LATEX barevné profily tiskových zařízení (tiskárny, plotry)

ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE LATEX barevné profily tiskových zařízení (tiskárny, plotry) semestrální práce Petr Doušas Jan Antropius editor: Ivana Řezníková V Praze dne 26. 4. 2011 Kartografická polygrafie a reprografie

Úvod Tento text má za cíl informovat čtenáře o barevných profilech. Jelikož různá výstupní zařízení pracují na různých principech s rozdílnými fyzickými omezeními a tedy každé výstupní zařízení reprodukuje jiné barvy, přesto že pracuje se stejnými daty, bude se tento text snažit informovat o samotném fungování barevných profilů tiskových zařízení. Budeme se tedy zabývat problémem se zachováním vzhledu digitálního souboru v tištěné podobě a tedy snahou reprodukce digitálního podkladu v co nejdůvěryhodnějších barvách. 1 Barevné profily Barevné profily slouží k samotnému popisu barevného prostoru. Profil obsahuje informace týkající se konvertování mezi barevnými prostory, kalibrace zařízení apod. Při uložení obrázku na disk, se spolu s ním uloží i profil popisující aktuální prostor, v němž se data nacházejí(např. monitor). Pošle-li se obrázek na tiskárnu, data jsou za pomoci profilu charakterizujícího mateřský prostor tiskárny zkonvertována do tohoto prostoru, aby tiskárna vyprodukovala správné barvy. Obr. 1: Fungování profilů 1.1 Princip color managementu Problémem, který se color management pokouší vyřešit, je zachování konsistence vzhledu barev u digitálně reprezentovaného obrazu. Klíčovým zdrojem tohoto problému je skutečnost, že různá vstupní a výstupní zařízení pracují na různých principech, mají různá fyzická omezení a vykazují i variabilitu kus od kusu. Každé zařízení tudíž hovoří vlastním jazykem : Různá vstupní zařízení vyprodukují jako odezvu na tutéž barvu různá čísla a stejně tak i různým výstupním zařízením, mají-li vyprodukovat tutéž barvu, je nutno zaslat různá čísla. Stejná čísla v různých barevných prostorech znamenají jiné barvy. S rozvojem digitální fotografie se vynořily velké, otevřené systémy: My uživatelé chceme, aby naše obrázky ať už jsme je vyfotili jakýmkoli digitálem, naskenovali doma na plochém skeneru z papírové předlohy nebo z filmu a nebo si je nechali naskenovat profesionálně na bubnovém skeneru vypadaly stejně na celé řadě různých výstupních zařízení, naším vlastním monitorem a domácím inkjetem počínaje, přes komerční tisk či nasvícení na klasické fotografické papíry nebo diapozitivy v kterémkoli labu, až po tisíce monitorů ostatních uživatelů připojených k internetu. Současně také typický komerční lab dnes zpravidla už nepracuje jen pro jednoho velkého zákazníka, ale pro stovky či tisíce malých uživatelů a nemůže si dovolit mít stroje zkalibrované jen pro jednoho z nich. S těmito velkými otevřenými 1

systémy vznikla potřeba vytvoření systematické správy barev color managementu. Základní princip systému správy barev je velmi prostý. Color management se totiž skládá v zásadě pouze z následujících dvou věcí: charakterizace barevných prostorů konvertování obrazových dat z jednoho barevného prostoru do druhého, jak se data přesunují mezi aplikacemi a zařízeními, případně na explicitní přání uživatele Systém správy barev proto vyžaduje dvě věci: Musí existovat nějaký standardní způsob, kterým lze barevný prostor každého zařízení nebo na zařízení nezávislý prostor s dostatečnou přesností popsat, který dovolí (v rámci možností) jednoznačně charakterizovat barvy odpovídající všem číselným kódům v tom kterém prostoru Musí existovat softwarový modul, který výše zmíněnému popisu rozumí a dokáže obrazová data konvertovat z jednoho prostoru do druhého tak, aby barvy byly (pokud možno) zachovány První ze dvou výše uvedených úkolů plní ICC profily. Druhou