Ortamı da hesaba katmak: renk görünüm modelleri

Kısa cevap

CIELAB bir rengi yalnızca bir referans beyaza göre anlatır: rengin ve beyazın XYZ değerlerini bilir, ama sahnenin ne kadar aydınlık olduğunu, rengin hangi arka plan üzerinde durduğunu ve çevrenin karanlık mı aydınlık mı olduğunu bilmez. Oysa aynı renk, parlak gün ışığında loş bir odadakinden daha canlı, karanlık bir salonda aydınlık bir odadakinden daha açık görünür. Renk görünüm modelleri, CIECAM02 ve onun yerini alan CAM16, bu koşulları girdi olarak alır ve açıklık, parlaklık, kroma, renklilik, doygunluk ve ton gibi algısal nitelikleri ayrı ayrı hesaplar; CIELAB'ın ortam koşullarını hesaba katmamasının nedeni, onun bir görünüm modeli olarak değil, tek bir referans koşula göre tanımlanmış bir renk uzayı olarak tasarlanmasıdır.

CIELAB neyi bilmez?

CIELAB, renkleri algıya yakın bir düzende gösteren bir uzaydır (BI-19). Hesabına bakıldığında, CIELAB'ın elinde yalnızca iki bilgi vardır: rengin XYZ değerleri ve referans beyazın XYZ değerleri. Uzay, rengi beyaza oranlayarak hesaplar; bu, içine gömülü basit bir kromatik uyarlamadır (BI-21).

Ama aynı rengin nasıl göründüğünü değiştiren birçok koşul bu iki bilginin dışındadır. Birincisi, sahnenin mutlak ışık düzeyi: bir fotoğraf karanlık bir odada ekranda, güneşli bir terasta basılı olarak aynı oranlarla görülebilir, ama iki ortamın ışık düzeyi binlerce kat farklıdır. İkincisi, arka plan: aynı gri, siyah bir zeminde açık, beyaz bir zeminde koyu görünür; bu tür eşzamanlı karşıtlık yanılsamaları BI-14'ün konusudur. Üçüncüsü, çevre: bir görüntünün etrafındaki alan, sinema salonundaki gibi karanlık mı, oturma odasındaki gibi loş mu, yoksa bir ofisteki gibi aydınlık mı?

CIELAB bunların hiçbirini girdi olarak almaz. Bu bir kusur değil, bir tasarım tercihidir: CIELAB, renkleri karşılaştırmak ve farklarını ölçmek için, belirli ve sabit bir gözlem koşulunda kullanılmak üzere kurulmuştur. Koşullar değiştiğinde ise görünümü tahmin etmek için daha kapsamlı bir araca ihtiyaç vardır.

Görünümün altı niteliği

Gündelik dilde "parlak", "canlı" ya da "koyu" sözcüklerini birbirinin yerine kullanırız. Renk görünüm modelleri bu sözcükleri birbirinden ayırır ve her biri için ayrı bir sayı karşılık getirir.

Bir kâğıt parçası güneşte gölgeye göre çok daha parlak görünür; ama her iki yerde de "açık gri" olarak görünür, çünkü açıklığı, yani beyaza göre konumu, değişmemiştir. Renk görünüm modelleri açıklığı J, parlaklığı Q harfiyle gösterir.

Renk görünüm modellerinde renklilik M, kroma C, doygunluk s harfiyle gösterilir; ton ise h açısıyla ifade edilir. Böylece bir renk, altı ayrı nitelikle anlatılabilir: açıklık ve parlaklık, kroma, renklilik ve doygunluk, ve ton. CIELAB bunlardan yalnızca göreli olanlara, açıklığa, kromaya ve tona yakın karşılıklar verir; mutlak olan parlaklık ve renklilik için bir karşılığı yoktur, çünkü ışık düzeyini bilmez.

Işık düzeyi: renkler neden güneşte daha canlı?

Işık düzeyinin renk görünümünü değiştirdiği, yirminci yüzyılın ortasında yapılan deneylerle gösterildi.

Parlaklık algısı da ışık düzeyine bağlıdır; aynı ışıklılık farkı, karanlığa uyum sağlamış bir gözde ve aydınlığa uyum sağlamış bir gözde farklı büyüklükte bir parlaklık farkı olarak algılanır.

