כיצד מצלמה דיגיטלית רואה צבע

נתחיל במעט פיסיקה של הצבע.
אור הנראה לעין האנושית כידוע, הוא חלק קטן מן הספקטרום של הקרינה האלקטרומגנטית.
צבע, בתורו – הוא אורך גל מסויים מתוך כל הספקטרום של אותה הקרינה האלקטרומגנטית. לכן, צבעו של העצם מאובחן כאשר מגיע ממנו אור (שלמעשה חוזר מן העצם אל העין האנושית) באורך הגל האופיינילצבע. הדוגמה הטובה להמחשת העובדה שהאור ה"לבן" הוא בעצם כל הצבעים כולם הוא ניסוי המנסרה  המדגים את ההרכב הספקטרלי של אור לבן: כשהאור הלבן מתפצל לכל צבעי הקשת לאחר מעבר במנסרה הוא בעצם מדגים בפנינו את ההרכב הספקטרלי הטמון בו. אם כך - לכל צבע – אורך גל האופייני לו, במונחי קרינה אלקטרומגנטית. ככל שאורך הגל גבוה יותר– הצבע יהיה "חם" יותר – מצהוב עד אדום. ככל שאורך הגל קצר יותר– הצבע יהיה "קר" יותר ויימצא בתחום שמתכלת עד סגול. ערכי תדירות הנמוכים או גבוהים מן התחום הנראה לעין מוגדרים כאינפרה-אדום (שמשמעו גלים ארוכים יותר מן הערכים של אדום הנראה לעין), ואולטרה-סגול (גלים קצרים יותר מן הערכים של הסגול הנראה לעין). לאורך הגל תכונה נוספת הקשורה לכמות האנרגיה שנושא הגל: ככל שהגל ארוך יותר (נוטה לעבר האדום) כמות האנרגיה האצורה בו קטנה יותר (לצורך העניין, גל מתאפיין באורך הגל כפי שאוזכר מעלה, ובתדר הגל, שנמצא ביחס הפוך לאורך הגל. שני המונחים הללו מתארים בצורה זהה את מאפייני הגל, הצבע הספקטרלי שלו והאנרגיה האופיינית לו. על מנת לא להכביד על הקורא, בהמשך יעשה שימוש רק באחד משני המונחים הללו – "אורך גל").
כאן הוא המקום לסקור בקצרה את המשמעות של התפיסה הסובייקטיבית על ידי מערכת הראייה (ובעצם, על ידי כל מערכת חושית אחרת). אמנם מערכת הראייה מעבירה מידע אובייקטיבי לגבי הצבע לאורך המסלול המתחיל בעין ומסתיים בקליפת המוח; העברת אות המידע לגבי הצבע הוא פיזיולוגי לחלוטין לאורך כל המסלול: החל במבנים מיוחדים בעין המגיבים לאור ומוסרים למערכת העצבית מידע טכני לגבי הנקלט (עוצמה, אורך גל ועוד), דרך המערכת העצבית המעבירה את המידע נאמנה מהעין אל האזור הרלוונטי על גבי קליפת המוח ועד המבנים הבסיסיים בקליפת המוח הקולטים את הפולסים החשמליים ממערכת העצבים והופכים אותם למה שאנחנו מכירים בתור מידע ראייתי. כאן לא מסתיים התהליך אלא נוסף לו מימד של פירוש אישי – המידע שעובד באיזור המיוחד למערכת הראייה בקורטקס "מתכתב" עם איזורים אחרים במפה הנוירולוגית, איזורים האחראים על "תפיסה" המתפתחים בצורה שונה אצל כל אחד מאיתנו לאורך חייו, ומהווים את "טביעת האצבע" הייחודית שלו, תפיסתו האישית. לכן, ההבנה הסובייקטיבית של כל אחד תהיה שונה לגבי אותו הצבע (ביחוד אם נוסיף לדיון תנאי תאורה משתנים היכולים ליצור "סטיה" בצורה שהמידע לגבי הצבע מגיע לעין, והשינויים הפיזיולוגיים במבנה העין אצל אנשים שונים)
אם נסכם בקצרה - צבע הוא למעשה אור (החוזר מן האובייקט אל הצופה) באורך גל מסויים. יתרה מכך: צבע הוא איננו תכונה של אור, אלא פירוש סובייקטיבי של הספקטרום המגיע למערכת הראייה של הצופה. מכאן שהגדרתו של צבע "אדום" בהתייחס לאורך הגל שלו - היא סובייקטיבית לחלוטין: כל אדם יראה, או יותר נכון יפרש"אדום" בצורה שונה.

