Dalla acquisizione di immagini in laboratorio alla misura di qualità del colore restituito dalla gamma Reflex DSLR Nikon secondo gli standard ICC. Un viaggio dalle sensibilità spettrali dei sensori Nikon FX e DX alla colorimetria standard.
Curve di sensibilità delle fotocamere e diagrammi di cromaticità nello spazio r,g
Dunque siamo arrivati al punto di capire che un qualsiasi colore in natura (spettro continuo) viene trasformato dall'occhio in una terna di stimoli nervosi, dalla colorimetria in una terna XYZ e da una fotocamera in una terna RGB. Esistono colori che l'occhio o una fotocamera non possono vedere? No! Nella misura in cui una radiazione cade nell'intervallo della luce visibile, questa può essere vista sia dall'occhio che da una fotocamera, qualunque sia il suo contenuto spettrale. Ma allora qualsiasi sistema è equivalente ad un altro? Di nuovo no! Le differenze consistono nella capacità di distinguere uno spettro da un altro, cioè nel rendere due terne numeriche diverse. Esistono allora delle curve di sensibilità ideali che permettono la massima differenziazione tra spettri, pur riconducendoli sempre a tre numeri? La risposta è sì!
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Curve di sensibilità ideali
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Diagramma di cromaticità ideale
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Curve di questa forma darebbero luogo ad un diagramma di cromaticità con estensione massima, cioè pari all'intero triangolo equilatero (in 3 dimensioni) all'interno del quale è contenuto il diagramma di cromaticità xyz. Proiettato sul piano xy, il diagramma di cromaticità si presenterebbe come rappresentato nella figura “Diagramma cromaticità ideale”. A questo punto diventa interessante tracciare il diagramma di cromaticità specifico per ogni fotocamera (ma con coordinate rgb specifiche della fotocamera e non xyz cromatiche della colorimetria). Questo ci darà una idea della capacità della fotocamera di discernere gli spettri dei diversi colori. In fase di riproduzione può essere che il sistema di riproduzione delle immagini (monitor, video proiettore o stampa di qualsiasi genere) non sia in grado di rappresentare distintamente i colori registrati dalla fotocamera, ma questo diventa un problema di riproduzione, dove ormai la fotocamera non ha più ruolo.
Partendo dalle curve di sensibilità delle fotocamere, mostrate in precedenza, e simulando uno stimolo monocromatico di lunghezza d'onda variabile tra il roso ed il blu, è possibile tracciare per ogni modello di fotocamera il proprio diagramma di cromaticità in coordinate rg, dove:
r = R/(R+G+B)
g = G/(R+G+B)
b = B/(R+G+B)
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D4
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D800
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D600
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D610
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D7100
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D5200
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D5300
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Diagramma di cromaticità rg Nikon D3200
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Diagramma di cromaticità rg Nikon P7800
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Come appare evidente l'estensione dei diagrammi di cromaticità nel piano rg tende verso la forma ideale a triangolo, e questo è indice di elevata capacità di discriminazione dei colori. Questi diagrammi sono derivati dalle curve di sensibilità calcolate in laboratorio, che a loro volta sono calcolate considerando la risposta media del sensore nella parte centrale. In questo modo si sta valutando la risposta della media centrale del sensore senza tenere conto di altri fenomeni come il rumore termico o la variabilità di guadagno del singolo pixel. Per questo motivo, ad esempio, questo grafico non tiene in considerazione altri parametri di bontà della fotocamera, come la rumorosità del sensore. Non c'è quindi da stupirsi se in questi grafici “modelli inferiori” mostrano caratteristiche superiori a modelli più blasonati.
Da RGB ad XYZ: profili di colore. Misura della qualità del colore
Da quanto scritto sino ad ora una cosa appare evidente: una fotocamera, qualsiasi fotocamera, registrando un colore non assegnerà mai a quel colore le giuste coordinate XYZ, bensì una terna di valori RGB che dipenderanno strettamente dalle curve di sensibilità specifiche di quella fotocamera. Come facciamo quindi ad ottenere da una fotografia (in RGB) una immagine con i colori giusti (XYZ o loro derivazioni)? Per fare questo è necessario associare alla immagine della fotocamera e quindi ai valori RGB dei suoi pixel un così detto profilo di colore, cioè un sistema che “traduca” i valori RGB in una terna colorimetrica X'Y'Z' la più simile possibile a quella XYZ ideale derivata dalle CMF applicate allo stesso colore.