tzv. color engine neboli CMM (color management module či color management method). Trochu zjednodušeně řečeno, v systému používajícím správu barev vstupní zařízení připojují k datům profil, který popisuje, jaká čísla znamenají jaké barvy, neboli který charakterizuje barevný prostor, ke kterému se tímto zařízením produkované číselné kódy vztahují. Může to být třeba mateřský prostor skeneru, popsaný profilem skeneru, nebo např. některý standardní na zařízení nezávislý prostor jako srgb. Při importu dat do grafického editoru pak může, ale také nemusí dojít ke konverzi do jiného pracovního prostoru, ve kterém budou data editována. Aby měl obraz zobrazovaný na monitoru správné barvy, jsou při prohlížení a editování obrázků data zasílaná grafické kartě automaticky za pochodu konvertována za pomoci profilu monitoru do jeho mateřského prostoru. Uživatel sám může během editace kdykoli vyvolat konverzi do jiného prostoru. Uloží-li obrázek na disk, uloží se spolu s ním i profil popisující aktuální prostor, v němž se data nacházejí. Pošle-li obrázek na tiskárnu, data jsou za pomoci profilu charakterizujícího mateřský prostor tiskárny zkonvertována do tohoto prostoru, aby tiskárna vyprodukovala správné barvy. Data zkonvertovaná do prostoru tiskárny ale také nemusí být zaslána tiskárně, místo toho mohou být následně zkonvertována do prostoru monitoru a zaslána na displej, aby uživatel získal tzv. soft proof a mohl na obrazovce vizuálně zkontrolovat efekt konverze, při které dojde při tisku. Každý systém používající správu barev má k dispozici jeden nebo i několik různých CMM, které všechny tyto konverze provádějí. CMM může volat buď libovolná aplikace, která využívá správu barev, nebo driver zařízení. 1.2 Profile Connection Space Vzhledem k tomu, kolik barevných prostorů v praxi existuje (co zařízení, to vlastní prostor a ještě se měnící!), tak není reálné mít modul, který by pro každou dvojici prostorů dokázal transformovat obrazová data přímo z jednoho prostoru do druhého. Místo toho 2

se při správě barev data prakticky vždy konvertují ve dvou krocích. Nejprve do třetího, pomocného univerzálního prostoru, který bývá označován jako profile connection space (PCS) a kterým je buď CIE XYZ nebo CIELAB, a odtamtuď pak do cílového prostoru. Pro každý prostor je tak potřeba umět konvertovat data pouze z a do CIE XYZ či CIELABu. Barevný profil používá k popisu barev příslušících v daném prostoru jednotlivým číselným kódům právě jejich CIE XYZ či CIELAB souřadnice. Funkce profilu je tudíž dvojí. Slouží nejen jako popis prostoru jako takový, ale současně také jako slovník při překladu z a do CIE XYZ nebo CIELABu. K tomu, aby se dosáhlo pro většinu účelů uspokojující korespondence, ovšem stačí poměrně málo. Jednak naše paměť, co se barev týká, je dost nepřesná a jsme zvyklí, že za různých podmínek se barvy věcí kolem nás jeví různě, ale také třeba kontext, ve kterém se barva vyskytuje, je automaticky stejný jako u předlohy obrázek dívky v modrých džínách s červenou cihlovou zdí v pozadí na monitoru zůstane obrázkem dívky v modrých džínách s červenou cihlovou zdí v pozadí i na tiskárně takže takže v tomto směru nejsou problémy. Lepší korespondence mezi hodnotou XYZ tristimulu nebo CIELAB souřadnic a barvami se dosáhne tím, že se zafixují některé základní faktory, které vnímání barev ovlivňují, jako chromatičnost bílé, na kterou je zrak adaptovaný, úroveň osvětlení apod. ICC standard pro CIE XYZ a CIELAB coby PCS předpokládá, že hodnoty odpovídají barvám, jak bychom je viděli na předloze odrážející světlo (čili na papírovém obrázku), nasvícené pod úhlem 45 stupňů a pozorovaném ve směru kolmém k předloze při osvětlení o síle 500 luxů standardním iluminantem D50. S tímto iluminantem jsme