توازن الألوان

يهتم البشر بدرجة لون البشرة أكثر من غيرها من الألوان. قد لا تُشكل ألوان الأشجار والعشب والسماء مشكلة، لكن إذا كانت درجة لون بشرة الإنسان غير طبيعية، فقد يبدو الشخص مريضًا أو ميتًا. ولمعالجة هذه المشكلة الحرجة المتعلقة بتوازن الألوان، صُممت الألوان الأساسية الثلاثة بحيث لا تتوازن تمامًا كلون محايد. والهدف من هذا الخلل في توازن الألوان الأساسية هو إعادة إنتاج درجات لون البشرة بدقة أكبر عبر نطاق السطوع الكامل.

من حيث المبدأ، يرغب المرء في تغيير جميع مستويات الإضاءة النسبية في الصورة بحيث تظهر الأجسام التي يُعتقد أنها محايدة على هذا النحو. على سبيل المثال، إذا كان سطح ما...${\displaystyle R=240}$كان يُعتقد أن الجسم أبيض اللون، وإذا كان العدد 255 هو ما يُقابل اللون الأبيض، فيمكن ضرب جميع قيم اللون الأحمر في 255/240. وبالمثل، فإن تطبيق نفس العملية على اللونين الأخضر والأزرق سيؤدي، نظريًا على الأقل، إلى صورة متوازنة الألوان. في هذا النوع من التحويل، تكون المصفوفة 3×3 مصفوفة قطرية .

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}R\\G\\B\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}255/R'_{w}&0&0\\0&255/G'_{w}&0\\0&0&255/B'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}R'\\G'\\B'\end{array}}\right]}$

أين${\displaystyle R}$،${\displaystyle G}$، و${\displaystyle B}$هي المكونات المتوازنة اللونية للأحمر والأخضر والأزرق للبكسل في الصورة؛${\displaystyle R'}$،${\displaystyle G'}$، و${\displaystyle B'}$هي المكونات الحمراء والخضراء والزرقاء للصورة قبل موازنة الألوان، و${\displaystyle R'_{w}}$،${\displaystyle G'_{w}}$، و${\displaystyle B'_{w}}$تمثل هذه المكونات الحمراء والخضراء والزرقاء لبكسل يُفترض أنه سطح أبيض في الصورة قبل موازنة الألوان. هذه عملية بسيطة لتوسيع نطاق القنوات الحمراء والخضراء والزرقاء، ولهذا السبب تحتوي أدوات موازنة الألوان في برنامج فوتوشوب على أداة قطارة اللون الأبيض. وقد ثبت أن إجراء موازنة اللون الأبيض في مجموعة الفوسفور التي يفترضها معيار sRGB يميل إلى إنتاج أخطاء كبيرة في الألوان، على الرغم من أنه قد يجعل الأسطح المحايدة محايدة تمامًا. ^{[ 10 ]}

إذا أمكن تحويل الصورة إلى قيم CIE XYZ ثلاثية المحفزات ، فيمكن إجراء موازنة الألوان هناك. وقد أُطلق على هذا التحويل اسم "تحويل فون كريس الخاطئ". ^{[ 11 ] [ 12 ]} على الرغم من أنه ثبت أنه يُقدم عادةً نتائج أقل جودة من موازنة الألوان في شاشة RGB، إلا أنه يُذكر هنا كحلقة وصل لأمور أخرى. رياضياً، يتم حساب ما يلي:

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}X\\Y\\Z\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}X_{w}/X'_{w}&0&0\\0&Y_{w}/Y'_{w}&0\\0&0&Z_{w}/Z'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}X'\\Y'\\Z'\end{array}}\right]}$

أين${\displaystyle X}$،${\displaystyle Y}$، و${\displaystyle Z}$هي قيم المحفزات الثلاثية المتوازنة الألوان؛${\displaystyle X_{w}}$،${\displaystyle Y_{w}}$، و${\displaystyle Z_{w}}$هي قيم التحفيز الثلاثي لمصدر الإضاءة المرئي (النقطة البيضاء التي يتم تحويل الصورة لتتوافق معها)؛${\displaystyle X'_{w}}$،${\displaystyle Y'_{w}}$، و${\displaystyle Z'_{w}}$تمثل هذه القيم الثلاثية لجسم يُعتقد أنه أبيض في الصورة غير المتوازنة الألوان، و${\displaystyle X'}$،${\displaystyle Y'}$، و${\displaystyle Z'}$تمثل قيم التحفيز الثلاثي لبكسل في الصورة غير المتوازنة الألوان. إذا كانت قيم التحفيز الثلاثي للألوان الأساسية للشاشة موجودة في مصفوفة${\displaystyle \mathbf {P} }$لهذا السبب:

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}X\\Y\\Z\end{array}}\right]=\mathbf {P} \left[{\begin{array}{c}L_{R}\\L_{G}\\L_{B}\end{array}}\right]}$

أين${\displaystyle L_{R}}$،${\displaystyle L_{G}}$، و${\displaystyle L_{B}}$إذا كانت شاشة العرض RGB غير مصححة غاما ، فيمكن استخدامها:

$\displaystyle \left[{\begin{array}{c}L_{R}\\L_{G}\\L_{B}\end{array}}\right]=\mathbf {P^{-1}} \left[{\begin{array}{ccc}X_{w}/X'_{w}&0&0\\0&Y_{w}/Y'_{w}&0\\0&0&Z_{w}/Z'_{w}\end{array}}\right]\mathbf {P} \left[{\begin{array}{c}L_{R'}\\L_{G'}\\L_{B'}\end{array}}\right]}$

يوهانس فون كريس ، الذي ظلت نظريته عن العصي وثلاثة أنواع من المخاريط الحساسة للألوان في الشبكية التفسير السائد للإحساس بالألوان لأكثر من 100 عام، هو من حفّز طريقة تحويل اللون إلى فضاء ألوان LMS ، الذي يُمثّل المحفزات الفعّالة لأنواع المخاريط ذات الأطوال الموجية الطويلة والمتوسطة والقصيرة، والتي تُنمذج على أنها تتكيف بشكل مستقل. تقوم مصفوفة 3×3 بتحويل RGB أو XYZ إلى LMS، ثم تُقاس القيم الأساسية الثلاثة لـ LMS لموازنة اللون المحايد؛ بعد ذلك، يُمكن تحويل اللون مرة أخرى إلى فضاء الألوان النهائي المطلوب : ^{[ 13 ]}

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}L\\M\\S\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}1/L'_{w}&0&0\\0&1/M'_{w}&0\\0&0&1/S'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}L'\\M'\\S'\end{array}}\right]}$

أين${\displaystyle L}$،${\displaystyle M}$، و${\displaystyle S}$هي قيم المحفزات الثلاثية للمخاريط LMS المتوازنة الألوان؛${\displaystyle L'_{w}}$،${\displaystyle M'_{w}}$، و${\displaystyle S'_{w}}$تمثل هذه القيم الثلاثية لجسم يُعتقد أنه أبيض في الصورة غير المتوازنة الألوان، و${\displaystyle L'}$،${\displaystyle M'}$، و${\displaystyle S'}$تمثل قيم التحفيز الثلاثي للبكسل في الصورة غير المتوازنة الألوان.

لم يحدد فون كريس المصفوفات اللازمة للتحويل إلى فضاء LMS، ولكن يمكن اشتقاقها من دوال مطابقة الألوان CIE ودوال مطابقة الألوان LMS عند تحديد الأخيرة؛ ويمكن أيضًا العثور على المصفوفات في الكتب المرجعية. ^{[ 13 ]}

By Viggiano's measure, and using his model of gaussian camera spectral sensitivities, most camera RGB spaces performed better than either monitor RGB or XYZ.^[10] If the camera's raw RGB values are known, one may use the 3x3 diagonal matrix:

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}R\\G\\B\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}255/R'_{w}&0&0\\0&255/G'_{w}&0\\0&0&255/B'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}R'\\G'\\B'\end{array}}\right]}$

and then convert to a working RGB space such as sRGB or Adobe RGB after balancing.

Comparisons of images balanced by diagonal transforms in a number of different RGB spaces have identified several such spaces that work better than others, and better than camera or monitor spaces, for chromatic adaptation, as measured by several color appearance models; the systems that performed statistically as well as the best on the majority of the image test sets used were the "Sharp", "Bradford", "CMCCAT", and "ROMM" spaces.^[14]

The best color matrix for adapting to a change in illuminant is not necessarily a diagonal matrix in a fixed color space. It has long been known that if the space of illuminants can be described as a linear model with N basis terms, the proper color transformation will be the weighted sum of N fixed linear transformations, not necessarily consistently diagonalizable.^[15]