אמינות הצבע ואיזן הלובן
צבעוניות של העצם בו אנו מתבוננים – תלויה לא רק באורך הגל של האור החוזר ממנו והתפיסה האישית שלנו של אותו הצבע, אלא גם בהרכב הספקטראלי של מקור התאורה שמאיר עליו. כאשר מקור התאורה שמאיר על האובייקט איננו "לבן" (ז"א לא נושא את כל הספקטרום, אלא נוטה לאחד הצדדים שלו ו"צובע"
בגוון מסויים) – הצבעוניות של האובייקט תשא את הגוון (הטפילי) של האור שמאיר עליו. ובמקרה כזה הצבע של העצם יהיה "חם" או לחילופין "קר" יותר – בהתייחס להרכב הספקטראלי של מקור התאורה.
העין האנושית (מדוייק יותר יהיה להגיד המוח האנושי) מסתגלת לשינויים בהרכב הספקטראלי של התאורה באופן אוטומטי להפליא: מערכת הראייה מורה למוח לפענח את האור הנראה כאור לבן, אף על פי שאיננו לבן – ובכך "מאזנת" את עיוות הצבעים. כך, למעשה, כאשר אנחנו נכנסים לחדר המואר ע"י מנורות ליבון (הנושאות יותר מטען בחלק הצהוב-כתום של הספקטרום, ולכן "צובעות" את הכל בצהוב) לוקח לנו כמה רגעים כדי להסתגל לצבע התאורה – ולאחר מכןאין אנו מבחינים כלל בגוון הטפילי הצהוב שנוכח, אלא מתייחסים לאור כאל אור לבן. מנגנון זה מכונה "איזון לובן", היות ומטרתו היא כיול מחדש של תפיסת הצבע כאשר נקודת האיפוס תמיד תתחיל מהגדרת אור(צבע) לבן. ברגע שאור כלשהו מוגדר כ"לבן" פענוח הצבע ייקח בחשבון את הגוון הטפילי הנוכח בתאורה ויעבד את הנתונים בצורה המתקנת עיוותי צבע. מנגנון זה קיים גם בציוד צילום דיגיטאלי. אומנם יכולת ההסתגלות ואופן העיבוד אינם מתקרבים ביכולתם למערכת הראייה האנושית, אך עובדים על עקרון דומה.

RGB מודל או שלושת צבעי(אורות) יסוד.
עיקר השימוש בתפיסת צבעי היסוד היא האפשרות ליצור בעזרתם מגוון צבעים וגוונים רב ככל האפשר, על ידישימוש במספר צבעי מקור קטן ככל האפשר. השילובים שניתן לעשות בין אדום ירוק וכחול (המוגדרים כשלושת צבעי היסוד) מסוגלים ליצור מספר רב של צבעים וגוונים חדשים. שיטה זואומנם לא משקפת את כל הספקטרום הנראה לעין, אך מספיקה לשימוש בתחומים בהם לא נדרש דיוק ספקטראלי מירבי. בהסתמך על שיטת ה RGB נבנים כיום רוב מכשירים הקשורים לתצוגה או פענוח של האות הוויזואלי: מסכים, מקרנים וכמובן מרבית ציוד הצילום הדיגיטלי. כך, למעשה, ניתן לחסוך בכח עיבוד ולפשט את פונקציות הפענוח של הצבע – בגלל המספר המועט של צבעי יסוד המרכיבים את כלל הגוונים.


כיצד החיישן של המצלמה מזהה את הצבע הנראה?
כאן אנחנו נוגעים בנושא הקשור למבנה המצלמה.
חיישן המצלמה הנו למעשה מערך של תאים פוטואלקטריים הרגישים לכמות התאורה המגיעה אליהם.
