彩色打印的色彩表现与色再现技术

彩色打印的色彩表现与色再现技术

         相信不少人经常会觉得数码相同所拍下的影像颜色不够鲜明，或是影像在打印输出后，与显示器上显示的画面有很大的差异。那么这一次，我们就来深入探讨造成这些问题的根本原因--人类眼睛的特性，以及每一种相关影像产品本质上的差异，并针对“色再现”技术来进行说明。 

　　 高分辨率数码相机所拍摄的影像，通过彩色打印机来打印，相信大多都会遇到这样的情况--拍摄的云彩、森林偏色且略显泛白。但这些可以通过适当变更设定，打印效果也许在某种程度上会有一些改进，这也就是说，如果能将数码相机与打印机间的颜色标准适度地加以校正，是可以达到画面重现要求的。不论是使用多数打印机产品内置的影像修正功能，还是数码相机所提供的影像修正软件，都能通过简单的操作方式来完成。

　　采用这样的修正方式，基本上还是根据使用者眼睛的真实、自然的感觉。也就是说，如果能将数码相机、打印机与显示器之间的“颜色特质”加以统一，便可以达到所需的要求。而在说明如何调整之前，首先，我们必须先去了解颜色或明亮度等名词的意义是什么，以及眼睛到底是如何去感受“颜色”的。

　　人类的眼睛辨识光与颜色的机构

　　对于灵魂之窗的眼睛来说，其实是将紫色到红色之间的光线(约 380nm至770nm的波长)，分成“明度(value)”、“色相(hue)”与“彩度(chroma)”三个特质来感应。构造上，主要是利用位于眼睛内视网膜上呈马赛克状排列的“S锥体”、“M锥体”与“L锥体”三种视觉细胞来感应外部光的亮度与色彩。因为所感受的光波长(三原色)的不同，所以人眼才能清楚地辨识出各种颜色的不同。只不过由于数目上的不同，从比例上来讲，每存在着一组S锥体，同时便拥有16组M锥体，32组L锥体，因此眼睛对于每种光波长的感受能力并不平均。就是说，如果希望能将几种特定颜色以相同亮度显现，考虑到眼睛的实际感受能力，就要修正三原色中个别色彩的强度。

　　此外，在眼睛的构造中，具有在光线不足情形下提供感应功能的杆体视觉细胞，在数目上约有1亿3千万组，比总数达7百万组的S、M、L锥体多出很多。由于杆体细胞数目比较多，所以即使在外部光线不足的情况下，一般来说人的眼睛还是能捕捉到比较充足的光线信息。但由于杆体细胞就只有—种的缘故，且只具有接受黑白两色明暗信息的特性，因此在黑暗中凝视物体时，物体多会以黑白两色来呈现。此外，眼睛对于亮度的感应较色彩更为灵敏，道理也是一样的。

　　通过锥体与杆体所感测的亮度信息，如果能在视网膜内神经两两邻接的细胞间，对亮度加以强调处理，眼睛的感应能力便更为敏锐。而且由于锥体的信号输出是利用视网膜内的神经细胞，作为亮度与“红-绿”、“黄-蓝”之差，分信号来加以处理，因此，一般所进行的颜色处理上需置换为互补色，可将其称为互补色效应。

　　由于锥体对R(红)、G(绿)与B(蓝)各原色的亮度感测能力 (分光感度)不同，如果将R设定为基准1，则与其它两种颜色间形成了R:G:B=1:4.5907:0.0601 (称为眼睛的亮度计数比例)。如果将此数值以定量化比例调整，便可以不受任何外在因素影响，形成以假设三原色(X、Y、Z)表示的CIE (国际照明学会)表色系，这是一种可正式作为评量标准的色彩表现形式。在CIE表色系中，能以3D坐标来显示任何一种颜色，因此，如果将三原色信号(X、Y、Z)分别除以(X2+Y2+Z2)的开平方，便形成了(x，y，z)坐标，一般称为色度坐标。如果利用最鲜明的颜色进行绘图，就是利用不同的单色光波长值来进行x，y坐标绘图，将人眼所看到的颜色范围加以描绘，就会形成一种马蹄形图案(如“色度图(由JIS与CIE色度图所构成)”中所示)，即xy色度图的马蹄形图形。这种图形从四周往正中央，颜色趋向混和，中央逐渐变成白色。其实，在常见的CRT显示器、液晶显示器或打印机等多数与影像有关的产品中，对于颜色的定义与规范大多是采用这种图表。也就是说，要先规范好人眼可视的颜色范围，再决定产品所能呈现或支持的色彩空间。