se setkali již v předchozích částech modeluje denní světlo o barevné teplotě 5000 K a je běžným standardem při posuzovnání barev reflexních předloh. Jiné barevné prostory mohou uvažovat odlišné pozorovací podmínky. Mnohé např. předpokládají, že zrak je adaptovaný namísto iluminantu D50 na iluminant D65, modelující denní světlo o barevné teplotě 6500 K (speciálně třeba některé monitorové RGB prostory, protože monitor s bílým bodem nastaveným na 6500 K je jasnější a uživatelé tomuto nastavení často dávají přednost). V takovém případě je potřeba při konverzi z/do CIE XYZ nebo CIELABu hodnoty současně ještě transformovat tak, aby odpovídaly uvažovaným pozorovacím podmínkám. Ke změně uvažované chromatické adaptace se používá model v podobě lineární transformace, tj. vynásobení XYZ vektoru jistou maticí o velikosti 3x3. Existuje více takových transformací modelujících barevnou adaptaci zraku (prostý posun, Von Kriesova a Bradfordova transformace), přičemž za nejlepší je v současnosti považována Bradfordova transformace. Všechno jsou to ale jen přibližné modely. Žádná takováto transformace totiž např. není schopná zachytit to, že některé objekty, které jsou při jednom osvětlení metamerické, čili jeví se být přesně téže barvy, při jiném osvětlení barevně shodné nejsou. (Což je u barviv používaných při reprodukci barev krajně nežádoucí, ale naopak se to v praxi s výhodou používá třeba. pro kontrolu předepsaného osvětlení je-li světlo správné, jeví se speciální barevná tabulka, která ke kontrole slouží, jednobarevná, pokud ale osvětlení neodpovídá požadavkům, jsou na ní vidět různobarevné pruhy). 1.3 ICC profily Profily jsou pasivní komponentou systému správy barev. Profil sám neprovádí žádnou činnost je to čistě jenom popis barevného prostoru, případně obsahuje i nějaké další informace týkající se konvertování z a do tohoto prostoru, kalibrace zařízení apod. International Color Consorcium (ICC) je mezinárodní sdružení založené skupinou výrobců v roce 1993, které vytvořilo jednotný standard pro barevné profily, nezbytný k tomu, aby profily byly 3

univerzálně použitelné stejné pro všechny platformy a zařízení a srozumitelné pro všechny CMM. Profil je soubor, ve kterém prvních 128 bytů je hlavička, za ní následují 4 byty, kde je zaznamenaný počet tzv. tagů položek profilu obsahujících různé informace, a po nich pak tabulka obsahující seznam adres jednotlivých tagů (12 bytů pro každý tag). Zbytek profilu jsou samotné tagy. V závislosti na tom, o jaký typ profilu se jedná, některé tagy jsou povinné, jiné volitelné. Nejdůležitější jsou AToB a BToA tagy, což jsou ony vlastní slovníky pro konverzi do a z PCS. S anatomií profilu se můžete blíže seznámit, když nahlédnete do ICC standardu. Vzhledem k tomu, že u obrázků není jednoduše od pohledu patrné, v jakém přesně prostoru jsou kódované, tak k tomu, aby obrazová data byla interpretována správně, je zapotřebí, aby obrazovým datům byl vždy přiřazený profil, který příslušný prostor charakterizuje, neboli profil dat. Profil může být k datům buď explicitně připojený, nebo se může nějaký profil implicitně předpokládat. Aby bylo možné správně interpretovat obrazová data vytvořená vstupními zařízeními a aby výstupní zřízení aby produkovala výstupy, jejichž barvy vypadají tak, jak mají vypadat, je zapotřebí znát chování daného zařízení. To je popsané barevným profilem zařízení. Vzhledem k tomu, že u různých typů zařízení se profil používá různým způsobem, tak se struktura profilů různých typů zařízení poněkud liší. U vstupních zařízení, která stojí na samém začátku řetězce, je například zapotřebí umět hodnoty konvertovat pouze jedním směrem z prostoru zařízení do PCS. Tyto profily proto mohou být jednosměrné umožňující převod právě jen tímto