【隨筆】關於顏色的一點思考

林彥興

前陣子發現了「廣義雙曲拉伸 GHS」這個影像拉伸工具，並拿 2018 LOT 的 M1 影像做了點實驗。當時發現的一個現象 [1]，是我的 R 色板中，M1 的 H-alpha 纖維狀結構常會有過曝的現象。但是明明 R 色板的原始影像裡面，M1 的中心是比纖維要亮的。所以我稱為「令人頭痛的 non-monotonic 變化」。

為什麼令人頭痛呢？主要就是影像處理合理性的問題。
「多少後製是合理的？」一直都是天文攝影（也許是全部攝影）中的爭議問題。天文攝影因為學術氣更重，關於這點的討論尤其熱烈。

個人一直都覺得按「合法性」高低，最高標準是讓照片保有「線性度 Linearity」，即影像中看起來兩倍亮得像素，其對應的天體也確實是兩倍亮。但這基本上不太可能實現，主因是天文上天體的亮度差異巨大，恆星和星雲的亮度差從 10 倍到 10000 倍甚至更高者比比皆是，但那些黯淡的星雲往往才是拍攝的重點。如果要維持線性，要嘛影像中有大量過曝，要嘛除了星點啥也看不見。因此天文影像往往需要經過「拉伸 Stretch」，大幅的增加暗部的亮度以看見黯淡的細節。

退而求其次的是「單調性 Monotonality」，即原始影像中比較亮的部分，在經過後製後應當還是要維持比較亮（學過微積分的應該對這個詞很熟悉），這對影像的定性判讀很重要。因此我自己修圖、以及在教人的時候，基本上都遵守這個原則。你可以整個明度曲線一起改，也可以三個色板分別調曲線，但所有映射都應該是單調的。所以看到 GHS 給出非單調的結果，才會覺得頭痛。

為了仔細研究 GHS 的原理，還有了解這個 non-monotonic 變化的原因，我去找了 GHS 的演算法，發現式子有夠複雜，一開始讓我很困惑：不是一條特別的曲線嗎？怎麼那麼麻煩？在 GHS 的介紹中，也有提到它比起一般的拉伸，可以更好的保留顏色，聽起來像魔法。

雖然沒去好好啃 GHS 的內容（不讀說明書的壞習慣），但後來我想著想著，想到顏色應當是來自不同色板的相對亮度。一般拉伸之所以會造成顏色消失，正是因為拉伸總是非線性的，暗部倍拉亮的比例總是比較多。比如某個像素在拉伸前的 RGB 比例是 (0.1, 0.1, 0.5)，是明顯的藍色。但拉伸後變成 (0.7, 0.7, 0.9)，就變得相對白了許多。

換言之，如果我一開始就固定住色板間的相對亮度，然後對明度進行拉伸，是不是就能做到在拉伸時保持顏色了呢？於是經過了一些 coding 自己做了一個能保留色彩的拉伸試試。然後就能很直觀的體會到：嘿，這種色彩保留的拉伸，在明度色板是單調的，但是在 RGB 三個色板則否。舉個例子，(0.1, 0.1, 0.5) 和 (0.4, 0.2, 0.1) 的像素在經過拉伸後可能會變成 (0.7, 0.7, 0.9) 和 (1.3, 0.65, 0.33)，於是在 G 色板這兩個像素的相對大小就對調了。

另一個例子就是下圖，我在拿 JWST 的 M77 做 LRGB 合成的時候，發現 B 色板上的星系出現了類似塵埃帶的結構（下圖下）。但仔細去打開原始檔案，就會發現這些塵埃帶根本就不存在，或至少看不出來（下圖上）。猜測是做 LRGB 合成的時候為了保持顏色（塵埃在 R 和 G 色板對應的中紅外是亮的），所以在對應的位置降低了 B 色板的亮度，才出現了本來不存在的「塵埃」。

所以問題來了。拉伸後的顏色不再是原本的顏色，保留顏色又容易破壞各色板亮度的單調性。本質上就是非線性的拉伸、本質上就是非線性的人眼，本質上只是比例的顏色，那修圖者最合理的做法與底線是什麼？

JWST 拍攝的 M77 星系。Credit: Lee, Janice (survey PI)