Bu iki bulgu, renk görünüm modellerinin neden ortamın ışık düzeyini bir girdi olarak istediğini açıklar. Işık düzeyini bilmeyen bir uzay, bir rengin loş bir odada mı yoksa güneş altında mı görüldüğünü ayırt edemez; oysa bu iki durumda aynı rengin canlılığı ve parlaklığı belirgin biçimde farklı algılanır.

Çevre: sinema salonu neden farklı?

Bir görüntünün etrafındaki alanın parlaklığı da görüntünün nasıl algılandığını değiştirir. Aynı ekran, karanlık bir salonda ve aydınlık bir ofiste farklı bir karşıtlıkla algılanır.

Bu etkinin pratik bir sonucu vardır. Karanlık bir sinema salonu için hazırlanan bir film, aydınlık bir odadaki bir televizyonda izlendiğinde farklı görünür; bu yüzden sinema, televizyon ve bilgisayar ekranları için görüntüler farklı karşıtlık ve ton eğrileriyle hazırlanır. Renk görünüm modelleri, bu farkı çevre türü girdisiyle hesaba katar.

CIECAM02'den CAM16'ya

Bu bulguları tek bir hesap çerçevesinde birleştiren modellerin en yaygın kullanılanları, CIE'nin önerdiği modellerdir. Her yeni model, bir öncekinin görsel verileri tahmin etme başarımını korumaya ya da artırmaya ve pratik kullanımdaki sorunlarını gidermeye çalışmıştır.

Bir renk görünüm modeli şu girdileri ister: rengin XYZ değerleri, referans beyazın XYZ değerleri, uyarlama ışıklılığı, arka planın göreli ışıklılığı ve çevre türü. Çıktısı ise yukarıda saydığımız algısal niteliklerin karşılıklarıdır. Model, ters yönde de çalıştırılabilir: belirli bir ortamda belirli bir görünüme sahip bir rengin, başka bir ortamda aynı görünmesi için hangi XYZ değerlerine sahip olması gerektiği hesaplanabilir. Renk yönetiminde bir görüntünün ekrandan baskıya ya da bir ortamdan başka bir ortama aktarılması, bu ileri ve geri hesabın birleşimidir. Birinci ortamda modelden algısal nitelikler hesaplanır, ikinci ortamda aynı nitelikleri verecek renk değerleri geriye doğru bulunur; iki ortam arasındaki köprü, renklerin kendisi değil, görünümleridir.

Bir görünüm modeli nasıl çalışır?

CAM16 gibi bir model, bir rengi dört aşamada işler. Birinci aşamada renk, BI-21'de anlatılan türden bir kromatik adaptasyon dönüşümüyle koni benzeri bir uzaya taşınır ve beyaz noktaya göre uyarlanır; model burada uyumun her zaman tam olmayabileceğini, uyarlama ışıklılığına ve çevreye bağlı bir katsayıyla hesaba katar. İkinci aşamada, uyarlanmış sinyaller doğrusal olmayan bir sıkıştırmadan geçirilir: gözün tepkisi ışıkla doğru orantılı artmaz, düşük ışıkta hızla, yüksek ışıkta yavaşça artar. Üçüncü aşamada, bu sinyallerden kırmızı-yeşil ve sarı-mavi karşıt sinyaller ile bir akromatik sinyal türetilir; BI-11'de anlatılan karşıt süreçler kuramı burada hesaba girer. Dördüncü aşamada, bu sinyallerden açıklık, parlaklık, kroma, renklilik, doygunluk ve ton hesaplanır.

Ortam koşulları bu aşamaların her birinde iz bırakır. Uyarlama ışıklılığı hem uyumun derecesini hem de sıkıştırmanın biçimini etkiler; arka planın göreli ışıklılığı açıklığın hesabına girer; çevre türü ise hem açıklık karşıtlığını hem de renkliliği değiştiren katsayıları belirler. CIELAB'da bu koşulların hiçbiri bir girdi olmadığı için, aynı hesap her ortamda aynı sonucu verir.

Arka plan da sayılır

Arka planın etkisini ayrıca hesapladık. Aynı ışık düzeyinde ve ortalama çevrede, arka planın göreli ışıklılığını 5, 20 ve 50 alarak iki teni değerlendirdik. Koyu bir arka plan, yani 5, en açık tenin açıklığını J 80,4 olarak verir; arka plan 20'ye çıktığında 78,1'e, 50'ye çıktığında 75,6'ya iner. En koyu tende aynı değişim J 19,7'den 15,9'a ve 12,4'e iner. Açık bir arka plan önünde her iki ten de daha koyu görünür; bu, eşzamanlı karşıtlığın modeldeki karşılığıdır. En koyu tende kroma da arka plana göre belirgin biçimde değişir: 24,3'ten 17,8'e düşer.