ניתן בעצם להגיד שמצלמה אינה מזהה צבע, אלא מפענחת את הצבעוניות: כל תא בחיישן רגיש לעוצמת אור המגיעה אליו, ומכאן שכל הפענוח מתבסס על רמות בהירות של כל תא בודד, ומתנהל במושגים של "בהיר" או "כהה" בכל תא ותא בחיישן. ע"פ הנאמר מעלה ניתן לחשוב שהחיישן "רואה" את התמונה בשחור-לבן: אך טענה זו נכונה רק חלקית. החיישן אכן "רואה" במונחים של בהיר-כהה, אך כל תא מקבל אינפורמציה אודות בהירות של אחד משלושת צבעי היסוד. למעשה, מעל כל תא ממוקמת מערכת של מסננים או מראות דיכרויאות, המנתבים לתוך התא רק חלקיקים הנעים באורך גל מסויים (אורך גל התואם את צבע המסנן: מסנן ירוק מעביר רק גל באורך התואם לחלק הירוק של הספקטרום ועוצר את שאר הצבעים מלהגיע לתא וכד').
תכונה חשובה נוספת של חיישן  המצלמה שבנוי לדמות את אופן הראיה האנושי הקשורה לשלושת צבעי היסוד, הוא היותו מכיל פי שניים יותר תאים האחראיים ללכידת החלק הירוק של הספקטרום, מאשר תאים האחראיים לאדום וכחול . מכאן עולה מספר תופעות ייחודיות הקשורות לתהליך פענוח הצבע ע"י המצלמה הדיגיטלית. כדי להבין את המנגנון של ראיית צבע בצורה יסודית אנו נתעמק בהן:
לכל צבע בספקטרום מטען אנרגטי ואורך גל) שונה. אור (או צבע) כחול, לצורך העניין, נושא מטען אנרגטי גבוה יותר מן הירוק והאדום, האור הירוק בתורו - בעל מטען אנרגטי גבוה יותר מן האדום וכו'. ככל שהאנרגיה של הגל גבוהה יותר הוא נע מהר יותר, ונקלט כמותית יותר בחיישן בפרק זמן נתון.מכאן שתאי החיישן האחראיים על החלק האדום של הספקטרום מקבלים הכי פחות מידע. אומנם, מדובר בשוני באורכי גל  שיכול להיחשב לזניח כשמדובר במהירות האור – אך השוני קיים. תאים האחראיים על החלק הירוק של הספקטרום – מפצים על כך בכמות (זכרו, יש פי שניים יותר תא חיישן האחראיים על ירוקים), ותאים האחראיים על כחולים – יקבלו את המטען האנרגטי הגבוה מבין שלושתם בשלהאנרגיה הגבוהה של הגל הכחול ולכן את כמות המידע הגדולה ביותר.על מנת לתקן את המעוות מגבירים את אות שנתקבל בתאי חיישן האחראיים לספקטרום האדום. הגברה זו, בדומה להגברת עוצמת הצליל במערכת הסטריאו מורידה את הדיוק של האות הראשוני (שהופק מן המידע שהתקבל בתא הפוטואלקטרי) ומוסיפה רעשים (הפרעות אלקטרוסטטיות). פירוש הדבר שהמידע שמתקבל בסופו של דבר בכל הקשור לצבע האדום – הנו מידע שעבר כמה עיבודים ושינויים.