jedním směrem. Výstupní zařízení vyžadují naproti tomu profily obousměrné, umožňující převod z i do PCS. Výstup sám o sobě, aby měl správné barvy, sice vyžaduje pouze převod z PCS do mateřského prostoru a možnost převodu opačným směrem se může zdát na první pohled zbytečná, ale ve skutečnosti je to jedna z nejužitečnějších věcí, kterou systematická správa barev přináší. Obousměrnost profilu totiž umožňuje simulaci vzhledu výstupu z tiskárny nebo jiného zařízení na monitoru (tj. soft proofing). Zcela zvláštní kategorií jsou pak profily displejů. Vzhledem k tomu, že monitor slouží současně jako vstupní zařízení (obrazem na monitoru se řídíme při editování) i výstupní zařízení (tj. pro zobrazení výsledku), musí být profil monitoru přirozeně obousměrný. Má však i další specifika, např. může obsahovat i informace o kalibraci monitoru apod. Profily lze klasifikovat podle jejich struktury i jiným způsobem. Podle toho, jak je převodní vztah mezi prostorem profilu a PCS vyjádřen, profil může být trojího druhu: Buď je převodní vztah mezi prostorem, který profil popisuje, a PCS daný prostřednictvím matematického vzorce jako třeba u srgb ve výše uvedeném příkladě. Vzhledem k tomu, že hlavní součástí je lineární transformace vyjádřená maticí, hovoří se v tomto případě o profilech maticových. Nebo profil obsahuje vyhledávací tabulky pro převod jedním či oběma směry a je to tzv. tabulkový profil. ICC standard 4.0 dovoluje rovněž hybridní profily, které v sobě oba předchozí typy navzájem kombinují. I u jednoho a téhož profilu mohou být při konverzi výsledky trochu jiné, v závislosti na tom, který CMM (color engine) konverzi mezi prostory provádí. Výsledky se liší podle toho, jak sofistikovanou interpolaci tabulkových hodnot CMM používá (a také jak nakládá s barvami mimo gamut). Jednoduchá klasická interpolace použitá přímo v CIELABu, totiž nedává nejlepší výsledky, protože CIELAB není dokonale perceptuálně rovnoměrný. Autoři CMM proto používají různé triky, které se snaží nerovnoměrnost CIELABu eliminovat od nejrůznějších kompenzací při interpolaci, přes speciální perceptuálně rovnoměrnější pomocné prostory, do kterých se hodnoty za účelem provedení interpolace z PCS převádí, 4

až po speciální vlastní PCS, které profily mohou podporovat vedle povinného CIEXYZ nebo CIELABu. Shrnuto a podtrženo, nejen různé profily pro totéž zařízení, ale i různé kombinace profilů a konverzi provádějících modulů mohou fungovat různě dobře. Systém často má k dispozici několik různých CMM (např. CMM vlastní operačnímu systému, Adobe CME, který jsme dostali s Photoshopem, případně i další). Profil může obsahovat záznam o tom, který modul s ním má být defaultně použit, je-li tento modul k dispozici a nezvolil-li uživatel explicitně jiný. To dovoluje automatické použití CMM, který dovede využít různé speciální informace, které může profil obsahovat, je-li tento CMM k dispozici. Na druhou stranu, ponecháte-li volbu CMM na automatice, tak nikdy nevíte, který CMM byl použit, což v případě, že výsledky nevypadají tak, jak byste chtěli, může být problém. Proto bývá často doporučováno zvolit si natvrdo jeden CMM, který budete používat, a s jinými experimentovat pouze tehdy, když ten zvolený nefunguje dostatečně dobře. 