Prendiamo ad esempio la riga dei colori primari sul Color Checker a 24 colori.
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Scala colori x-rite Color Checker
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Colori primari e spettri
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Riflettanze spettrali delle tacche 3, 7 e 11 (RGB) e 15, 19 e 23 (CMY) del Color Checker. |
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Gli spettri riflessi dalle tacche di colore che raggiungeranno la fotocamera non saranno esattamente quelli sopra tracciati (riflettanza spettrale) ma la loro combinazione con lo spettro dell'illuminante. Affinché la fotocamera assegni ai colori terne numeriche indipendenti il più possibile dalla illuminazione è necessario impostare correttamente il bilanciamento del bianco, possibilmente eseguendo una misura del bianco “preset” tramite apposito cartoncino neutro per “white balance”.
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Misurazione del bilanciamento del bianco “PRE” in una delle quattro memorie disponibili su D600/610
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L’help in linea che, premendo il pulsante “?”, offre la descrizione della specifica funzione selezionata
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Riassumendo quindi, il viaggio della luce e del colore passa per queste tappe fondamentali dove abbiamo:
• un illuminante con il suo spettro (sorgente di luce) che colpisce una superficie
• una superficie con una sua riflettanza caratteristica
• la radiazione emergente dalla superficie che contiene lo spettro della luce incidente modificato secondo la riflettanza della superficie stessa
• il sensore della fotocamera (formato RAW) che pesa lo spettro della radiazione emergente, secondo le proprie curve di sensibilità e lo traduce in valori RGB
• il bilanciamento del bianco che storna dall'RGB letto l'RGB della luce incidente (precedentemente misurato con la procedura di misura del bilanciamento del bianco – “PRE”)
• applicazione del profilo di colore (precedentemente misurato tramite procedura di caratterizzazione della fotocamera) e traduzione delle terne RGB in terne colorimetriche X'Y'Z' (o in alternativa Lab, altro spazio colorimetrico equivalente ad XYZ, ma con valori percettivamente coerenti)
Tutto questo è stato oggetto di standardizzazione da parte di un consorzio internazionale, l'International Color Consortium ICC. Questo organismo quindi mantiene e pubblica un documento di specifiche che regola le modalità attraverso cui codificare il profilo di colore, sia embedded nel file di immagine sia come file separato con estensione “.icc”. Questo documento è oggi alla versione V4. Nel documento sono indicati gli schemi a blocchi per le trasformazioni matematiche da applicare ai canali del dispositivo di acquisizione per arrivare alle coordinate di uno spazio colorimetrico comune (Profile Connection Space - PCS).
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Conversione da dispositivo di input a spazio di colore secondo lo standard ICC
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Esistono diversi software che permettono di calcolare il profilo di colore (o caratterizzazione) di un dispositivo di input. Profilocolore ha sviluppato un software proprietario con due moduli.
• Il primo modulo implementa il calcolo e la rappresentazione del profilo secondo le specifiche ICC, cioè una combinazione lineare (matrice 3x3) di Look Up Table (3 curve tonali). • Il secondo modulo aggiunge un ulteriore stadio di calcolo con altre 9 curve tonali ed un'altra matrice 3x3. Il secondo modulo va oltre lo standard ICC (per questo non lo abbiamo inserito in questa pubblicazione) ed apporta un ulteriore e fondamentale beneficio nella caratterizzazione della fotocamera. I risultati di precisione in questo articolo si riferiscono alla applicazione del solo primo modulo; l'applicazione anche del secondo rende i DeltaE residui tali da non distinguere ad occhio i colori originali da quelli ottenuti dalla fotocamera. |
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Una indicazione obiettiva della bontà della riproduzione del colore è quindi quella di confrontare le terne XYZ vere di un insieme di colori con le terne X'Y'Z' ottenute da una fotocamera dopo avere applicato tutti i parametri del profilo di colore, calcolati nel miglior modo possibile nel rispetto dello standard ICC.
Questo può essere fatto in due modi. Il primo consiste nel fotografare un Color Checker standard a 24 tacche del quale siano disponibili le misure colorimetriche (come ad esempio si possono trovare sul sito della Babel Color di Danny Pascale per il Color Checher Gretag). Il secondo, quello seguito da noi, consiste nell'esporre la fotocamera ad una luce di cui sia perfettamente noto lo spettro, calcolare dallo spettro e dalle CMF le XYZ, e confrontarle con quelle ottenute dalla fotocamera dopo l'applicazione del profilo di colore secondo gli standard. Noi abbiamo scelto questa seconda modalità di misura sulla base di due considerazioni.
