צבע דיגיטלי 1 – עומק הצבע

"תמונה אחת שווה אלף מילים" – המשפט השגור בפי כל מקבל משמעות כפולה כשמנסים להסביר את מרכיביה של התמונה.
לרוב תמונת המצב המתקבלת מניסיון שכזה היא גיבוב מעורבב של נושאים מתחומים שונים שהיה מעורפל ועודנו. זהו חלק
ראשון מתוך שלושה מאמרים בהם מאור אלימלך יעזור לכם לעשות סדר במושגים השונים ולבאר כיצד הם קשורים אחד לרעהו.

עומק צבע

צבע הוא אחד משלושת המרכיבים המשפיעים באופן ישיר על איכות הווידאו/התמונה. את איכותו של הצבע ניתן לבחון בשני מישורים – עומק ודחיסה. בכדי להסביר את משמעות המושג עומק בהקשרו הדיגיטלי עלינו להבין את ההיגיון של העולם הדיגיטלי. בעשורים האחרונים היינו עדים לדיגיטליזציה גלובלית בכל חלקי החיים, ממחשבים אישיים מתקדמים, ועד מכשירים סלולאריים חכמים דרך פייסבוק טוויטר ושאר ירקות שלא משאירות לנו רגע אנלוגי אחד. יש שטוענים שהיא מאיימת אבל אין ספק באשר לתרומתה של הקידמה לחיינו. אז מי עומד מאחורי כל התהליך הבליסטי הזה? יש שיאמרו שאלו הסינים אולי האמריקאים אבל האמת היא שמאחורי כולם האחראי הראשי הוא… ה-bit.

bit – הספרה הבינארית (binary digit) או בעברית תקנית, סיבית, הינה יחידת מידע הבסיסית ביותר בעולם הדיגיטלי, היא מתבססת על לוגיקה בינארית (זוגית) ובהתאם לכך היא מתארת אחד משני מצבים – 0 או 1 , שחור או לבן , דלוק או כבוי. באמצעות הספרה הבינארית.

בצירופים שונים ניתן לתאר כל סוג של מידע אנלוגי. כך לדוגמה ניתן לייצג צבעים בשיטה הבינארית:

ההבדל העקרוני בין אנלוגי (תקבילי) לדיגיטלי (סיפרתי)

אות אנלוגי במשמעותו הרחבה הוא מושג המתייחס לאות מידע שנגזר באופן ישיר מתופעה פיזיקלית בעולם האמיתי והוא ממש פועל יוצא שלה. דהיינו ישנה אנלוגיה (דמיון, הקבלה) ישירה בין התופעה המתרחשת בעולם האמתי לבין הצורה בה היא נקלטת ונפלטת ע"י המכשיר האנלוגי. הבה נתבונן בדוגמה הבאה.

מומלץ להציץ כמה שניות בסרטן הבא בכדי לראות גרמופון בפעולה:

לדוגמה, גרמופון (פטיפון) הוא כידוע מכשיר נגינה של תקליטים ישנים. הגרמופון עובר בעזרת מחט דקיקה על חריצי התקליט בהן צרוב המידע בצורת חריצים קטנים ומשתנים שנצרבו עליו בשעת ההקלטה (באותה שיטה בדיוק, בעזרת המחט). שינוי התנודות של המחט יוצר זרמי מתח המשתנים בהתאם לעומק המהמורה בה עוברת המחט, זרמים אלו מגיעים לקופסת התהודה ומתורגמים לתנודות מכניות שמפיקים את אותם צלילים בדיוק שהוקלטו קודם לכן. ניתן לומר בבירור שגלי הקול שמופקים מקופסת התהודה הם השתקפות של המהמורות והחריצים שישנם בתקליט.

לעומת זאת בשיטה הדיגיטלית הרשמים הפיזיקליים (שמע, אור וכד') חייבים לעבור המרה לייצוג ספרתי. אם נחזור לדוגמה של הפטיפון העוצמות החשמליות המופקות מתנודות המחט היו מתורגמות למספרים שהם כאמור קומבינציות שונות של 0 ו-1 ועוברות עיבוד בחזרה לעוצמות חשמליות בדרך לרמקול.

משמעות הדבר היא שברגע שאיננו תלויים בייצוג אנלוגי אנחנו יכולים לנייד את המידע לאן שנרצה, לצרוב לשלוח במייל, נוסף על כך המידע איננו נשחק או מתבלה עקב שימוש רב הוא יישאר בדיוק כפי שהוקלט (מדובר כמובן על קובץ דיגיטלי ולא על הדוגמה של הגרמופון, שם עדיין אנו תלויים באיכות התקליט שהולך ומתבלה).

החיים רצופים אכזבות…

למרות היתרון הגדול באחסון וניידות של החומר הדיגיטלי ישנו חיסרון מהותי בשיטה הזו שצריך להבין אותו היטב והוא – רציפות או יותר נכון חוסר רציפות.

