt de puntzak doorsneden met het scheve Mac Adam-vlak, dan ontstaat de xy-kleuren-driehoek uit de vorige figuur. Door een willekeurige xy-kleur in die driehoek kan een lijn uit K worden getrokken die dan alle versies van die kleur in toenemende lichtheid bevat. De gekleurde stippen KRGBCMYW geven de uiterste kleuren van een kleurenmonitor weer. Ze liggen op de hoekpunten
Iets meer kleuterkleuren ¶ De tweede onderzochte variabele was de kleur, in het bijzonder de kleur in verhouding tot veranderingen in de lichtheid en de kleurigheid. Bij het scherpte-experiment weten mensen goed waar ze op moeten letten (scherpte en gladheid) en werden de maten door de onderzoekers opgesteld. Bij het kleurexperiment werden de plaatjes volgens een vast stramien veranderd, maar is het voor mensen minder gemakkelijk te omschrijven waarop ze moeten letten. delft
∫
i n t e g r a a l 2004.1
van een scheef blok. De additieve monitor-mengsels vullen het blok. Dat zijn alle bereikbare monitorkleuren: het blok is de «gamut» van de monitor. Het blok snijdt de xy-kleurendriehoek in een kleinere driehoek.
wetenschap & onderzoek
16
Wordt groen (G) verbonden met zwart (K), dan liggen alle lichtheidsversies van dat groen op KG. Wanneer G met W wordt verbonden, dan liggen alle kleurigheidsversies van dat groen op WG. Het vlak GKW bevat alle lichtheid-kleurigheidscombinaties voor de kleur G. Zo’n vlak wordt door Dijk een «vlag» genoemd (waarbij KW de «mast» is). Uitgaande van geel (Y) ontstaat zo de vlag YKW. Halverwege R en Y ligt oranje (O). De vlag OKW bevat alle lichtheidkleurigheidscombinaties voor oranje (inclusief bruin). De hoek die een willekeurige vlag met RKW maakt (linksom), is een maat voor zijn kleurtoon.
z
‘Een afbeelding met alleen grijstinten, heeft kleurigheid nul’, zegt Verbeek. ‘Een afbeelding met alleen felle kleuren – ik noem ze ook wel kleuterkleuren – heeft een grote kleurigheid. Kleurigheid is een goed gedefinieerd getal tussen 0 en 1. Mensen vinden het prettig wanneer kleuren iets kleuriger zijn dan ze in werkelijkheid waren. Op vakantiefoto’s willen mensen bijvoorbeeld dat de lucht iets blauwer en het gras iets groener is dan het in werkelijkheid was. Fabrikanten van kleurenfilms houden daar ook al rekening mee.’ Bij een vergroting van de lichtheid, schuiven de donkere partijen van het beeld dichter in elkaar, terwijl de lichtere delen uit elkaar worden getrokken. Dijk vond met de gebruikte instellingen dat een verandering van de lichtheid een veel grotere invloed op de waargenomen kwaliteit heeft, dan een verandering van de kleurigheid. Ze vermoedt dat dat komt doordat een manipulatie van de lichtheid in natuurlijke omgevingen niet optreedt, maar een verandering van de kleurigheid wel. Bij het veranderen van de lichtheid bleek verder dat er een duidelijk optimum was voor alle personen uit het testpanel. Printerbeperkingen ¶ Een belangrijk onderscheid tussen het beeld dat op een monitor verschijnt en het beeld zoals het uit de kleurenprinter rolt, is het verschil in kleurenbereik. Een printer kan niet alle kleuren afdrukken die een monitor kan weergeven, maar het is ook mogelijk dat een monitor niet alle kleuren kan weergeven die een printer kan afdrukken. In het algemeen is het bereik van een monitor echter groter dan dat van de printer. De huidige standaard-beeldbewerkingstechnieken houden geen rekeningen met die beperkingen. Daarom onderzocht Dijk hoe zulke ‘handicaps’ van de printer wel automatisch kunnen worden meegenomen. Om die beperkingen te begrijpen, is het belangrijk te weten hoe kleuren worden gemengd. ‘Kleuren kunnen additief of multiplicatief worden vermengd’, doceert Verbeek. ‘Bij een monitor mengen de basiskleuren rood, groen en blauw additief: de individuele spectra (intensiteit als functie van frequentie) worden opgeteld tot een somspectrum. Bij verf daarentegen wordt het licht niet uitgezonden, maar gedeeltelijk geabsorbeerd en gedeeltelijk gereflecteerd. Het spectrum dat het oog bereikt, is dan de vermenigvuldiging van de afzonderlijke doorlaatspectra. De kleurmenging is hier multiplicatief. Bij drukwerk of bij kleurenprints van een inktjetprinter is de kleurmenging ook multiplicatief.’ Een kleurenmonitor werkt met de primaire kleuren rood, groen en blauw. Het oog heeft drie typen kegeltjes (zie apart kaderverhaal) die zenuwsignalen rood, groen en blauw afgeven. Helaas zijn roodgevoelige kegeltjes ook enigszins gevoelig voor groen en blauw. De verschillende zenuwkleuren geven de onderzoekers driedimensionaal weer (dit heet de XYZ-ruimte). Het resultaat is een kubus waarin het punt (1,1,1) wit voorstelt en het punt (0,0,0) zwart. Op de lichaamsdiagonaal van wit naar zwart liggen alle grijstinten. Andere punten binnen de kubus geven alle mogelijke zenuw-kleurcombinaties van rood, groen en blauw weer. Die zijn niet altijd met licht te maken: bijvoorbeeld de zenuwkleur ‘zuiver groen’ is nooit te zien omdat groen licht ook altijd roodgevoelige kegeltjes prikkelt. De kleuren die een mens wel kan zien, liggen in een soort kegel, een puntzak met de punt in zwart. Monitors en printers kunnen weer niet al die kleuren maken. ‘De door een monitor geproduceerde kleuren vullen dus niet de hele puntzak, maar een vervormde kubus daarbinnen’, zegt Verbeek. ‘Een scheef blok eigenlijk. Wit en zwart en de primaire en secundaire kleuren liggen dan op de hoekpunten.De primaire monitorkleuren zijn afhankelijk van het beeldbuisfabrikaat. Zo’n driedimensionale figuur die de bereikbare kleuren aangeeft, heet in vaktermen de gamut. Voor multiplicatieve weergave-apparaten zoals een kleurenprinter, is de gamut een scheef blok met naar binnen gezogen wanden.’