החיישן הוא מערכת קולטני אור דו-מימדית (ללא מימד ה"עומק"). היעדר מימד העומק מעלה בעיות נוספות הקשורות להיווצרות תופעות הפריחה (blooming) ותופעת השוליים הצבעוניים במקומות בהם מעבר הניגודיות רב מדי (אובייקט כהה מול רקע בהיר מאוד). לתופעות אלה ישנו מספר גורמים: איכות ירודה של עדשות, מנסרות או מראות דיכרואיאות, המנתבים את הפוטונים לתאים בעלי צבע הבסיס הלא מתאים והצפה (crosstalk) של מטען התאים הפוטואלקטריים אל התאים השכנים . לא נעלה תופעות אלו לדיון במסגרת מאמר זה אלא רק נציין שכל אלו עלולים לגרום לפענוח תמונה מוטעה בצורת שוליים או צל צבעוניים שאינם במקומם
תהליך הפענוח של הצבע ע"י החיישן של המצלמה הדיגיטלית (הנקרא Demosaicing) הנו למעשה תהליך מתמטי שבמהלכו מתבצע חישוב אינטרפולציה ה"משחזר" (או ליתר דיוק"בונה") מידע לפי אוסף נתונים שהתקבל בנקודות ידועות (במקרה שלנו – אלה ערכים של תאי החיישן, המכילים את הערכים של שלושת צבעי היסוד). בתהליך זה של שיחזור מידע(המתבצע לפי יכולות העיבוד, עוצמה ומהירות המעבד ויכולות התוכנה המובנית לתוך המצלמה) מחושבים שאר הצבעים ע"פ הערכים של צבעי יסוד. ההשלמה של המידע החסר לגבי הגוונים נעשית לפי צפיפות צבעי הבסיס בנקודה מסויימת שבעזרתם ניתן, כאמור, להנפיק מספר רב של צבעים וגוונים נוספים. לרוב, התהליך של יצירת הצבעים מתוך צבעי הבסיס מערב הכפלה או חפיפה של מערכי תאים של 2X2  – גורם המוריד מחדות התמונה היות ואין התייחסות ישירה לערך של כל תא באופן ספציפי ( מה שנקרא בשפה המקצועית "חדות ברמת פיקסל") לטובת פענוח הצבע.יש לזכור שבזמן הצילום המצלמה "עובדת" עם מידע גולמי, אשר לאחר סיום תהליך הצילום עובר (או לא עובר) עיבוד ע"פ הגדרות המעבד המובנה בתוך המצלמה. במידה ותהליך הצילום התבצעבפורמט של קבצים גולמיים (RAW) – אין המצלמה מתערבת בפענוח של  המידע שנתקבל. כלומר, הנתונים של כל התאים נשמרים כפי שהם ע"מ לעבור עיבוד ממוחשב (פענוח צבע וכד') מאוחר יותר באחת התוכנות המיועדות לעבודה עם קבצים גולמיים במחשב האישי. כאשר מצלמים במצב צילום רגיל (עבודה עם קבצי JPG) – כל המידע הגולמי שנתקבל מתהליך הצילוםעובר את הפענוח במצלמה עצמה, כאשר התוצר הסופי הוא קובץ תמונה מוכן שעבר פענוח והמרה לפי הגדרות של המצלמה.
וכאן למעשה, אנו מגיעים אל "מאחורי הקלעים" של תהליך הפענוח וההמרה של הצבע הנראה לקובץ דיגיטלי.     

עיבוד הצבע ע"י המצלמה הדיגיטלית.
כאשר המצלמה מכוונת לעבוד במצב של שמירת קבצי JPG – כל תמונה אשר תצולם תיאלץ לעבור פענוח ועיבוד בכדי להפוך  מאוסף מידע גולמי לקובץ תמונה. אחד השלבים הראשוניים בפענוח הצבע לאחר קבלת המידע מכל התאים בחיישן – הוא קביעת איזון הלובן. זוהי בעצם נקודת ההתחלה של פענוח הצבע, כאשר כאן מוגדרת כמות הסטייה לאחד הצדדים בספקטרום ("חם" או "קר") כדי לראות את הלבן כלבן.
מתוך החישובים של אנטרפולציית הצבע ממערך התאים – נבנים להם שלושה ערוצי צבע רציפים (ערוץ לכל צבע יסוד), המכסים אחד את השני בדומה לשכבות סנדוויץ. כך, להבדיל ממידע גולמי (בו פיקסלים, המייצגים צבע יושבים אחד לצד השני בדומה לפסיפס) – הפיקסלים, למעשה, יושבים בשלוש שכבות אחד מעל השני. בצורה זו ניתן לקבל את מרבית צירופי הצבעים הנדרשים תוך "חיבור" של פיקסלים שיושבים אחד מעל השני: לדוגמה פיקסל ירוק + פיקסל אדום – יוצרים צבע צהוב וכד'.
