Мы воспринимаем окружающий мир с помощью различных факторов, один из которых — это цвет. Открывает человек глаза и видит разные цвета, а если нужно об этих цветах рассказать другому человеку, то можно сказать что-то вроде «штаны у него как спелый лимон» или «глаза у нее как ясное небо» и человеку в принципе понятно какого цвета штаны и глаза, даже если он их не видит.
То есть передать информацию о цвете от человека человеку, никакого труда не составляет. А если цветовой информацией должны оперировать не люди, а какие-нибудь технические устройства, тут вариант «глаза как ясное небо» не пойдет. Нужно какое-то иное описание цвета, понятное этим устройствам (мониторы, принтеры, фотоаппараты и т. д.). Как раз для этого и нужны цветовые модели.
Типы цветовых моделей
Существует немало цветовых моделей, наиболее часто используемые можно разделить на три группы:
- аппаратно-зависимые — цветовые модели данной группы описываю цвет применительно к конкретному, цветовоспроизводящему устройству (например монитору), - RGB, CMYK
- аппаратно-независимые — эта группа цветовых моделей для того, чтобы дать однозначную информацию о цвете - XYZ, Lab
- психологические — эти модели основываются на особенностях восприятия человека - HSB, HSV, HSL
Рассмотрим по отдельности некоторые, часто используемые, цветовые модели.
Данная цветовая модель описывает цвет источника света (сюда можно отнести например экран монитора или телевизора). Из огромного множества цветов, в качестве основных (первичных) было выделено три цвета: красный (B ed), зеленый (G reen), синий (B lue). Первые буквы названий основных цветов образовали название цветовой модели RGB.
Когда смешиваются два основных цвета, получившийся цвет осветляется: красный и зеленый дают желтый, зеленый и синий дают голубой, из синего и красного получится пурпурный. Если смешать все три основных цвета, образуется белый. Такие цвета называются аддитивными.
Эту модель можно представить в виде трехмерной системы координат, где каждая отражает значение одного из основных цветов в диапазоне от нуля до максимума. Получился куб, внутри которого находятся все цвета, образующие цветовое пространство RGB.
Важные точки и линии модели RGB
- Начало координат: в этой точке значения всех основных цветов равны нулю, излучение отсутствует, т. е. это - точка черного цвета.
- В ближайшей к зрителю точке все составляющие имеют максимальное значение, это значит максимальное свечение - точка белого цвета.
- На линии, соединяющей эти точки (по диагонали куба), расположены оттенки серого цвета: от черного к белому. Этот диапазон иначе называют серой шкалой (Grayscale).
- Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.
Плюс этой модели состоит в том, что она описывает все 16 миллионов цветов, а минус в том, что при печати часть (самые яркие и насыщенные) этих цветов потеряется.
Так как RGB аппаратно-завиисмая модель, то одна и та же картинка на разных мониторах может отличаться по цвету, например потому что экраны этих мониторов сделаны по разным технологиям или мониторы по разному настроены.
Если предыдущая модель описывает светящиеся цвета, то CMYK наоборот, для описания цветов отраженных. Еще они называются субтрактивными («вычитательными»), потому что они остаются после вычитания основных аддитивных. Так как цветов для вычитания у нас три, то и основных субтрактивных цветов тоже будет три: голубой (C yan), пурпурный (M agenta), желтый (Y ellow).
Три основных цвета модели CMYK, называют полиграфической триадой. Печатая этими красками, происходит поглощение красной, зеленой и синей составляющих. В изображении CMYK каждый пиксель имеет значение процентного содержания триадных красок.
Когда смешиваем две субтрактивных краски, то результирующий цвет затемняется, а если смешать три, то должен получиться черный цвет. При нулевом значении всех красок получаем белый цвет. А когда значения всех составляющих равны - получаем серый цвет.