1.4 Záměr Dobře může v různých situacích znamenat něco jiného. Použijeme-li přirovnání k překladu z jednoho jazyka do druhého, tak dobrý překlad technického manuálu nebo vědecké publikace splňuje jiná kritéria než dobrý překlad Shakespeara. V obou případech je samozřejmě potřeba zachovat celkový smysl textu, ale zatímco v prvním případě je hlavním kritériem maximální přesnost obsahu do všech detailů, v tom druhém je to spíše estetické působení přeloženého textu. Podobně je tomu i u reprodukce barev. Proto je možné při konverzi z jednoho barevného prostoru do druhého deklarovat záměr. Je možné ho buď při konverzi zvolit explicitně nebo je volba implicitní, v podobě defaultu daného profilem. ICC standard rozeznává následující čtyři možnosti: relativní kolorimetrický: Reprodukuje ty barvy, které jde reprodukovat, přesně, barvy mimo gamut se ořežou a nahradí pokud možno co nejbližším reprodukovatelným odstínem. Bere v úvahu, že oko se adaptuje na bílý bod média tj. zajistí, aby bílá na vstupu byla bílá i na výstupu tak, že bílý bod zdrojového profilu namapuje na bílý bod uvedený v cílovém profilu absolutní kolorimetrický: Funguje podobně jako relativní kolorimetrický, ale neprovádí se transformace bílé, tj. např. namodralá bílá monitoru je pak na nažloutlém papíru simulovaná pomocí modré barvy perceptuální: Místo snahy o pokud možno přesné zachování těch barev, které zachovat lze, se snaží zachovat vzájemné vztahy mezi barvami. Místo toho, aby barvy obsažené v gamutu cílového prostoru byly zachovány přesně a ty, které jsou mimo gamut, byly ořezány, transformují se všechny barvy tak, aby se výsledek vešel do cílového gamutu (tj. dochází k úmyslnému posunu barev) cílem je zabránění vzniku nepřirozených jednolitých ploch, zachování plynulých přechodů atd saturace: Cílem je v tomto případě zachování co nejvyšší saturace (sytosti) barev, bez ohledu na věrnost barevného tónu Pro práci s fotografiemi je obvykle nejvhodnější volit relativní kolorimetrický nebo perceptuální záměr. Pokud se jedná o převod mezi prostory s víceméně podobným gamutem nebo o převod obrázku, který obsahuje spíše pastelové, méně saturované barvy, relativní kolorimetrický záměr barvy přesněji zachová a poskytne tak lepší výsledky. Perceptuální 5

záměr je vhodný především v případech, kdy se barvy konvertují do prostoru s výrazně menším gamutem a obrázek obsahuje větší množství sytých barev, které jsou mimo gamut cílového prostoru. Absolutní kolorimetrický záměr se může hodit pro vytváření náhledů na odlišném médiu (proofing). Volba záměru saturace není vesměs pro fotografické účely vhodná, hodí se spíš pouze pro některé typy grafiky (schémata, grafy, text apod.). Profil zdaleka nemusí podporovat všechny čtyři jmenované záměry. Specialne maticové profily založené na matematickém vzorci např. umožňují pouze relativní a absolutní kolorimetrický záměr. Transformace zaznamenaná v profilu odpovídá relativnímu kolorimetrickému záměru (bílá v daném prostoru je namapována na bílou v PCS s chromatičností D50 a naopak). Absolutní kolorimetrický záměr se provádí dodatečným zpětným ztransformováním bílého bodu pomocí již zmíněné Bradfordovy transformace. Mezi volbami záměru perceptuální a relativní kolorimetrický v tomto případě není žádný rozdíl v obou případech se totiž provede konverze s relativním kolorimetrickým záměrem. 1.5 Profilování a kalibrace Použijeme-li opět přirovnání barevných prostorů k jazykům, pak jak už bylo zmíněno výše profil je cosi jako slovník. Může být dokonce podobně jako slovník jedno nebo obousměrný. Velmi důležité je si uvědomit, že jazyk není slovník a naopak. Slovník jen zachycuje slovní zásobu v určitém stádiu vývoje jazyka a činí tak s větší nebo menší přesností. Se slovníkem sto let starým, který obsahuje slova a slovní tvary dnes už dávno nepoužívané a slova v zastaralých významech, zato ale neobsahuje spoustu termínů, které dnes běžně používáme, současný text přesně nepřeložíme. Šance, že překlad bude dostatečně přesný, také není nijak valná, máme-li k dispozici pouze malý kapesní slovníček nebo slovník, s jehož přesností si autoři nedali příliš práce. Podobně také profil popisuje chování zařízení v jistém daném okamžiku, kdy byl profil vytvořen, i v tomto momentu je různě