\input ctustyle3
\slides

\verbchar`
\everyintt={\Red}
\ttindent=0pt
\csquotes

\def\em{\bf\Red}

\worktype[O/CZ]
\faculty{F8}
\department{Katedra matematiky, katedra teoretické informatiky}


\tit Typografie a \TeX/ (07)

\subtit Typografie: vnímání barev \nl\nl petr@olsak.net

\subtit\rm \url{http://petr.olsak.net/typotex.html}

\pg;

\sec Světlo a barva

* Barvu je možné charakterizovat jako funkci intenzit světelného
  výkonu na definičním oboru vlnových délek vnímaných lidským okem
  (světelné spektrum).
* Tato funkce má definiční obor: interval 400\,nm až 700\,nm 
* Pro každý bod z definičního oboru je možné připustit nekonečně 
  mnoho intenzit reprezentovaných nezáporným reálným číslem.
* Problém: jak reprezentovat nekonečně mnoho barev realizovaných
  funkcemi $f:(400,700)\to {\bbchar R}_0^+$ úsporněji?
* Problém: jak tuto fyzikání podstatu světla vnímá člověk?

\pg;

\sec Lidské oko

* Je schopné zaostřovat (pro popis barvy nepodstatné).
* Je schopné clonit světlo, což značně zvyšuje rozsah vnímaných světelných
  intenzit. Mozek a clona reflexivně stahovaná zornicí (uprostřed duhovky) 
  se velice rychle adaptují okolní intenzitě světla.\nl
  Zdá se Vám tento obdélník černý? \vrule height1em width2em
* Na sítnici jsou tyčinky, které zaznamenávají různou úroveň
  intenzity bez ohledu na vlnovou délku (umožňují černobílé vidění). Je jich
  značné množství (cca 130\,mil.) a jsou citlivější na i malé světelné intenzity.
* Na sítnici jsou také čípky tří druhů: L-čípky (citlivé na červenou),
  M-čípky (zelenou) a S-čípky (modrou). Je jich celkem asi 7\,mil.
* Mozek dešifruje signály z čípků a interpretuje je jako barvu, navíc provádí průběžně
  balancování dle prostředí (fotografové tuto vlastnost znají jako \"vyvážení bílé").

\pg;

\sec Sítnice lidského oka

\bigskip
\line{\picheight=5.7cm \inspic retine.png \hss
      \inspic cipek.png }

\pg;

\sec Tři druhy čípků

\hbox to\hsize{\picw=9cm \inspic Cones_SMJ2_E.pdf
  \hss\vbox{\hsize=8cm Tři druhy čípků, různě citlivé na různé vlnové délky.
            \vskip2cm}
}

* Čípky zhruba provádejí po příjmu světelného spektra v rozahu 400 až 700\,nm
  reprezentované funkcí $f$ tuto činnost:

$$
  \int f(x)\,L(x)\,{\rm d}x = R, \quad
  \int f(x)\,M(x)\,{\rm d}x = G, \quad
  \int f(x)\,S(x)\,{\rm d}x = B,
$$ 

* Mozek tedy dostane informaci R,G,B, navíc v relativních intenzitách.

* Viz též LMS barevný prostor.

\pg;

\sec Barevná krychle

* Předpokládejme, že plná intenzita v každé ze tří základních barev je
  charakterizovaná číslem 1. Pak lze R,G,B informace (přijaté mozkem) 
  rozprostřít do 3D krychle:

\centerline{\picw=.6\hsize \inspic b1a.png }

\pg;

\sec Dva základní barevné modely

* RGB, aditivní, barevné složky se sčítají.

\centerline{\picw=5cm \inspic b1.png }

* CMY, substraktivní, barevné složky se vzájemně ruší.

\centerline{\picw=5cm \inspic b2.png }

\pg;

\sec CIE XYZ barevný prostor

* Fromulovaný Commission Internationale de l'éclairage v roce 1931

\centerline{\picw=10cm \inspic CIE-XYZ.png }

* Vztah mezi $X,Y,Z$ a $L,M,S$:

$$
  \Umathcode\string`.= 0 1 \string`,
  \pmatrix{X\cr Y\cr Z} = 
  \pmatrix{1.91 & -1.11 & 0.2 \cr 0.37 & 0.63 & 0 \cr 0 & 0 & 1} 
  \pmatrix{L\cr M\cr S}
$$
$Y$ je subjektivní jas, $Z$ je modrá, $X$ je zbytek.