Bu sonuç, portre fotoğrafında ve ürün görsellerinde arka plan seçiminin ten görünümünü doğrudan etkilediğini gösterir. Koyu bir ten açık zemin önünde, koyu zemin önündekinden hem daha koyu hem daha az renkli görünür; bu fark, tenin kendisinde değil, çevresindedir.

Uygulama alanları

Renk görünüm modellerinin en yaygın kullanımı, farklı ortamlar arasında renk yeniden üretimidir. Bir fotoğrafçı, aydınlık bir galeride sergilenecek bir baskıyı karanlık bir odada ekranda hazırlıyorsa, iki ortamın farkını hesaba katmadan yaptığı ayarlar galeride beklediğinden farklı görünebilir. Bir görünüm modeli, iki ortamı tanımlayarak ekrandaki görünümün baskıda korunmasına yardım eder.

İkinci kullanım, yüksek dinamik aralıklı görüntülerin sıradan ekranlarda gösterilmesidir. Gerçek bir sahnenin ışık düzeyleri, bir ekranın gösterebileceğinden çok daha geniş bir aralığa yayılır; görüntüyü ekrana sığdırırken renklerin canlılığını ve açıklık ilişkilerini korumak, Hunt ve Stevens etkilerini hesaba katan bir modelle daha tutarlı yapılabilir.

Üçüncü kullanım, renk farkı ölçümüdür. CAM16'nın düzgün renk uzayı, CAM16-UCS, renk farklarını, CIELAB'dan farklı olarak, gözlem koşullarını da hesaba katarak ölçmeyi amaçlar; BI-20'de anlatılan ΔE formüllerinin koşula bağlı bir tamamlayıcısıdır.

Modellerin sınırları da vardır. CIE 248:2022'nin vurguladığı gibi CIECAM16, ilişkili renkler, yani başka renklerle birlikte görülen renkler için tasarlanmıştır; karanlıkta tek başına görülen bir ışık gibi ilişkisiz renkler için doğrudan uygun değildir. Karmaşık görüntülerdeki uzamsal etkileri, örneğin küçük desenlerin ve keskin kenarların renk algısını nasıl değiştirdiğini de tam olarak kapsamaz. Model, ortalama bir gözlemci ve basitleştirilmiş bir ortam tanımı üzerinden çalışır. Gerçek bir sahnede ışık düzeyi, arka plan ve çevre tek bir sayıyla anlatılamayacak kadar değişkendir; modelin girdilerini seçmek, bu karmaşıklığı birkaç temsilî değere indirmek demektir ve bu seçim sonucun ne kadar isabetli olacağını doğrudan etkiler.

Bir tasarımcı için ne anlama gelir?

Renk görünüm modelleri çoğu zaman yazılımların içinde, kullanıcının görmediği bir yerde çalışır. Ama bir tasarımcının, fotoğrafçının ya da renk düzeltmecinin bu modellerin mantığını bilmesi, günlük kararlarını değiştirir. İlk karar, bir görüntünün nerede görüleceğini baştan tanımlamaktır: bir afiş sokakta gün ışığında mı, bir katalog bir mağazanın ışığı altında mı, bir video karanlık bir odada telefon ekranında mı izlenecek? Bu soruların cevabı, görüntünün hangi açıklık ve karşıtlıkla hazırlanması gerektiğini belirler.

İkinci karar, görüntüyü değerlendirdiğiniz ortamın, izleyicinin ortamına ne kadar benzediğini sorgulamaktır. Karanlık bir stüdyoda parlak bir ekranda hazırlanan bir görüntü, aydınlık bir ofiste izlendiğinde daha soluk ve daha koyu görünebilir. Görünüm modelleri bu farkı sayıya döker; ama farkın varlığını fark etmek için modeli çalıştırmak gerekmez. Değerlendirme ortamını izleyicinin ortamına yaklaştırmak ya da iki ortamda da denemek, çoğu durumda yeterli bir önlemdir.