На деле получается, что если смешать три краски при максимальных значениях, вместо глубокого черного цвета у нас получится скорее грязный темно-коричневый. Это происходит потому, что полиграфические краски не идеальны и не могут отразить весь цветовой диапазон.
Что бы компенсировать эту проблему к этой триаде добавили четвертую краску черного цвета, она и добавила последнюю букву в названии цветовой модели С - C yan (Голубой), М - M agenta (Пурпурный), Y - Y ellow (Желтый), К - blacK (Черный). Все краски обычно обозначаются начальной буквой названия, но черную обозначили последней буквой, Почему? .
Как и RGB, CMYK тоже модель аппаратно-зависимая. Зависит конечный результат от краски, от типа бумаги, от печатной машины, от особенностей технологии печати. Поэтому одно и то же изображение в разных типографиях может быть напечатанным по разному.
Цветовая модель HSB
Если вышеописанные модели соединить в одну, то результат можно изобразить в виде цветового круга, где основные цвета моделей RGB и CMY расположены в следующей зависимости: каждый цвет находится напротив комплементарного цвета, его дополняющего и между цветами, с помощью которых он образован.
Чтобы усилить какой-то цвет, нужно ослабить цвет находящийся напротив (дополняющий). Например, чтобы усилить желтый, нужно ослабить синий.
Для описания цвета в данной модели есть три параметра H ue (оттенок) - показывает положение цвета на цветовом круге и обозначается величиной угла от 0 до 360 градусов, S aturation (насыщенность) - определяет чистоту цвета (уменьшение насыщенности похоже на добавлене белого цвета в исходный цвет), B rightness (яркость) - показывает освещенность или затененность цвета (уменьшение яркости похоже на добавление черной краски). Первые буквы в названии этих параметров и дали название цветовой модели.
Модель HSB хорошо согласуется с человеческим восприятием: цветовой тон - длина волны света, насыщенность - интенсивность волны, а яркость - количество света.
Минусом модели HSB является необходимость конвертировать ее в RGB для отображения на экране монитора или в CMYK для печати.
Эту модель создала Международная комиссия по освещению для того, чтобы уйти от недостатков предыдущих моделей. Было необходимо создать аппаратно независимую модель для определения цвета независящую от параметров устройства.
В модели Lab цвет представлен тремя параметрами:
- L — светлота
- a — хроматический компонент в диапазоне от зеленого до красного
- b — хроматический компонент в диапазоне от синего до желтого
При переводе цвета из какой-нибудь модели в Lab, все цвета сохраняются, так как пространство Lab самое большое. Поэтому данное пространство используют как посредника при конвертации цвета из одной модели в другую.
Цветовая модель Grayscale
Самое простое и понятное пространство используется для отображения черно-белого изображения. Цвет в данной модели описывается всего одним параметром. Значение параметра может быть в градациях (от 0 до 256) или в процентах (от 0% до 100%). Минимальное значение соответствует белому цвету, а максимальное — черному.
Индексные цвета
Вряд ли допечатнику придется работать с индексными цветами, но знать что это такое, не помешает.
Итак, когда-то давно, на заре компьютерных технологий, компьютеры могли отображать на экране не больше 256 цветов одновременно, а до этого 64 и 16 цветов. Исходя из таких условий был придуман индексный способ кодирования цвета. Каждый цвет, содержащийся в изображении, получил порядковый номер, с помощью этого номера описывался цвет всех пикселов, имеющих соответствующий цвет. Но у разных изображение наборы цветов разные и по этому пришлось в каждой картинке хранить свой набор цветов (набор цветов назвали — цветовая таблица).
Современные компьютеры (даже самые простые) способны отображать на экране 16,8 млн цветов, поэтому нет особой необходимости в использовании индексных цветов. Но с развитием интернета эта модель вновь используется. Все потому, что такой файл может иметь гораздо меньший размер.
Это одна из наиболее распространенных и часто используемых моделей. Она применяется в приборах, излучающих свет, таких, например, как мониторы, прожекторы, фильтры и другие подобные устройства.