החיים רצופים! זאת אומרת הזמן והמרחב כפי שאנו חווים אותם הם רצף אחד. לדוגמה איננו יכולים (בינתיים) לדלג בזמן. אם עכשיו השעה 13:10:24 מוכרח שעברנו מאתמול כל נקודת זמן אפשרית עד השעה הזו וכן אם אנחנו הולכים מהבית לעבודה מוכרח שנכחנו בכל נקודה אפשרית במסלול מהבית לעבודה. נחזור לרגע לדוגמה של הגרמופון – המחט שנעה למעלה ולמטה עברה כל נקודה אפשרית בין שתי נקודות הקצה. ומשום שהאות האנלוגי כאמור הוא השתקפות של התופעה הפיזיקלית הוא בהכרח רציף. משמעות הדבר היא שנגינה של תקליט בשיטה האנלוגית תפיק צליל עשיר בגווניו שקרוב מאוד לצליל המקורי שהוקלט.

לא כך פני הדברים כשמדובר במידע דיגיטלי. העובדה שיחידת הבסיס הינה 0 או 1 מעצם הגדרתה קובעת שתמיד יתבצע דילוג בין שני מצבי קצה. אמנם לעיתים הוא יהיה זניח ובלתי מורגש אבל תמיד הוא יהיה שם. אם האות האנלוגי נהנה מרצף אינסופי של מידע הרי שהאות הדיגיטלי הוא מוגבל וסופי בגווניו.

כאן נכנס לתמונה (תרתי משמע…) המושג עומק. כשמדברים על מושגים סופיים ומוגבלים אנו זקוקים לפרמטרים שמגדירים את סופיותם.

עומק המידע הדיגיטלי נגזר בעצם ממספר הצירופים האפשריים של הספרה הבינארית (bit). ככל שהאות הדיגיטלי יתואר ע"י מספר רב יותר של ביטים כך הוא יתאר באופן אמין יותר את המציאות. הדבר דומה לניסיון לצייר עיגול בעזרת קווים ישרים בהתחלה זה יראה ריבוע אם נוסיף קווים זה יראה משושה, מתומן וכו' עד שבסופו של תהליך נקבל מצולע עם כ"כ הרבה צלעות שנראה ממש כמו עיגול.

הבה נתבונן בדוגמאות הבאות:

נניח שטיילנו בחוף ונפעמנו ממראה השקיעה שצבעה את השמיים בצבעי כתום אדום עד כחול אפור. נניח עוד שבידנו מצלמה עם אפשרויות ברירה של עומק צבע. מיד שלפנו את המצלמה הדיגיטלית שלנו והתחלנו לצלם. ולהלן התמונות:

כפי שניתן לראות ככל שמספר הביטים עלה כך קיבלנו תמונה יותר עשירה בגוונים. עוד ניתן לראות בבירור את החוסר הרציפות ככל שמספר הביטים קטן.

קצת חשבון

גם אם הברזתם משיעורי מתמטיקה הייתי מציע לכם להישאר איתי לתרגיל הבא:

כפי שהזכרנו, הביט מתאר אחד משני מצבים 0 או 1 מספר הצירופים האפשרי אם כן יחושב בהתבסס על העובדה הזו. הבה נביט בדוגמה הבאה:

נניח שאנו בבית קולנוע ולפנינו שורה של 4 כיסאות, כל אחד מן הכיסאות יכול להיות או פתוח או סגור.

עקב הצהרתו הנחרצת של המאבטח שכל מי שידבר יצא מן אולם הקולנוע החליט חברנו ביטי לתקשר איתנו בעזרת הכיסאות בלבד כאשר כל צירוף של מצבי הכיסאות הוא מילה אחת בלבד.

כמה מילים יכיל המשפט הארוך ביותר שיוכל ליצור ביטי?

אני מודע לעובדה שהמצאתי פה שאלת פסיכומטרי דיגיטאלית, כיוון שזמננו קצר (50 שני') להלן התשובה:

 

עלינו לחשב את כל הצירופים האפשריים של הכיסאות:

הבה נתבונן במצב של 2 כיסאות. משום שכל כיסא מאפשר שני מצבים וביחד עם חברו ניתן ליצור ארבעה צירופים אפשריים הרי שנוסחת הבסיס  היא 2*2 כאשר נוסיף כפולה של 2 על כל כיסא. אם כן החישוב עבור 4 כיסאות יהיה: 2*2*2*2= 16 ובצורה יותר אלגנטית  16= 2⁴

ולסיכום המשפט הארוך ביותר שיכול ליצור ביטי יהיה בעל 16 מילים בלבד.

 

מכאן עולה מסקנה מעניינת – עבור כל כיסא שנוסיף לשורה אנו נכפיל את כמות המילים האפשריות דהיינו עבור 5 כיסאות ביטי יוכל ליצור משפט בעל 32 (16*2) מילים זאת אומרת הגרף המתאר את כמות המילים ביחס לכמות הביטים הוא גרף מעריכי ולא לינארי. הבה נחזור לתמונה, ככל שמספר הביטים עולה כמות הגוונים האפשרית מכפילה את עצמה.