z Wanneer de monitor tegelijk maximaal rood, groen en blauw geeft, ontstaat wit (W), het uiterste hoekpunt van het blok vanaf zwart (K). De lichaamsdiagonaal WK van het blok gaat door xy-wit en bevat alle grijstinten die de monitor kan weergeven. De lichtheid neemt toe van K naar W. De kleurigheid van een kleur in het blok is dan de afstand tot WK.
Zes aanzichten van de gamut van een inkjet-prin-
De gamut van het offset-drukprocédé heeft inge-
ter. Ten gevolge van de multiplicatieve menging
zogen zijvlakken.
is de gamut van zo’n printer een vervormd blok, dat Dijk met veel meet- en rekenwerk in kaart heeft gebracht.
Contrast (gamma) manipulatie van de lichtheid bij gelijkblijvende kleurigheid op zwart-wit en kleurbeelden. In kleurbeelden wordt bij verlaten van de gamut (zoals tot nog toe gebruikelijk) op de gamut terug-
Minder vlakke kleuren ¶ In de huidige praktijk komt het vaak voor dat bij een bepaalde contrastverhoging de gewenste kleuren buiten de gamut liggen. delft
∫
i n t e g r a a l 2004.1
geprojecteerd, waardoor vervlakking optreedt. Om te voorkomen dat dit tè vaak voorkomt, is de kleurigheid vooraf met een vaste factor 0,85 teruggebracht.
17
W
Meestal nemen programma’s dan het dichtstbijzijnde punt dat precies op de rand van de gamut ligt. Dat betekent dat vaak een hele reeks van kleurpunten na contrastverhoging precies op hetzelfde gamutpunt terechtkomen. Het gevolg is dat de print vlakker van kleur wordt. Dijk en Verbeek zochten naar een methode om de beperkingen van de gamut van het weergaveapparaat automatisch mee te nemen bij de contrastverhoging. Elke printer en elke monitor heeft zijn eigen gamut. Het essentiële probleem is om vanuit de gewenste kleuren van de kleurenprint terug te rekenen welke hoeveelheden kleur de printer moet gebruiken. ‘Waarschijnlijk zijn de programma’s van de huidige printers gebaseerd op veel trial and error’, zegt Verbeek. ‘Het geheim van de keuken, dat we niet kennen.’ Verbeek bedacht allereerst een methode voor een monitor-gamut: een scheef blok . ‘Het doel was om ons alleen te beperken tot grijswaarde-operaties. Zo’n operatie werkt altijd op een lijn parallel aan de lichaamsdiagonaal van wit naar zwart binnen het blok. De kleurigheid verandert hierbij niet. Het is dus een achromatische beeldbewerking. Afhankelijk van de speelruimte die er is tot de grens van het blok, heb ik de verandering niet zo groot gemaakt als ik wel zou willen. Hoe kleiner de afstand tot de gamut-rand, hoe kleiner de aanpassing die je kunt doen. Bovendien zorg je dat alle punten die voor de transformatie buren zijn, dat na de transformatie nog steeds zijn.’ Om de speelruimte voor opscherping nog te vergroten, liet Verbeek verandering van kleurigheid toe. Lijnen evenwijdig aan de zwart-witlijn verving hij door lijnen naar wit en naar zwart. Randen in het beeld krijgen zo een opscherpend licht-donkerbiesje van onopvallend verminderde kleurigheid. Een eeuwenoude schilderskunstgreep. Dijk veralgemeniseerde Verbeeks methode voor een achromatische verbetering van kleurenbeelden vervolgens voor de veel lastigere printer-gamut. Transformaties binnen een hol getrokken blok zijn veel moeilijker dan die binnen een kubus. De promovenda ontwikkelde een algemeen grijswaardenalgoritme waarmee de lichtheid van de print wordt aangepast, terwijl het nog steeds de juiste kleuren bevat. In deze rekenmethode hangen de maximale en minimale lichtheidcorrecties voor een pixel af van de beschikbare ruimte van het originele punt tot de rand van de gamut in een bepaalde richting. Door de beperkingen van de gamut automatisch mee te nemen, worden de printresultaten minder vlak in de kleuren. De onderzoekers hebben inmiddels patent aangevraagd op deze geavanceerde helderheidsmanipulatie die de beperkingen van het weergaveapparaat meeneemt. De methode is in principe bruikbaar voor elk weergaveapparaat, niet alleen voor kleurenprinters.