В модели RGB производные цвета получаются в результате сложения или смешения базовых, основных цветов, называемых цветовыми координатами. Координатами служат красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвет. Свое название RGB-модель получила по первым буквам английских наименований цветовых координат.
Каждая из вышеперечисленных составляющих может варьироваться в пределах от 0 до 255, образовывая разные цвета и обеспечивая, таким образом, доступ ко всем 16 миллионам (полное количество цветов, представляемых этой моделью равно 256*256*256 = 16 777 216.).
Эта модель аддитивная. Слово аддитивная (сложение) подчеркивает, что цвет получается при сложении точек трех базовых цветов, каждая своей яркости. Яркость каждого базового цвета может принимать значения от 0 до 255 (256 значений), таким образом, модель позволяет кодировать 256 3 или около 16,7 млн цветов. Эти тройки базовых точек (светящиеся точки) расположены очень близко друг к другу, так что каждая тройка сливается для нас в большую точку определенного цвета. Чем ярче цветная точка (красная, зеленая, синяя), тем большее количество этого цвета добавится к результирующей (тройной) точке.
При работе с графическим редактором Adobe PhotoShop можно выбирать цвет, полагаясь не только на тот, что мы видим, но при необходимости указывать и цифровое значение, тем самым иногда, особенно при цветокоррекции, контролируя процесс работы.
Данная цветовая модель считается аддитивной , то есть при увеличении яркости отдельных составляющих будет увеличиваться и яркость результирующего цвета : если смешать все три цвета с максимальной интенсивностью, то результатом будет белый цвет; напротив, при отсутствии всех цветов получается черный.
Таблица 1
Значения некоторых цветов в модели RGB
Модель является аппаратно-зависимой, так как значения базовых цветов (а также точка белого) определяются качеством примененного в мониторе люминофора. В результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково.
Свойства модели RGB хорошо описывает так называемый цветовой куб (см. рис. 3). Это фрагмент трехмерного пространства, координатами которого являются красный, зеленый и синий цвет. Каждая точка внутри куба соответствует некоторому цвету и описывается тремя проекциями - цветовыми координатами: содержанием красного, зеленого и синего цвета. Сложение всех основных цветов максимальной яркости дает белый цвет; начальная точка куба означает нулевые вклады основных цветов и соответствует черному цвету.
Если цветовые координаты смешивать в равных пропорциях, то получится серый цвет различной насыщенности. Точки, отвечающие серому цвету, лежат на диагонали куба. Смешение красного и зеленого дает желтый, красный и синий образуют пурпурный, а зеленый и синий -голубой.
Рис. 3.
Цветовые координаты: красный, зеленый и синий иногда называют первичными или аддитивными цветами. Цвета голубой, пурпурный, желтый, которые получаются в результате попарного смешения первичных цветов, называются вторичными. Поскольку сложение- это основная операция синтеза цветов, то модель RGB иногда называют аддитивной (от латинского additivus, что значит прибавляемый).
Принцип сложения цветов часто изображается в виде плоской круговой диаграммы (см. рис. 4), которая хотя и не дает новой информации о модели, по сравнению с пространственным изображением, но проще воспринимается и легче запоминается.
Рис. 4.
По принципу сложения цветов работают многие технические устройства: мониторы, телевизоры, сканеры, диапроекторы, цифровые фотоаппараты и др. Если посмотреть через увеличительное стекло на экран монитора, то можно увидеть регулярную сетку, в узлах которой располагаются красные, зеленые и синие точки-зерна люминофора. При возбуждении пучком электронов они излучают базовые цвета разной интенсивности. Сложение излучений близко расположенных зерен воспринимается человеческим глазом как цвет в данной точке экрана.