כשמדברים על עומק צבע נהוג לתאר אותו עבור ערוץ אחד מתוך שלושת ערוצי הצבע RGB על כך ארחיב בפסקה הבאה.

RGB

Red | Green | Blue הם מודולת הצבעים שבה לרוב נעשה שימוש בהתייחסות לצבע דיגיטאלי.

RGB הם שלושת הצבעים בעזרתם ניתן לייצג כל צבע אפשרי באמצעות תמהילים שונים מכל צבע.

ישנם מספר מודולות לייצוג צבע בעזרת צבעי בסיס והשימוש בהם בפלטפורמות שונות מתבצע ע"פ התאמתה של המודולה לשיטה בה היא אמורה להתממש.

לדוגמה, מצב CMYK – ציאן, מג'נטה, צהוב (ושחור צבע מפתח) היא מודולת צבעים שעובדת בשיטת ההחסרה כך שככל שנוסיף יותר מכל יסוד, נקבל צבע יותר כהה עד להשחרה מוחלטת. שיטה זו מיושמת בעיקר בדפוס מהסיבה שנייר מחזיר אור ואינו מקור אור.

לעומתה מודולת הצבעים RGB עובדת בשיטת ההוספה, ככל שנגדיל את ערכי צבעי היסוד כך נקבל צבע בהיר יותר עד ללבן מוחלט. מודולת RGB מיושמת בפלטפורמות של צגים אלקטרוניים משום שצגים הם מקור אור ולכן שם שיטת ההוספה היא יותר טבעית ליישום.

 

 

הבה נראה כיצד עובדת מודולת RGB בפלטפורמה דיגיטאלית. לצורך העניין נבחר להדגים על עומק צבע של 8bit.

כפי שלמדנו עומק צבע של 8bit מאפשר ייצוג של 256 גוונים. ייצוג הגוונים בכל ערוץ הוא מן הכהה ביותר לבהיר ביותר כך שאפס הוא הכהה ביותר ו-255 הוא הבהיר ביותר.

שילוב של שלושת הערכים מכל ערוץ ייתן גוון שונה. מספר הצבעים האפשריים מצירופים שונים של כל הערכים האפשריים מכל ערוץ הוא  (3*8)^2 שהם 16,777,216 צבעים שונים.

כיום, רוב התמונות והסרטונים שאנו נתקלים בהם הן בעומק צבע של 8 ביט.

עומקי צבע נוספים:

• 10bit- מייצר 1,073,741,824 (כן מליארד…) צבעים. נפוץ בעיקר בתחום הצילום המקצועי.
• 12bit- מייצר 68,719,476,736 צבעים. בשימוש ע"י מס' מצלמות בודדות בתעשיית הקולנוע ובד"כ יש צורך בכ"כ הרבה מידע משום שהחומר אינו עובר עיבוד ונשמר כקובץ גולמי (Raw)
• 16bit- מייצר 281,474,976,710,656  צבעים. מצלמות בודדות יודעות לצלם בעומק הזה.
• 32bit-  מייצר אינסוף גוונים בזכות השימוש במשתנה ה"נקודה הצפה" שמאפשר לייצר מספרים עם נקודה עשרונית זהו פורמט הזהב של עולם הצבע הדיגיטאלי ומייצג את הפסגה הטכנולוגית בנושא הזה. ראוי לציין שהשימוש בו רלוונטי רק בתוכן המיוצר ע"י מחשב משום שאין כיום חיישנים שמסוגלים לקלוט עומק צבע כזה.

צבע ובהירות משמשים בערבוביה

משום שמודולת RGB עובדת בטכניקת ההוספה הרי שבהירות והצבע שלובים זה בזה ללא היכולת להתייחס לבהירות בנפרד מן הצבע עצמו. בבואנו לדחוס את הוידאו ברצוננו להתייחס לצבע בלבד ללא הבהירות RGB אינו מאפשר זאת, עובדה שמכריחה אותנו לעבוד עם מודולת YUV שעושה הפרדה כזו.

YUV – מודולת צבעים בשימוש וידאו אנלוגי (שם ידוע בכינוי Y'CrCb) וכן בשימוש נרחב בייצוג תמונה או וידאו דחוס (על כך נרחיב בהמשך). מרחב צבעים זה נוצר מההחסרה המתמטית של ערכי הבהירות, כלומר Y מהצבעים אדום וכחול (גם מהירוק מתבצעת החסרה כזו רק שהיא מחושבת אוטומטית כמשוואה של נעלם אחד)

עומק הצבע הוא מאפיין מרכזי באיכות הצבע אך ישנם מאפיינים נוספים כדוגמת המרחב הדינמי של התמונה בו נעסוק בחלק הבא של המאמר: הצבע הדיגיטלי – המרחב הדינאמי.