階調曲線&螢幕視覺

本篇在於探討不同階調曲線對影像呈現在液晶螢幕的視覺色彩影響為何?基於數位攝影影像階調與液晶螢幕顯示大部分經由視覺評量,所以必須了解不同被攝體表面與色彩,對液晶螢幕之影像階調與人眼觀測產生之變化,探究出最佳化模式。

測試影像:亮面&霧面拍攝

選擇以木質表面分別塗佈霧面與亮面塗料,了解不同表面材質(反射率)及色彩的主體在攝影上之視覺效果。

考量被攝體在實際應用上受光角度的多樣變化性,與複雜的商業攝影需求較為接近,採用測試被攝體為素描練習用之小木偶(30cm高),表面光質特性根據使用塗料的不同,分散射表面(霧面)與鏡射表面(亮面)兩種。

圖3-1 第一列:霧面、第二列:亮面

  • 圖3-1對於拍攝的兩種表面塗佈木偶(第一列: 霧面,第二列: 亮面)進行色彩評估。
  • 由於色彩範圍太過廣泛,因此採用實際商用領域經常性接觸之色彩(咖啡色、橙色、粉紅色、水藍色)四種以及無色彩(黑色、白色、銀灰色)三種為代表。
  • 以14個小木偶分為兩組,一組則表面是霧面,另一組表面上亮面噴漆。
  • 為求色彩能完全均勻覆蓋木頭顏色,故分為3次重複性著色,以達到所要之色彩呈現。
  • 14個小木偶著色後經24小時乾燥,以Eye-One Pro分光儀搭配Eye-One Share軟體量測每個小木偶胸前平滑區域的CIELAB值,結果如表3-1。

表 3-1 小木偶表面塗佈後的 CIE LAB 色度值

  • 攝影燈光的設定如圖 3-2,使用3具COMET-3200W電筒及COMET – 400W單燈1盞。
  • 燈光位置與出力分別為:主光位於左上方約60輸出瓦數為400W光圈值為f22,頂光位於上方約90輸出瓦數為200W,輔助光位於右上方約45輸出瓦數為317W,背景光則位於正後方約15處輸出瓦數為1/4。
  • 使用光源面積比為2:1,光源對比分別為主光是3頂光是2輔助光是1,主光比為2:1,次光比為5:1。
  • 燈光的色溫及頻譜部分(圖3-3)經由使用MINOLTA色溫表與Eye-0ne Pro光度計所測得的數據,分別是主光5050K、頂光5050K、輔助光5050K以及背景光5010K。
  • 光質控制部份使用的是自製100×100公分木質框,並利用雙面膠黏貼95公克之描圖紙進行光質柔化,架設方式以四片控光幕距離木偶40公分處以ㄇ字型圍繞,與光源距離則為100公分。

圖3-2 攝影燈光設置

圖3-3 攝影燈光之頻譜特性(相關色溫CCT=5,251K,演色指數CRI=98)

  • 攝影燈光的設置如圖3-2所示:主光位於左上方約60輸出瓦數400W光圈值為f22,頂光位於上方約90輸出瓦數為200W,輔助光位於右上方約45輸出瓦數為317W,背景光則位於正後方約15處輸出瓦數為1/4(400W)。
  • 首先將Horseman 4×5相機固定在FOBA大型角架上,裝上Schneider Makro – Symmer 5.6/180 mm傳統鏡頭,使Horseman 4×5相機前後面板上裝置之水平儀呈現在水平狀態,拍攝畫面比例約為80 % 後進行對焦。
  • 以測光表測得的標準光圈 f22為中心,以1/2級光圈包圍曝光方式連續拍攝五張影像。
  • 所得影像曝光量分別為:f16 ~ f161/2 ~ f22 ~ f221/2 ~ f32。

應用設計:

根據測試影像視窗的描述,產生霧面(黑、白、銀灰、彩色)與亮面(黑、白、銀灰、彩色)兩類共8種影像,每一種影像以標準光圈但不同階調曲線(None、Contrast、Brighter、Darker、Shadow)拍攝五張,再以拍攝時底片特性區分(Linear、Standard)兩種,總共是80張測試影像。

使用Phase One P45+ 數位機背專屬軟體(Capture One )以兩種底片特性(Standard and Linear)模式下,輸出五種不同階調曲線(None、Contrast、Mid tones – brighter(簡稱Brighter)、Mid tones –darker(簡稱Darker)、Shadows – brighter (簡稱Shadow)之測試影像,進行人眼視覺實驗評比底片特性(Standard and Linear)與階調曲線之間的關係。