אך התהליך לא נעצר בשלב זה וממשיך הלאה: הקובץ עובר עיבודים נוספים לפי הגדרות המצלמה לפני שהוא נשמר. עיבודים אלה מגדירים את הניגודיות הכללית של התמונה, חידוד התמונה, ריווי הצבע וסטייה כללית בצבעוניות (נוסף על איזון הלובן). עיבודים אלה, בדומה לאיזון הלובן – מופעלים אך ורק כשהמצלמה מכוונת לצילום בפורמט של קבצי JPG ואינם תקפים בצב צילום גולמי – RAW. מרבית ההגדרות של העיבודים הנוספים ניתנים לשינויי לפי בחירת הצלם. במצלמות CANON הגדרות אלו נקראות
PICTURE STYLES, ובמצלמות NIKON שם מסתתרות תחת תפריט ה PICTURE CONTROL.


דרכי התמודדות עם אי-דיוקים בתפיסת הצבע של המצלמות הדיגיטליות.
כאן הוא המקוים הראוי להדגיש שוב כי תפיסת הצבע הוא מושג סובייקטיבי לחלוטין, כי ראיית צבע משתנה מאדם לאדם, ומה שנראה ירוק לאחד – יכול להראות צהוב כהה למשנהו. עם זאת, המטרה  היא להביא את הצבע המתועד ע"י המצלמה להיות כמה שיותר דומה לצבע המקורי שראה הצלם. למעשה אנו ניצבים מול 2 אפשרויות: להורות למצלמה לא לעבד את החומר שנלכד ולהשאירו כמידע גולמי (RAW) ע"מ לעבד אותו בשלב מאוחר יותר במחשב, על מנת לאפשר שליטה  בדיוק של הליך ההמרה, פענוח הצבע, הוספת חדות ואיזון הלובן, או לחילופין – האפשרות השניה היא לקבוע את הפרמטרים הללו בצורה ידנית לפני או תוך כדי הצילום, כאשר מעבד המצלמה יעשה את הפענוח צבע והחישובים הנ"ל כדי לשמור כל תוצאה ותוצאה כקובץ JPG אשר לא דורש (בתקווה) עריכה נוספת במחשב האישי. סוד ההצלחה במקרה זה מתחיל באיזון לובן נכון. יש לציין שאיזון הלובן האוטומטי המופעל לרוב במצלמות לא מספק דייקנות מירבית. רחוק מזה: אחוז ההצלחה שלו נע סביבות 70% מן המקרים. צילום שני פריימים עוקבים (הנבדלים בינהם בזוית או בתיחום הפריים) תחת אותו מקור תאורה עשוי להביא להבדל בצבעים שיופיעו על שתי התמונות. זאת, עקב העובדה שאיזון הלובן האוטומטי מבצע דגימה לפני שמירתו של כל פריים בזיכרון המצלמה, ומשכלל את כל האלמנטים הנראים בפריים (ולא רק את התאורה) כדי להגיע לדיוק צבע מירבי – יש לוודא ראשית שאיזון הלובן מכוון ושנית - במידה והוא מכוון לעבוד במצב אוטומטי שהוא אכן מספק קריאה נכונה ללא סטייה צבעונית לכחולים או צהובים. בעבודה בסטודיו צילומי או בתנאי תאורה אשר לא משתנה, נהוג לעבוד עם איזון לובן ידני, או מוגדר במעלות קלווין כדי לקבל תוצאות עקביות (ניתן לקבל מידע מפורט יותר על צורת הביצוע במאמרים הקשורים לאיזון לובן). השלב השני הוא להתאים את הגדרות פענוח הצבע של המצלמה לתוצאה המשקפת את המציאות. בכדי לעשות זאת אנו נכנס לתפריטים המאפשרים לנו לשנות את ההגדרות של PICTURE STYLE במצלמות קנון, או PICTURE CONTROL במצלמות ניקון. להלן רשימת פרמטרים הניתנים לשינוי (הן במצלמות קנון והן במצלמות ניקון) עם הסברים קצרים אודות כל אחד ואחד. יש לשים לב שהשינויים הנעשים בפרמטרים מתחילים מאמצע הסקאלה (ולא מאפס מוחלט): ז"א ניתן לא רק להפחית את האפקטים למינימום, אלא גם להגיע להיפוך מוחלט של האפקט, כאשר אנו יורדים מתחת לאפס (אמצע הקו) המצוייר בסקאלה.יש לזכור כי מדובר  בהגדרות העיבוד של המצלמה בעת שמירת קובץ JPG והן אינן מופעלות בעת שמירת חומר גולמי (RAW).