В вычислительной технике интенсивность первичных цветов принято измерять целыми числами в диапазоне от 0 до 255. Ноль означает отсутствие данной цветовой составляющей, число 255 - ее максимальную интенсивность. Поскольку первичные цвета могут смешиваться без ограничений, то легко подсчитать общее количество цветов, которое порождает аддитивная модель. Оно равно 256 * 256 * 256=16 777 216, или более 16,7 миллионов цветов. Это число кажется огромным, но в действительности модель порождает всего лишь небольшую часть цветового спектра.
Любой естественный цвет можно разложить на красную, зеленую и синюю составляющие и измерить их интенсивность. А вот обратный переход возможен далеко не всегда. Экспериментально и теоретически доказано, что диапазон цветов модели RGB уже, чем множество цветов видимого спектра. Чтобы получить часть спектра, лежащую между синим и зеленым цветами, требуются излучатели с отрицательной интенсивностью красного цвета, которых, конечно же, в природе не существует. Диапазон воспроизводимых цветов модели или устройства называется цветовым охватом. Одним из серьезных недостатков аддитивной модели, как ни парадоксально это звучит, является ее узкий цветовой охват.
Кажется, что этот набор цветовых координат однозначно определяет светло-салатовый цвет на любом устройстве, которое работает по принципу сложения базовых цветов. В действительности все обстоит намного сложнее. Цвет, воспроизводимый устройством, зависит от множества внешних факторов, часто не поддающихся учету.
Экраны дисплеев покрываются люминофорами, которые отличаются по химическому и спектральному составу. Мониторы одной марки имеют разный износ и условия освещения. Даже один монитор выдает различные цвета в прогретом состоянии и сразу после включения. За счет калибровки устройств и использования систем управления цветом можно попытаться приблизить цветовые охваты различных устройств. Подробнее об этом говорится в следующей главе.
Нельзя не упомянуть еще один недостаток этой цветовой модели. С точки зрения практикующего дизайнера или компьютерного художника, она является неинтуитивной. Оперируя в ее среде, бывает трудно ответить на самые простые вопросы, относящиеся к цветовому синтезу. Например, как следует изменить цветовые координаты, чтобы сделать текущий цвет немного ярче или уменьшить его насыщенность? Чтобы дать правильный ответ на этот простой вопрос, требуется обладать большим опытом работы в этой цветовой системе.
В российской традиции иногда обозначается как КЗС .
Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. Цветовая модель RGB нашла широкое применение в технике.
Аддитивной она называется потому, что цвета получаются путём добавления (англ. addition ) к черному. Иначе говоря, если цвет экрана, освещённого цветным прожектором, обозначается в RGB как (r 1 , g 1 , b 1), а цвет того же экрана, освещенного другим прожектором, - (r 2 , g 2 , b 2), то при освещении двумя прожекторами цвет экрана будет обозначаться как (r 1 +r 2 , g 1 +g 2 , b 1 +b 2).
Изображение в данной цветовой модели состоит из трёх каналов. При смешении основных цветов (основными цветами считаются красный, зелёный и синий) - например, синего (B) и красного (R), мы получаем пурпурный (M magenta), при смешении зеленого (G) и красного (R) - жёлтый (Y yellow), при смешении зеленого (G) и синего (B) - циановый (С cyan). При смешении всех трёх цветовых компонентов мы получаем белый цвет (W).
Определение
Цветовая модель RGB была изначально разработана для описания цвета на цветном мониторе, но, поскольку, мониторы разных моделей и производителей различаются, были предложены несколько альтернативных цветовых пространств, соответствующих «усредненному» монитору. К таким относятся, например, sRGB и Adobe RGB.
Варианты этого цветового пространства отличаются разными оттенками основных цветов, разной цветовой температурой , разным показателем гамма-коррекции .