\pg;

\sec CIE xy barevný prostor

* Nezajímá nás celková intenzita světla:

$$
  x = {X\over X+Y+Z}, \quad y = {Y\over X+Y+Z}, \quad z = {Z\over X+Y+Z} = 1 -x -y
$$

* Vynesením do os $x,y$ dostáváme chromatický diagram:

\centerline{\picw=8cm \inspic b4.png }

\pg;

\sec Vlastnosti chromatického diagramu

\putpic 10cm -9.5cm 7.5cm \nospec {CIE1931xy_gamut_comparison.pdf}

* Diagram obsahuje gamut barev vnímaný člověkem.

{\hsize=9.7cm

* Na obvodu jsou \"čisté" barvy (monochromatické) 
  reprezentované svými vlnovými délkami.

* Směrem do středu jsou barvy smíšené (s menší saturací), uprostřed je šedá
  (bílá).

* Vzhledem k tomu, že jsme odstranili informaci o celkovém jasu, tato
  \"šedá" uprostřed může být bílá, světle šedá či třeba černá (představme si
  chybějící třetí rozměr pro vynesení celkového jasu).

}

* Mix dvou barev se vždy objeví na úsečce spojující tyto barvy. Mix více
  barev pak v konvexním obalu výchozích barev.

* Při mixu je odhlédnuto od substraktivního/aditivního modelu.

\pg;

\sec Barevný model RGB

* R = 700\,nm, G = 545\,nm, B = 435\,nm

* Každý kanál má svou hloubku danou počtem bitů, kterým je reprezentován.

* LCD displeje, fotoaparáty pracují v RGB, ovšem používají nelineární gamma
  korekce k dosažení ideálního smíchání barev. Na čipu fotoaparátu je preferována
  zelená v tzv. Bayerově masce.

* Zařízení užívající RGB model je kalibrované, pokud je dána chromatičnost 
  všech tří základních složek v CIE prostoru, barevná teplota (intenzitu) 
  bílé a gamma korekce pro mix.  

* RGBA označuje RGB + alfa kanál (průhlednost)

* RGB má větší gamut než CMYK. Porovnejte:

\line{\vbox{\hsize=6cm ideální modrá zobazená v RGB systému Vašeho monitoru}%
  \kern-5mm
  {\setrgbcolor{0 0 1} \vrule height2.5cm width2.5cm}%
  \hss 
  {\setcmykcolor{1 1 0 0} \vrule height2.5cm width2.5cm}\kern10mm
  \vbox{\hsize=6cm modrá přepočítaná do gamutu CMYK a následně zobrazená
  v~RGB systému Vašeho monitoru}%
}
\line{\tt\kern4CM RGB 0 0 1 \hss CMYK 1 1 0 0 \kern4cm}

\pg;

\sec Barevný model CMYK

* Barva povrchu je odražené světlo od povrchu, resp. schopnost inkoustu pohlcovat
  některé vlnové délky a zbytek odrazit.

* Bez inkoustu máme \"bílý" papír.

* Součet všech tří inkoustů CMY nepohltí všechno světlo (ačkoli ideálně by
  mělo), vzniká \"nečistá hnědá". Přidává se čtvrtý specializovaný inkoust
  pohlcující světlo co nejvíce a navíc levnější než součet barevných
  inkoustů. Dále je použití jednoho (černého) inkoustu na jemné detaily
  písma přesnější než barevný soutisk.

* Ani černý inkoust nepohltí veškeré světlo, někdy se tedy navrství na jedno
  místo všechny barvy CMY a na to černá (bohatá černá). Pro písmo se to nepoužívá.

* Polotóny jsou realizávány typicky rastrem.

* Určení barvy čtyřmi komponentami CMYK je přeurčené. Je možné spočítat 
  $\min{C,M,Y}$ to odečíst od každé složky $C,M,Y$ a přičíst ke $K$.\nl 
  To je tzv. \"čistý" CMYK: (jsou použity jen dvě barvy a přidána černá). 

* Pro rozšíření gamutu se používají i 6barevné stroje.

* Konverze RGB--CMYK by měla proběhnout dle bareveného profilu.