　　通过构成光与颜色的三原色确定色彩空间的孟塞尔表色系

　　在谈论三原色之前，需要先了解物体本身属于发光源，产生的三原色为(RGB：红、绿与蓝)，以及颜料等物体属于反射光源，形成的三原色为(YMC：黄色、靛青色与洋红色)，更要了解这两种系统之间的不同。RGB是采用三种色彩混和后，使色彩愈加明亮，就是加色法所形成的原色混合法则。而YMC则是随着色彩混和后颜色变得更暗，属于减色法所形成的原色混合法则。

　　一般而言，人眼所感受到的风景或物体，大半是通过反射光源形成的。但是，如果是利用数码相机拍摄风景或物体，则是利用CCD将物体的颜色变换为RGB，也就是转换为显示器能支持的三原色，而打印机则是将影像再转换成物体颜色打印输出。由此可以看出，电脑对影像的处理是在物体色与光源色间加以转换。也就是说光源色的RGB系统与物体色的YMC系统间，能够依照简单的函数演算来变换。在一般常见的印刷输出或影像处理中，还会在YMC系统内增加黑色，以提高混色后的色彩重现效果。

　　然而，假设由X、Y与Z坐标所形成CIE表色系内的色空间，虽然与现有相关产品间无关连性，但是在实际应用上，眼睛辨识颜色时需要的是“明度”、“彩度”与“色相”三种要素(如“明度、彩度、色相的色空间图”中所示)。明度就是明亮的程度，色相代表配置于色相环上的色调。彩度则代表从无色的中心轴开始，越往边缘颜色越鲜明。

　　画家A．H．Munsell发现了这一现象，将明度(value)、彩度(chroma)、色相(hue)配合人眼的感觉，将其制成色票(索引)，这就是著名的孟塞尔表色系。此后由美国照明协会，制订了修订版孟塞尔表色系，并计算出与X、Y、Z表色系坐标相对应的值。不过从物体的物理性颜色材料(色材)上来讲，还是有一定的显示限制，会形成如同“孟塞尔(Munsell)色立体图”的扭曲状的立体锥形，一般称为“色立体”。

　　由于孟塞尔表色系(Munsell color system)是根据经验计算出的体系坐标，并非根据物理实质所形成。因此，如果要将颜色量化，就必须通过实际演算来得到。根据孟塞尔值所形成的色空间，可延伸定义出“L*a*b*色空间”。这是利用L(白色至黑色的轴)，以及显示彩度与色相的ab两轴来表示，其中 a代表了红色至青色的轴，b则表示黄色至青色的轴。

　　由于在“L*a*b*色空间”中，能分别利用两种不同颜色轴来计算，因此目前也已经被Windows、Macintosh等系统的色彩管理采用。自Windows 98推出之后，更是将显示器所使用的色彩管理定义文件列为标准配备，并提供了打印机或扫描仪所需的定义文件，就是“ICC定义文件”。ICC定义文件是由ICC  (International Color Consotium)制订的标准化数据形式，只要产品内提供了此定义文件，彼此间便能进行色彩的正确转换与结合。在不同外围设备间，有关色彩定义都是通过“L*a*b*色空间”来处理，常见大多数产品在色空间上的转换便是一例，而不同产品间“L*a*b*色空间”的转换函数，其实也就是ICC定义文件的真实面目。只要使用ICC定义值，就能轻易地规范影像输出人的表现，就目前来讲，提供ICC定义文件的产品数量虽然还不是很多，但相信未来ICC定义文件的提供，将会成为使用者选购产品的重要依据。

　　通过分析能量分布状态将光源色感定量表示为色温如同前面文章所述，通常眼睛是以物体反射光来进行颜色识别，由于光源色的不同，观察所得的物体颜色也会有所改变。而这里所说的色泽在物理上其实有明白的定义，通常是用色温一词来表示。

　　简单地说，根据普朗克辐射定律(Plankian radiator)的定义，假设一个能完全吸收入射光的物体，将此全黑物体的温度以K(Kelvin)表示，即为色温的定义，这与物体的材料无关。当改变此物体的温度时，其所释放的光能分布也会随之改变，因此就能够将光源的色泽以量化方式加以定义了。例如在CIE表色系中，便定义了多组标准光源值，其中最常使用的标准太阳光为6504K。