Представление базисных цветов RGB согласно рекомендациям ITU , в пространстве кельвинов (дневной свет)
Красный: x=0.64 y=0.33 Зелёный: x=0.29 y=0.60 Синий: x=0.15 y=0.06
Матрицы для перевода цветов между системами RGB и яркости при преобразовании изображения в чёрно-белое):
X = 0.431*R+0.342*G+0.178*B Y = 0.222*R+0.707*G+0.071*B Z = 0.020*R+0.130*G+0.939*B R = 3.063*X-1.393*Y-0.476*Z G = -0.969*X+1.876*Y+0.042*Z B = 0.068*X-0.229*Y+1.069*Z
Числовое представление
RGB-цветовая модель представленная в виде куба
Для большинства приложений значения координат r, g и b можно считать принадлежащими отрезку , что представляет пространство RGB в виде куба 1×1×1.
COLORREF
COLORREF - стандартный тип для представления цветов в Win32 . Использует для определения цвета в RGB виде. Размер - 4 байта. При определении какого-либо RGB цвета, значение переменной типа COLORREF можно представить в шестнадцатиричном виде так:
0x00bbggrr
rr, gg, bb - значение интенсивности соответственно красной, зеленой и синей составлющих цвета. Максимальное их значение - 0xFF.
Определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:
COLORREF C = (b,g,r);
b, g и r - интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно синей, зеленой и красной составляющих определяемого цвета C. То есть ярко-красный цвет может быть определён как (255,0,0), ярко-фиолетовый - (255,0,255), чёрный - (0,0,0), а белый - (255,255,255)
Я по образованию программист, но по работе мне пришлось столкнуться с обработкой изображений. И тут для меня открылся удивительный и неизведанный мир цветовых пространств. Не думаю, что дизайнеры и фотографы узнают для себя что-то новое, но, возможно, кому-нибудь это знание окажется, как минимум полезно, а в лучшем случае интересно.
Основная задача цветовых моделей – сделать возможным задание цветов унифицированным образом. По сути цветовые модели задают определённые системы координат, которые позволяют однозначно определить цвет.
Наиболее популярными на сегодняшний день являются следующие цветовые модели: RGB (используется в основном в мониторах и камерах), CMY(K) (используется в полиграфии), HSI (широко используется в машинном зрении и дизайне). Существует множество других моделей. Например, CIE XYZ (стандартные модели), YCbCr и др. Далее дан краткий обзор этих цветовых моделей.
Цветовой куб RGB
Из закона Грассмана возникает идея аддитивной (т.е. основанной на смешении цветов от непосредственно излучающих объектов) модели цветовоспроизведения. Впервые подобная модель была предложена Джеймсом Максвеллом в 1861 году, но наибольшее распространение она получила значительно позже.В модели RGB (от англ. red – красный, green – зелёный, blue – голубой) все цвета получаются путём смешения трёх базовых (красного, зелёного и синего) цветов в различных пропорциях. Доля каждого базового цвета в итоговом может восприниматься, как координата в соответствующем трёхмерном пространстве, поэтому данную модель часто называют цветовым кубом. На Рис. 1 представлена модель цветового куба.
Чаще всего модель строится так, чтобы куб был единичным. Точки, соответствующие базовым цветам, расположены в вершинах куба, лежащих на осях: красный – (1;0;0), зелёный – (0;1;0), синий – (0;0;1). При этом вторичные цвета (полученные смешением двух базовых) расположены в других вершинах куба: голубой - (0;1;1), пурпурный - (1;0;1) и жёлтый – (1;1;0). Чёрный и белые цвета расположены в начале координат (0;0;0) и наиболее удалённой от начала координат точке (1;1;1). Рис. показывает только вершины куба.
Цветные изображения в модели RGB строятся из трёх отдельных изображений-каналов. В Табл. показано разложение исходного изображения на цветовые каналы.