přesný, protože obsahuje převodní hodnoty jen pro limitovaný počet barev a navíc tyto hodnoty byly obdrženy za pomoci měření, která mohou být různě přesná. To, jak je profil užitečný tudíž závisí na dvou věcech: do jaké míry se zařízení chová stejně jako v době vytvoření profilu jak je profil přesný v době pořízení Čili je zapotřebí mít kvalitní profil, ale vedle toho je také nutné mít zařízení správně zkalibrované, tak aby to profilu odpovídalo. Některá zařízení hodně driftují a je potřeba je kalibrovat a profilovat často, jiná jsou stabilnější a uživatel je třeba dokonce ani sám kalibrovat nemůže. Kalibrace a profilování zařízení jsou dvě zcela různé a na sobě nezávislé činnosti, jejichž provádění má za cíl u každé z nich něco jiného. Řada lidí v tom má trochu zmatek, patrně protože u monitoru, což je zařízení, u kterého si nejvíce lidí vytváří svoje vlastní profily, software pro tvorbu profilu pomáhá monitor rovněž i zkalibrovat a kalibraci spolu s tvorbou profilu uživatel provádí většinou najednou, v jednom kroku. Kalibrace ale není nic jiného než prosté uvedení zařízení do nějakého žádoucího stavu, jehož cílem je zajistit, aby se zařízení chovalo určitým způsobem např. aby jako odezvu na hodnoty 255, 255, 255 monitor opravdu vyprodukoval bílou se zvolenou chromatičností, tj. aby byl správně nastavený bílý bod monitoru. Kalibrace tudíž ovlivňuje chování zařízení. Vytvoření profilu je naproti tomu čistě jen zhotovením popisu toho, jak se zařízení v tom kterém stavu chová. Existence takového popisu chování zařízení nijak nezmění, pouze umožňuje posílat 6

zařízení správné hodnoty, tak aby zařízení produkovalo požadovaný výstup, nebo správně interpretovat hodnoty, které zařízení produkuje. 1.6 Principiální limity a úskalí správy barev Color management není všemocný. Většina hlavních problémů a omezení již byla v tomto nebo v předchozích dílech seriálu zmíněna, ale zrekapitulujme si je tu ještě jednou, všechny pěkně pohromadě. Barevné vidění je vysoce komplikovaný proces a barva je subjektivní vjem, závislý na mnoha faktorech. Objektivní měření barev je založené na zjednodušeném modelu, jehož platnost a přesnost je omezená. Color management tato omezení nutně dědí. Cílem správy barev je uspokojivé zachování barev. Absolutní zachování barev je nereálné. Navíc ne úplně vždy je co nejpřesnější zachování barev žádoucí a color management aplikovatelný. Gamuty barevných prostorů založených na malém počtu reálných primárních barev nemohou obsahovat všechny reálné barvy. Nahrazování barev mimo gamut jinými barvami je při konvezích mezi prostory nevyhnutelné. Tabulkové profily nemohou obsahovat převodní hodnoty pro všechny barvy, ale jen pro malé procento z nich. Stejně tak při profilování zařízení nelze provést měření pro všechny barvy či všechny číselné kódy. Proto jak při konverzi z jednoho prostoru do druhého, tak i při vytváření profilů hraje významnou roli interpolace, kterou bohužel komplikuje perceptuální nerovnoměrnost CIELAB prostoru. Fyzická zařízení mají fyzické limity. Měřící zařízení pracují s omezenou přesností, vstupní a výstupní zařízení dovolují kalibraci pouze v jistých směrech a s jistou přesností a s časem více či méně driftují od stavu zaznamenaného v profilu. Závěr Jak je vidět, proces zachování co nejvěrohodnějších barev je poměrně komplikovaný. Vezme-li v úvahu všechny položky z kap.??, je až obdivuhodné, že správa barev vůbec funguje. Dosažení absolutního zachování barev je v podstatě nemožné, avšak při správném pochopení barevných profilů a jejich použití je možné se co nejlepším výsledkům alespoň přiblížit. Literatura [1] Paladix.: WWW stránky, [online], [cit. 2010-04-06], URL: http://www.paladix.cz/ clanky/sprava-barev-zakladni-principy-a-soucasti.html 7