使用Matlab軟體撰寫影像配對比較實驗程式,為考慮實驗數據信度,因此程式內增加重複比對,以檢測其實驗信度。實驗對象是以影像相關之專業人士,其中分為平面廣告設計、印刷廠師傅、印前人員及一般美術編輯人員,受測人數約為25 ~ 30人,年齡分布約在25 ~ 45歲。實驗場地設於專業攝影棚內,並以全暗室環境提供觀測者進行視覺實驗(圖3F-1 ~  3F-2)。

實驗前先行對受邀觀測者進行石原忍色盲檢測,通過後才可進入正式視覺實驗。實驗程序基本上與 E 相同。

圖 3F-1 使用之標準觀測燈箱 ( D65 ) 的光源頻譜特性

( 相關色溫 CCT = 6,517K,演色指數 CRI = 95,頻譜為紅色曲線 )

圖 3F-2 標準觀測燈箱 ( D65 ) 與液晶螢幕 ( D65 )

操作流程:

  • 拍攝 Color Checker SG導表,並以該機背專屬用軟體(Capture One )輸出五種階調曲線(None、Contrast、Mid tones – brighter、Mid tones – darker、Shadows – brighter)及兩種底片特性曲線(Standard and Linear)模式。
  • 使用Matlab軟體撰寫影像配對比較實驗程式。
  • 觀測者觀看色盲檢測手冊,進行色盲檢定。
  • 觀測者進行約60 ~ 90秒左右,螢幕亮度適應。
  • 觀測者配對實驗指導語解釋與說明。
  • 標準觀測燈箱(D65)內實際被攝體記憶,約60 ~ 90秒左右。
  • 在螢幕上選出測試影像中,曝光指數增減較佳的影像。
  • 利用Thrustone的配對比較法則分析數據。

技術分析:

本研究的數位機背(Phase One P45+)由專屬軟體Capture One 控制,影像擷取時除了可選用不同的底片特性曲線(Characteristic Curve),也可進行階調曲線(Curve)調整。本篇經由最佳曝光實驗中兩種基本底片特性描述 (Film Standard 與 Linear Response)所得之曝光值,分別套用這兩種特性曲線後,再分別選擇五種不同階調曲線(None、Contrast、Brighter 、Darker、Shadow)做影像輸出。圖3F-3 顯示Contrast、Brighter 、Darker、Shadow 這四種階調曲線的控制參數與曲線外觀。

圖3F-3 由左至右:Contrast、Brighter 、Darker、Shadow 等四種階調曲線

分別將影像分成「有背」(圖3F-4)與「去背」(圖3F-5)兩組影像,邀請30位專業及非專業人士進行暗室視覺評比實驗。由圖3F – 4可看出背景的亮度變化不像E視窗(圖3E-5)的那麼大,唯一可看出明顯差異的是使用Dark階調曲線使背景變暗。「去背」影像是用Photoshop中的選色工具人工分割背景,再填入RGB =(127,127,127)的灰色。

圖3F-4 視窗 F的「有背」影像(以銀灰亮面木偶為例)

圖3F-5 視窗F的「去背」影像(以銀灰亮面木偶為例)

視覺實驗統計結果詳列於表3F-1與表3F-2,圖3F-6 是表3F-2中,黑色去背景的木偶視覺評分實例。從數據的觀察,可獲得以下歸納:

  • 從Z分數的變化幅度可知五種階調曲線的影響遠不如實驗五的光圈變化大。
  • 平均表現以不處理(None)的效果最好,Shadow 的效果最差。
  • Linear Response與Film Standard兩種特性曲線下的評分表現在白色與銀灰的木偶差異較大,與實驗五所觀察到的現象一致。
  • 大體而言,在Linear Response下使用Contrast階調曲線有正面的效果,但在Film Standard下使用Contrast階調曲線則有負面的效果,這是因為FilmStandard 本身已具有提高對比的作用,在額外增加Contrast會使影像對比過份誇張。這意味著適度增加對比可獲得正面效果,但過度增加對比會導致反效果。
  • 亮面與霧面的視覺評分表現差異不大,與實驗五所觀察到的現象一致。
  • 大體而言,「去背」與「有背」的結果差異不大,其中以白色木偶受背景影響的差異較大,與實驗五所觀察到的現象一致。
  • 不同顏色有明顯不同的階調偏好,黑色木偶偏好Brighter階調,白色則偏好Darker。

圖3F-6 黑色(去背) Z 值分析

表3F-1 有背影像底片特性與階調曲線視覺評比實驗之Z分數

表3F-2 去背影像底片特性與階調曲線視覺評比實驗之Z分數

結 論:

攝影之底片特性(底片特性曲線)於Capture One 軟體中五種預設階調曲線的影響遠不如光圈變化對影像品質的影響大,平均表現以不處理(None)的效果最好,提高暗部亮度(Shadows-brighter)的效果最差。整體而言,在Linear Response下使用Contrast階調曲線有正面的效果,但在Film Standard下使用Contrast階調曲線則有負面的效果。

 

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