　　当使用者进行影像处理时，由于个人计算机所使用的显示器色温，所提供的色泽可变动的缘故，所以在使用时要加以注意。一般来说，为了适应喜好冷色系与较高清晰度的使用者，包括电视机等在内，市面上多是以 9300K为标准的显示器产品。也就是说，此基准明显地比CIE表色系中的标准太阳光数值高，因此对于中上等的显示器产品来说，多会额外提供将色温调整至6500K的设定选项，这样才能以接近自然色调的标准太阳光来显示。这对于要求忠实呈现原物的照片或影像相关工作者而言，可以说这是不容或缺的重要设定模式。

　　如果使用者习惯9000K以上显示的画面，对于6500K左右的显示模式会感觉整体画面偏红。所以忠实呈现画面会因为使用者个人偏好而无法满足每个人的需要，尤其是在不同环境下，所偏好的颜色呈现方式也可能有所差异。这样便产生出“演色”的概念，就是“倾向于喜好颜色”的思考方向。

　　将喜好颜色重现演色与相关的修正方法

　　R．W．G．  汉特(Hunt)在1970年，将色彩重现的目标区分为:“分旋光性色再现”、“测旋光性色再现”、“正确性色再现”、“相等性色再现”、“对应性色再现”与“喜好性色再现”等六种分类。“分旋光性色再现”中，即使外部照明(色泽)有所改变，物体的色再现其实并不会有所变动，所以实际，要达成此目标现今仍不可能。而“测旋光性色再现”与“正确性色再现”则是属于量测仪器的色再现范畴内，对人眼的感应而言没有多大实质意义。“相等性色再现”就如同从一片漆黑的观众席观看明亮的舞台，会出现色调偏白的现象，通过此特性去强调原有的彩度与对比，以展现原有效果。

　　至于“对应性色再现”则是使与原有亮度、光源不同的场所，或是在外部条件不同的情况下观看画面，将其恢复为原有色调的手法，最具代表性的范例莫过于电视机。“喜好性色再现”则是针对喜好显高色温画面的使用者或是文艺爱情片中采用暖色系的照明环境等，以此为目的来配合或支持颜色处理的手法。在实际运用中，其实反而常见于冲洗照片时，通过调整，以增减肤色的方式，以达到更为健康的效果，这可以算是通过“喜好性色再现”产生效果吧。还有，在拍摄照片时，经常使用增加演色性的滤色片或颜色鲜明的偏光镜等相关的手法。

　　理论上，颜色的重现性是通过具有直线性的RGB或YMCK色系来取得。然而，由于目的的不同，数码相机的CCD、显示器、彩色打印机与扫描仪彼此间的颜色重现性是无法以直线方式来加以表示的。因此如果要针对产品的目标特性来调整，需要先了解产品本身的色空间特征，将其转换成虚拟的X Y Z色表系，换算为 L*a*b*色空间后，再求得所需相关函数的色差值，才能真正调整影像输出入中所产生的色差现象。

　　常见的技巧之一就是利用Y修正来完成。例如，将数码相机所拍画面，直接从显示器上观看，经常会发生暗部层次不正常的现象。此时，只要对影像文件进行Y修正，就能在黑暗画面中清楚地辨识出细微部分。所谓的Y修正，其实是针对装置的非直线特性(y特性)，以逆特性来加以修正而命名的。例如，如果要将影像通过打印机输出，便必须对所有装置都以y修正，如此才能使打印机上狭窄的色再现特性在相关动态范围内能以最好的效果呈现出来。

　　后语

   　 事实上，在以ICC定义文件的色彩管理模式为主的使用环境中仍无法达到极佳的画质与色再现性，尤其明显的是色再现性上的表现十分不足。相比之下，现今常见的数码相机搭配打印机的画面输出方式与采用银盐相片的摄影方式有很大差距，主要由于相纸颜料的优势，所以数字摄影目前仍无法重现100％的彩色原始画面，也是因为在模拟世界中有所谓的高柔软性造成的。如果要重现原始画面，最少要采用RGB三原色各拥有10位数据量的32位彩色系统。不过，位数增减并不能完全反应出模拟显示的优点，必须在采用完整的全位之前，加入非直线性的曲线压缩等等技巧才行。当然，对于32位彩色系统，在此我们不再深谈，但看来还要关注今后更新的发展趋势。