\pg;

\sec Tiskové rastry

* Inkoust na papíře buď je nebo není. Nikdy tam není \"zředěný" např. na
  50\,\%.

* Pro půltónování se tedy používají barevné rastry.

\centerline{\inspic Halftoningcolor.pdf }

* Stroje provádějí barevnou separaci a rastrování. Rastry mají doporučený
  sklon: žlutá: 0^^b0, černá: 45^^b0, tyrkysová, purpurová: \pm 22^^b0.

\pg;

\sec ICC barevné profily

* Barevné profily popisují přesně chování vstupního/výstupního zařízení při
  použití barev a mapují (sadou matematických vzorců nebo tabulek) barevné prostory užité 
  v těchto zařízeních na standardní barevný prostor PCS (profile connection
  space). Umožňují typicky konverzi RGB--CMYK.

* Mapování bere v úvahu i polohu tzv. \"bílého bodu", kerý má v prostoru 
  PCS souřadnice vyjádřené v CIE XYZ (0,96; 1; 0,82).

* International Color Consortium vydává standardy k těm profilům.

* Příklad: fotoaparátem zíkáme RGB data a máme k němu barevný profil.
  Pomocí něj lze RGB data převést na PCS. Dále máme barevný profil CMYK
  tiskárny. Pomocí něj převedeme PCS na CMYK data pro danou tiskárnu.

* Máme-li ICC profil k monitoru, můžeme na něm zobrazit věrný náhled
  vyfotografovaného i věrný náhled zkonvertovaných dat pro CMYK tiskárnu
  (obojí může vypadat jinak, protože je to konverze mezi různými gamuty).

* ICC profil cílové tiskárny může být uložen do PDF souboru.

\pg; 

\sec Barvy v PDF

* DeviceRGB (3), DeviceGray (1), DeviceCMYK (4) umožní přímé řízení komponent pro barvy
  na daném zařízení. Např. na různých CMYK zařízeních můžeme pomocí
  DeviceCMYK dostat různý výsledek, protože různá zařízení používají třeba
  inkoust různé kvality.

* PDF prohlížeč implementuje \"hypotetickou" konverzi DeviceRGB--DeviceCMYK.

* DTP studia nikdy nepřijímají k tisku PDF s DeviceRGB, protože barvy dopadnou
  při tisku výrazně jinak.
  Někdy taky nepřijímají CMYK bez mapování na CIE-Based prostor ICC profilem, 
  protože i zde se náhled uživatelem může lišit od výsledného tisku.

* PDF specifikace umožňuje použít na zařízení nezávislé CIE-Based prostory
  CalRGB (3), CalGray (1), Lab (3), ICCBased ($n$).

* Do PDF je možné přidat \"Output Intent" včetně ICC profilu.

* Makra \TeX/u typicky podporují jen Device\* prostory, viz též
  \url{https://tex.stackexchange.com/questions/9961}

\pg;

\sec Ideální stav

* Z fotoaparátu získáme RAW.
* SW na zpracování RAW obsahuje konfiguraci našeho foťáku.
  Pro linux jsou to dcraw, UFraw, Rwastudio, RawView.
* Při zpracování RAW nastavíme další parametry: vyvážení bílé, saturace,
  kontrast, ostrost. Pak se data konvertují do PCS.
* Je-li instalován profil monitoru, dojde ke konverzi dle profilu do
  RGB prostoru monitoru a vidíte věrné barvy.
* Je-li instalován profil tiskárny a SW na tvorbu PDF jej umí použít, pak
  dojde ke konverzi RGB$\to$PCS a PCS$\to$CMYK pro tisk.
  Dochází k~uložení profilu do PDF a (typicky) ke ztrátě barevného rozsahu.
* Náhled takového PDF na monitoru probíhá pomocí profilu tiskárny vloženého
  do PDF. Provede se konverze
  CMYK$\to$PCS a je-li instalován profil pro monitor, pak proběhne
  PCS$\to$RGB do tohoto profilu a vidíte přesně náhled, jak to dopadne
  po tisku.
* Nejsou-li příslušné profily instalovány či je SW neumí použít, použijí je
  \"stadnardní" profily dle běžných zařízení. X window system (monitor)
  a PDF prohlížeče (náhled) něco takového dělají.

\pg.