Üçüncü karar, bu denetimin kimin üzerinde yapıldığıdır. Aşağıdaki örneğin gösterdiği gibi ortam koşulları farklı tenlerde farklı büyüklükte etkiler yaratır; bu yüzden denetim, yalnız bir ten tonunda değil, açıktan koyuya bir aralıkta yapılmalıdır.

Örnek — aynı ten, üç ortam

Aynı ten renginin farklı ortamlarda nasıl görüneceğini CAM16 ile hesapladık. Serinin iki uç ten örneğini, F1C7A9'u ve 4A2C1D'yi, D65 beyazına göre, arka planın göreli ışıklılığını 20 alarak, üç ışık düzeyinde ve üç çevre türünde değerlendirdik. Uyarlama ışıklılığını 20 kandela/metrekare ile loş bir iç mekânı, 200 ile aydınlık bir iç mekânı, 2.000 ile açık havayı temsil edecek biçimde seçtik; bunlar kurgusal ama makul değerlerdir. Her durumda CIELAB değerleri aynıdır: F1C7A9 için açıklık 83,1, 4A2C1D için 21,4.

CAM16 ise farklı sonuçlar verir. F1C7A9'da ışık düzeyi 20'den 2.000'e çıktığında, ortalama çevrede renklilik M 15,4'ten 23,6'ya yükselir; kroma C ise 18,7'den 19,5'e yalnızca biraz artar. Aynı ten daha güçlü ışıkta daha canlı görünür, ama benzer biçimde aydınlatılmış beyaza göre göreli renkliliği neredeyse değişmez. 4A2C1D'de de benzer bir artış görülür: renklilik 15,8'den 24,3'e çıkar. Bu, Hunt etkisinin modeldeki izidir ve her iki tende de benzer büyüklüktedir.

Çevre türünün etkisi ise tenler arasında farklıdır. 200 kandela/metrekarelik ışık düzeyinde, çevre ortalamadan karanlığa geçtiğinde en açık tenin açıklığı J 78,1'den 82,9'a, yaklaşık 4,8 birim artar. En koyu tenin açıklığı ise 15,9'dan 24,7'ye, yaklaşık 8,8 birim artar. Karanlık bir çevre, koyu tonları görece daha açık gösterir ve bu etki, açıklığı düşük renklerde daha büyüktür.

Bu sayılar, aynı dosyanın farklı ortamlarda farklı algılanacağını gösteren birer uyarıdır, bir düzeltme reçetesi değil. Bu hesabın sinema ve televizyon için anlamı açıktır. Karanlık bir salonda koyu tenler, aydınlık bir odadakinden görece daha açık görünür; aynı görüntü dosyası, karanlık salon için hazırlanıp aydınlık bir odada izlendiğinde, koyu tenler beklenenden daha koyu, ayrıntıları daha zor seçilir görünebilir. Tersine, aydınlık bir oda için hazırlanıp karanlık salonda gösterilen bir görüntüde koyu tenler beklenenden açık kalabilir. Görüntü hazırlanırken hedef ortamın bilinmesi ve bu ortama uygun ayarların, açıktan koyuya bütün tenlerde denetlenmesi bu yüzden önemlidir. CIELAB tek başına bu farkı göremez; aynı sayıları verir.

Sık yapılan yanlış

Özet

1. CIELAB bir rengi yalnızca referans beyaza göre anlatır; ışık düzeyini, arka planı ve çevreyi bilmez. Renk görünüm modelleri bu koşulları girdi olarak alır ve açıklık, parlaklık, kroma, renklilik, doygunluk ve tonu ayrı ayrı hesaplar.
2. Işık düzeyi arttıkça renkler daha canlı görünür (Hunt etkisi) ve parlaklık algısının biçimi değişir (Stevens); görüntünün etrafındaki çevre de algılanan parlaklığı değiştirir (Bartleson ve Breneman).
3. CIECAM02'nin yerini daha basit ve hatasız çalışan CAM16 ve CIECAM16 almıştır; bu modeller ortamlar arası renk yeniden üretiminde, yüksek dinamik aralıklı görüntülerde ve koşula bağlı renk farkı ölçümünde kullanılır. Hesabımızda karanlık çevre, koyu teni açık tene göre yaklaşık iki kat daha fazla açık gösterdi.