bewerking kan ook worden voorkomen door adaplichtheid
tieve (i.p.v. vaste) reductie van de kleurigheid. Hier is de bewerking opscherping, waarbij lichtheid belangrijker is dan kleurigheid. De lichtheid van het ronde punt moet groter worden (lijn omhoog) en komt daarbij buiten de gamut. De kleurigheid wordt zover verminderd (verschuiving naar links) dat de resulterende kleur (vierkant
K kleurigheid
punt) binnen de gamut valt en toch de gewenste lichtheid krijgt.
W
Een alternatieve strategie om binnen de gamut te blijven: realiseer de gewenste lichtheidsverande-
lichtheid
ring door mengen met wit (W) of zwart (K).
K kleurigheid
Een demonstratie van de methode uit de vorige afbeelding. Links: het originele enigszins onscherpe beeld. Midden: het resultaat van traditionele opscherping in een mate die de gamut niet verlaat. Rechts: het resultaat van de nieuwe methode, die door adaptieve reductie van de kleurigheid een sterkere opscherping toelaat. (Let op de ogen en de mondhoek.)
ongewijzigd
blond
kleurigheid
kleurigheid
kleurigheid
ongewijzigd
donkerder
lichtheid
lichter
aziatisch
donkerder
lichtheid
lichter
kleurigheid
kleurigheid
kleurigheid
ongewijzigd
lichter
afro
Maat voor beeldkwaliteit ¶ Tot slot heeft de promovenda ook nog een kwaliteitsmaat ontwikkeld om uit een serie van beelden het beeld met de beste lichtheidverdeling te selecteren. Dijk baseerde haar maat op de homogeniteit van de beeldpunten binnen de grenzen van de beschikbare gamut. Hoe beter de punten verdeeld liggen binnen de grenzen van de gamut, hoe beter de kwaliteit, is het idee. Ze drukte de homogeniteit uit in een getal tussen 0 en 1. De waarde is 1 als het zwaartepunt van alle punten precies in het midden van de gamut-ruimte ligt. Ze testte de kwaliteitsmaat op drie afbeeldingen en de resultaten bleken veelbelovend. Alle experimenten lieten echter ook zien dat de proefpersonen het kwaliteitsoordeel vaak baseerden op onderdelen van een afbeelding. De standaard isofoto van de drie muzikanten is een goed voorbeeld. Op de foto staan een blanke, een zwarte en een licht getinte, Aziatische muzikante. Dijk: ‘Als de hele afbeelding iets donkerder wordt gemaakt, verbetert het gezicht van het blanke meisje, terwijl het gezicht van het donkere meisje juist dicht loopt. Lichter maken heeft precies het omgekeerde effect. Op het Aziatische meisje hebben beide veranderingen veel minder effect. Mensen baseren hun oordeel dus ofwel op het lichte, ofwel op het donkere meisje. Om de kwaliteitskaart ook daadwerkelijk te implementeren, is het dus van belang om de relevante subdelen van de foto te identificeren. Dit laat zien hoe lastig het is om een objectieve kwaliteitsmaat in de vorm van een wiskundig model te verwerken in het programma van een kleurenprinter.’ ‘Maar’, voegt haar begeleider toe, ‘we weten nu veel beter hoe we de manipulatie van scherpte, lichtheid en kleurigheid moeten doen. Bovendien hebben we laten zien dat de printresultaten beter worden wanneer we de beperkingen van het weergaveapparaat al in de automatische beeldbewerking meenemen.’
Het verlaten van de gamut als gevolg van een
donkerder
lichtheid
wetenschap & onderzoek
kleurigheid
kleurigheid
kleurigheid
De gelijkmatigheid van de verdeling (de nuancering) van kleuren in de roze vlag (gelaatskleuren) blijkt een kwaliteitsmaat voor portretten, zoals het iso-beeld met de drie muzikanten op pag. 13.
Voor nadere informatie over dit onderwerp kunt u contact opnemen met Ir. Judith Dijk, tel. (070) 374 0152, e-mail
[email protected] Dr. Piet Verbeek, tel. (015) 278 3247, e-mail
[email protected] Judith Dijk is inmiddels werkzaam bij het Fysisch-Elektronisch lab TNO-FEL in Den Haag.
delft
∫
i n t e g r a a l 2004.1