1) Tutti i colori del Color Checker a 24 tacche sono compresi in una area del diagramma di cromaticità abbastanza limitata (corrispondente ad uno spazio di colore sRGB) quindi poco significativi ai fini del test, mentre gli stimoli luminosi che abbiamo utilizzato sono tutti prossimi alla periferia del diagramma quindi a saturazione molto elevata, creando una situazione di test molto più critica per la fotocamera;
2) L'uso di un monocromatore, una sfera di integrazione di luce, attraverso la quale è possibile fornire una illuminazione assolutamente uniforme e calibrata, ed uno spettroradiometro con precisione tracciabile rispetto ad istituti metrologici internazionali, ci ha permesso di raggiungere precisioni estremamente elevate e di esplorare il comportamento delle fotocamere in zone estreme del diagramma di cromaticità.
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Scala colori x-rite Color Checker 24
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Diagramma di cromaticità del Color Checker 24 tacche
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Coordinate cromatiche xy del Color Checker 24 a confronto con lo spazio di colore sRGB (triangolo nero all’interno del diagramma di cromaticità). Dalla figura del diagramma di cromaticità del target Gretag a 24 tacche si evince come i colori di riferimento rispetto ai quali si calcola normalmente il profilo di colore di una fotocamera siano tutti compresi in una dinamica cromatica abbastanza limitata. Questo vuol dire che per colori molto saturi (lontani dal bianco intorno a 0,33-0,33) prossimi al confine esterno del diagramma, il profilo lavora per estrapolazione rispetto ai dati sui quali è stato calcolato, con l'introduzione di inevitabili approssimazioni. In questo lavoro frutto della pubblicazione eXprience abbiamo quindi seguito una strada diversa e più precisa.
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Ogni fotocamera è stata quindi esposta ad 8 stimoli luminosi. Nel test di ogni fotocamera mostriamo quindi per ogni stimolo:
•La posizione esatta sul diagramma di cromaticità (XYZ/xyz vere)
• La posizione in base alle X'Y'Z'/x'y'z' ottenute dall'RGB della fotocamera più profilo di colore specifico
• Tacca di colore in sRGB da XYZ e tacca di colore in sRGB da X'Y'Z' con DeltaE2000 per rendere una idea visiva della fedeltà di colore (nei limiti cromatici dei monitor di riproduzione)
Va sottolineato che le differenze di colore percepibili ad occhio non sono quelle tra il colore originale e quello restituito dalla fotocamera profilata, le cui coordinate cromatiche uscirebbero dal Gamut di qualsiasi monitor o sistema di stampa, data la loro ampiezza, bensì dalla loro conversione nello spazio sRGB attraverso un intento di rendering colorimetrico relativo.
Gli esatti scostamenti tra coordinate CIE (XYZ / xyz) degli stimoli luminosi forniti alle fotocamere (misurati nel nostro laboratorio in sfera di integrazione di luce con spettroradiometro INSTRUMENT SYSTEM CAS 140CT e corrispondenti coordinate CIE (X'Y'Z' / x'y'z') restituite da fotocamera dopo profilazione standard ICC, sono state riportati per ogni fotocamera nei diagrammi di cromaticità CIE '31 2° che seguono. Il centro dei quadratini blu indica le coordinate vere, il centro dei quadratini rossi indica le coordinate ottenute dalla fotocamera profilata, i numeri su fondo giallo indicano la progressione dei colori di test, il centro dei quadratini magenta corrisponde alla conversione in spazio sRGB (triangolo nero) dei colori originali. La x bianca indica le coordinate cromatiche del bianco D65 caratteristico dello spazio sRGB.
Nella tabella di colori in alto a destra sono riportati i colori di test (in ordine dall'alto in basso) convertiti in sRGB (per renderli compatibili con i sistemi di visione comuni come i monitor). I colori di sinistra sono quelli originali ed i colori di destra sono quelli restituiti dalla fotocamera profilata. La colonna centrale indica la misura della differenza di colore secondo l'algoritmo DeltaE2000 basato sulle coordinate percettive Lab delle equivalenti XYZ.
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Comparazione CIE/Nikon D4
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Comparazione CIE/Nikon D800/D800E
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Comparazione CIE/Nikon D600
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Comparazione CIE/Nikon D610
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