SHARPENING – כמות החידוד המופעלת ע"י המצלמה בזמן שמירת הקובץ. יש להיזהר מערכים גבוהים בשדה זה, היות וחידוד יתר גורם להופעת קווי מתאר מודגשים מסביב לאובייקטים בתמונה מה שגורם להופעת תחושת מלאכותיות.
CONTRAST – שליטה בניגודיות של הקובץ הנשמר. פרמטר זה מעלה או מוריד את הניגודיות הכללית, מה שגורם לנראות יותר "עזה" או "חלבית" של מעברי הבהירות בתמונה. בד"כ לא מומלץ להגיע לערכים גבוהים בפרמטר זה – היותובעיבוד ממוחשב קל יותר (מבחינת תיקון) להעלות את הניגודיות מאשר להוריד אותה. אין להתייחס לפרמטר זה כאל בהירות: ניגודיות שונה מבהירות בכך שהיא מדגישה (או מרככת) את המעברים רק בחלקים הכהים והבהירים בתמונה, כך שהבהירות הכללית אינה משתנה...
BRIGHTNESS – בהירות כללית של התמונה. הבהירות משנה את כלל הגוונים של התמונה: הן הבהירים, הן הכהים וכל מה שביניהם.
SATURATION – פרמטר זה שולט ברמת הרויה של הצבע. שיוני בסקאלה יכול להביא לצבעוניות עזה או "חלבית" של כלל הצבעים. זהו אחד הכלים השימושיים ביותר בכל הקשור להגדרת הצבעוניות.
HUE או COLOR TONE – מאפשר שליטה על כל אזור הכתום-צהוב של הספקטרום (מה שב"כ מוגדר כגוון-עור). שינוי פרמטר זה "מזיז" את הגוונים הכתומים לכיוון צהוב (אם עולים בסקאלה) או לכיוון אדום (אם יורדים בסקאלה). יש לשים לב שהשינוי הנ"ל מופעל ללא שום קשר לאיזון הלובן ועובד אך ורק על האזור הכתום-צהוב של הספקטרום.

יש לציין שהתיקונים הנעשים ע"י פרמטרים אלה אינם "אוניברסלים", אלא יכולים לדרוש כיול מחודש בכל פעם שהתאורה או הצבעוניות של נושא הצילום משתנים. עם זאת , כלים אלה יכולים להביא את תפיסת הצבע של המצלמה קרוב מאוד לצבעוניות המקורית של הנושא המצולם ללא עבודה ממושכת עם קבצי RAW לאחר הורדת החומר למחשב האישי.

כיצד ניתן להתעמק בנושא?
קיימת גם אפשרות לתיקון יותר עדין (ומדויק) של גווני הביניים בכל הקשור לפרמטרים הנ"ל.
בד"כ הדבר נעשה במטרה להשיג "לוק" המדמה צבעוניות של סרט צילום זה או אחר, או במטרה להגיע לדיוק צבע מירבי בעבודה עם תאורה עקבית (לדוגמה בצילום מוצרים או רפרודוקציות בסטודיו). בעזרת תוכנות שמספקים יצרני המצלמות (PICTURE CONTROL UTILITY למצלמות ניקון, ו PICTURE STYLE EDITOR למצלמות קנון) – ניתן ליצור הגדרות חדשות או לערוך את הפרופילים הקיימים בהתאם לתוצאה הרצויה ולאחר מכן לטעון אותם לתוך המצלמה. עקב קוצר היריעה הנושא לא יפורט במאמר זה עקב מורכבותו ודרישתו לשליטה וידע בכיול צבע, ודרישתו למערכת (מסך) שעברה כיול צבע ע"מ לאפשר עריכה מדויקת של הפרופילים.

כתב: קרוכמליוב ואדים © 2010