图像中的颜色值有多稳定/一致？

Posted 2023-03-28

【中文标题】图像中的颜色值有多稳定/一致？

【英文标题】：How stable/consistent are color values in images?

【发布时间】：2020-10-30 16:27:39

【问题描述】：

假设我用多个不同的库解析一个图像文件，并向库询问像素 (20, 30) 处的 RGB 值。

在什么条件下我可以期望在库和库版本之间获得一致的结果？

直观地说，我会假设使用更简单的格式，如 PPM 或（有一些限制）BMP，我可能会期望得到一致的结果，而使用 JPEG，即使在无法避免的相对简单的情况下，我也会在所有地方得到结果那个。

这让我想到了 PNG：如果我获取输入图像，将其转换为具有定义颜色深度的 PNG（例如，每通道 8 位 RGBA，所有透明度值都设置为完全不透明）并且没有颜色个人资料，我应该可以期待：

所有通用库都以相同的方式解释生成的 PNG（在读取文件时产生相同的 RGB(A) 值数组）？

所有通用库都能够将所述 RGB(A) 值数组转换回所有通用库将以相同方式解释的 PNG？

（显然，由于元数据、数据包的顺序等，文件字节本身可能会有所不同。我在这里只讨论像素值。此外，如果原始输入，显然初始转换步骤可能会改变图像有颜色配置文件等）

例如，如果你得到这个示例文件：

wget https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/7a/Sun_getting_through_fog_in_the_New_Zealand_bush%2C_Bryant_Range.jpg/500px-Sun_getting_through_fog_in_the_New_Zealand_bush%2C_Bryant_Range.jpg

然后用 Python 解码：

import PIL.Image                                                                               
img = PIL.Image.open('500px-Sun_getting_through_fog_in_the_New_Zealand_bush,_Bryant_Range.jpg')
print(img.getpixel((100,100)))  # prints (73, 50, 60)

你会得到与 Golang 不同的结果：

package main

import (
    "fmt"
    "image"
    "log"
    "os"

    "image/color"
    _ "image/jpeg"
    _ "image/png"
)

func main() 
    reader, err := os.Open("500px-Sun_getting_through_fog_in_the_New_Zealand_bush,_Bryant_Range.jpg")
    if err != nil 
        log.Fatal(err)
    
    m, _, err := image.Decode(reader)
    if err != nil 
        log.Fatal(err)
    
    c := m.At(100, 100).(color.YCbCr)
    fmt.Printf("%+v\n", c)
    r, g, b := color.YCbCrToRGB(c.Y, c.Cb, c.Cr)
    fmt.Printf("%v %v %v\n", r, g, b)  // prints 72 50 59

如果您在配置文件对话框中选择“保留”，GIMP 会将像素 (100, 100) 解码为 (73, 50, 60)，即与 PIL 相同。

【问题讨论】：

没有理由为什么不同的库会为任何文件中的相同像素提供不同的值。 JPEG 文件使用有损压缩，但在保存时会发生丢失，一旦保存，任何兼容的阅读器都会重新加载相同的数据。

PNG 是无损的。您可以在任何地方读取和写入它们，并且不会改变像素值。

参见例如this lengthy thread 关于可能导致 JPEG 解码差异的各种问题。虽然我知道 PNG 是无损的，但同一个 PNG 在不同的应用程序中通常会以不同的颜色显示，例如基于color profiles, gamma correction, etc.。正如我所提到的，这只是我目前的理解，所以我当然可能是错的。

添加示例。

您看到的差异可能是由于应用或不应用存储在文件中的伽马和/或颜色配置文件造成的。有一种解码 JPEG 数据的方法，没有理由不能始终如一地做到这一点。链接的线程讨论了舍入错误（不太可能导致重要差异）和实现错误。所以是的，某些软件可能会错误地执行 JPEG 标准，从而产生错误的像素值。没办法。

【参考方案1】：

PNG 的advantages 包括：

无损：无损失：过滤和压缩保留所有信息。

因此，假设 filtering 和 compression 正确（未）完成，则保证 PNG 中的颜色值是一致的。

重要的是，transparency (alpha) 存储在 PNG 非-预乘中；因此，如果您想要原始值，请确保您使用的每种语言中的 getpixel() 等价物不会预乘。 （如果一致熟化的值就足够了，请确保函数 all 预乘。）

注意：您在 Golang 中观察到的差异可能是由于从 RGB 转换为 YCbCr。

权威来源：https://www.w3.org/TR/PNG（包含15个匹配“loss”）

【讨论】：

“[W]所有透明度值都设置为完全不透明”，预乘并不重要。

谢谢！我知道 PNG 是无损的，但我特别担心库可能会自动应用的色彩空间转换/校正。例如，我假设带有gAMA、cHRM、iCCP 或sRGB 块的图像可能会根据解码器进行不同的解码，并且规范还说 “当传入图像具有未知伽马 ( ...)，选择一个可能的默认伽玛值”.

根据我的测试，至少 convert，Golang 的默认图像库和 Python 的 PIL 似乎返回原始值并忽略 gAMA，所以在实践中我希望没问题。感谢您向我指出规范。您是否知道这种特定行为（未应用伽马校正的非显示解码器等）是否是 a) 通用的，b) 在某处指定/记录的？我只发现了一个警告，不要更改规范 encoder 部分中的值。

我已在单独的答案中添加了我的研究。我暂时不开放赏金；如果有人添加了有关图书馆如何处理此问题的权威答案，我将奖励您和他们的答案。再次感谢您！

不客气（再次）！ a) 我没有。 b) 我愿意：***.com/a/63046854/13744178 ;)

【参考方案2】：

JPEG

由于涉及各种转换（JPEG 在 YCbCr 中编码颜色），解码后的颜色可能会有所不同，如问题 (see also) 中的示例代码所示。

PNG

TL;DR：实际上，PNG 似乎能够跨语言/库可靠地保留准确的颜色值。

PNG 存储 RGB（或灰度）值（可能使用调色板）。虽然它确实支持例如使用 gAMA 块和各种形式的颜色管理（例如 cHRM、iCCP、sRGB 块）进行伽马校正，库似乎经常忽略它们。

我创建了一个包含#808080grey 的图像，添加了各种gAMA 值，并将以下所有报告（128、128、128）作为所有文件的颜色值：

ImageMagick (convert file.png -crop 1x1+5+5 -depth 8 txt:-) GIMP（打开图像并使用信息面板时，所有图像也同样亮） Python PIL/枕头 Golang 默认模式下的 Python ImageIO。

ImageIO 很有趣，因为它有一个默认为 True 的 ignoregamma option。禁用它会导致从 GIMP 保存的图像中的灰度值被解释为 186 而不是 128。这是一个足够极端的差异，已建立的库不太可能突然改变其默认行为：

Golang PNG reader source code 确认似乎没有解释额外的颜色信息块。

省略这些块可能是个好主意。 Firefox 将没有 gAMA 块的 PNG 解释为具有颜色（128、128、128）。带有原始gAMA 块的PNG 也被正确解释；一个 GIMP 嵌入 ICC 配置文件的 PNG 已经偏离 1，显示为 (127, 127, 127)，并且具有编辑 gamma 值的 PNG 非常不同（如预期的那样）。

【讨论】：

为了安心，您应该从 PNG 中删除所有非关键块。 critical chunks 是 IHDR、(PLTE、) IDAT 和 IEND。