Kendini sına

1. (Kolay) Parlaklık ile açıklık arasındaki fark nedir?
2. (Kolay) Bir renk görünüm modeli hangi girdileri ister?
3. (Orta) Lab neden ortam koşullarını hesaba katmaz?
4. (Orta) Hunt etkisi nedir ve Hunt'ın 1952 deneyi ne gösterdi?
5. (Zor) CAM16, CIECAM02'ye göre hangi sorunları çözer ve ne önerir?
6. (Zor) Karanlık bir çevrenin koyu tenlerin açıklığını açık tenlerden daha çok artırması, bir filmin farklı ortamlarda izlenmesi için ne anlama gelir?

Cevaplar

1. Parlaklık, bir alanın ne kadar ışık yayıyor ya da yansıtıyor göründüğünün mutlak algısıdır ve ışık düzeyiyle artar; açıklık ise aynı alanın benzer biçimde aydınlatılmış bir beyaza göre göreli parlaklığıdır ve ışık düzeyi değişse de büyük ölçüde sabit kalır («Görünümün altı niteliği»).
2. Rengin ve referans beyazın XYZ değerleri, uyarlama ışıklılığı, arka planın göreli ışıklılığı ve çevre türü («CIECAM02'den CAM16'ya»).
3. Çünkü CIELAB bir görünüm modeli olarak değil, belirli ve sabit bir gözlem koşulunda renkleri karşılaştırmak için tanımlanmış bir renk uzayı olarak tasarlanmıştır; elinde yalnızca rengin ve referans beyazın XYZ değerleri vardır. Ortamın ışık düzeyi, arka plan ve çevre onun girdileri arasında yoktur; bu yüzden mutlak parlaklık ve renklilik için bir karşılığı da yoktur («CIELAB neyi bilmez?»).
4. Ortamın ışık düzeyi arttıkça aynı rengin daha renkli görünmesidir. Hunt'ın deneyinde uyarlama ışığının şiddeti azaldıkça renklerin doygunluğunun giderek azaldığı bulundu («Işık düzeyi»).
5. CIECAM02, örneğin ortamlar arası renk yeniden üretimi için görüntü işlenirken bazı durumlarda hesap hataları verebiliyordu. CAM16, renk ve ışıklılık uyumunu aynı uzayda tamamlayarak bu sorunları giderir, en az CIECAM02 kadar iyi tahmin yapar ve daha basittir; ayrıca CAT16 dönüşümünü ve CAM16-UCS düzgün renk uzayını önerir («CIECAM02'den CAM16'ya»).
6. Karanlık bir salon için hazırlanan bir görüntü aydınlık bir odada izlendiğinde koyu tenler beklenenden daha koyu görünebilir, tersinde ise beklenenden açık kalabilir. Görüntü hazırlanırken hedef ortam bilinmeli ve ayarlar açıktan koyuya bütün tenlerde denetlenmelidir; CIELAB bu farkı göremez («Örnek — aynı ten, üç ortam»).

Kaynaklar

• Hunt, R. W. G., «Light and Dark Adaptation and the Perception of Color», Journal of the Optical Society of America, 42(3), 1952, s. 190–199.
• Stevens, J. C. ve Stevens, S. S., «Brightness Function: Effects of Adaptation», Journal of the Optical Society of America, 53(3), 1963, s. 375–385.
• Bartleson, C. J. ve Breneman, E. J., «Brightness Perception in Complex Fields», Journal of the Optical Society of America, 57(7), 1967, s. 953–957.
• CIE 159:2004, «A colour appearance model for colour management systems: CIECAM02».
• CIE 248:2022, «The CIE 2016 Colour Appearance Model for Colour Management Systems: CIECAM16».
• Li, C., Li, Z., Wang, Z., Xu, Y., Luo, M. R., Cui, G., Melgosa, M., Brill, M. H. ve Pointer, M., «Comprehensive color solutions: CAM16, CAT16, and CAM16-UCS», Color Research & Application, 42(6), 2017, s. 703–718.

Sonraki adım

BI-23 görünümün öbür ucuna, ışık kaynağının kendisine dönüyor: bir ışığın renkleri ne kadar doğru gösterdiğini ölçen CRI ve TM-30 metriklerini, test renklerini, Ra ve R9 değerlerini, TM-30'un Rf ve Rg değerlerini ve LED seçimini anlatıyor; yüksek bir CRI'ın her zaman doğru renk anlamına gelip gelmediğini soruyor. Görünüm modellerinin ilk adımı olan kromatik uyarlama için BI-21'e dön.