В модели RGB для каждой составляющей цвета отводится определённое количество бит, например, если для кодирования каждой составляющей отводить 1 байт, то с помощью этой модели можно закодировать 2^(3*8)≈16 млн. цветов. На практике такое кодирование избыточно, т.к. большинство людей не способно различить такое количество цветов. Часто ограничиваются т.н. режимом «High Color» в котором на кодирование каждой компоненты отводится 5 бит. В некоторых приложениях используют 16-битный режим в котором на кодирование R и B составляющих отводится по 5 бит, а на кодирование G составляющей 6 бит. Этот режим, во-первых, учитывает более высокую чувствительность человека к зелёному цвету, а во-вторых, позволяет более эффективно использовать особенности архитектуры ЭВМ. Количество бит, отводимых на кодирование одного пиксела называется глубиной цвета. В Табл. приведены примеры кодирования одного и того же изображения с разной глубиной цвета.
Субтрактивные модели CMY и CMYK
Субтрактивная модель CMY (от англ. cyan - голубой, magenta - пурпурный, yellow - жёлтый) используется для получения твёрдых копий (печати) изображений, и в некотором роде является антиподом цветового RGB-куба. Если в RGB модели базовые цвета – это цвета источников света, то модель CMY – это модель поглощения цветов.Например, бумага, покрытая жёлтым красителем не отражает синий свет, т.е. можно сказать, что жёлтый краситель вычитает из отражённого белого света синий. Аналогично голубой краситель вычитает из отражённого света красный, а пурпурный краситель вычитает зелёный. Именно поэтому данную модель принято называть субтрактивной. Алгоритм перевода из модели RGB в модель CMY очень прост:
При этом предполагается, что цвета RGB находятся в интервале . Легко заметить, что для получения чёрного цвета в модели CMY необходимо смешать голубой, пурпурный и жёлтый в равных пропорциях. Этот метод имеет два серьёзных недостатка: во-первых, полученный в результате смешения чёрный цвет будет выглядеть светлее «настоящего» чёрного, во-вторых, это приводит к существенным затратам красителя. Поэтому на практике модель СMY расширяют до модели CMYK, добавляя к трём цветам чёрный (англ. black).
Цветовое пространство тон, насыщенность, интенсивность (HSI)
Рассмотренные ранее цветовые модели RGB и CMY(K) весьма просты в плане аппаратной реализации, но у них есть один существенный недостаток. Человеку очень тяжело оперировать цветами, заданными в этих моделях, т.к. человек, описывая цвета, пользуется не содержанием в описываемом цвете базовых составляющих, а несколько иными категориями.Чаще всего люди оперируют следующими понятиями: цветовой тон, насыщенность и светлота. При этом, говоря о цветовом тоне, обычно имеют в виду именно цвет. Насыщенность показывает насколько описываемый цвет разбавлен белым (розовый, например, это смесь красного и белого). Понятие светлоты наиболее сложно для описания, и с некоторыми допущениями под светлотой можно понимать интенсивность света.
Если рассмотреть проекцию RGB-куба в направлении диагонали белый-чёрный, то получится шестиугольник:
Все серые цвета (лежащие на диагонали куба) при этом проецируются в центральную точку. Чтобы с помощью этой модели можно было закодировать все цвета, доступные в RGB-модели, необходимо добавить вертикальную ось светлоты (или интенсивности) (I). В итоге получается шестигранный конус:
При этом тон (H) задаётся углом относительно оси красного цвета, насыщенность (S) характеризует чистоту цвета (1 означает совершенно чистый цвет, а 0 соответствует оттенку серого). Важно понимать, что тон и насыщенность не определены при нулевой интенсивности.
Алгоритм перевода из RGB в HSI можно выполнить, воспользовавшись следующими формулами:
Цветовая модель HSI очень популярна среди дизайнеров и художников, т.к. в этой системе обеспечивается непосредственный контроль тона, насыщенности и яркости. Эти же свойства делают эту модель очень популярной в системах машинного зрения. В Табл. показано изменение изображения при увеличении и уменьшении интенсивности, тона (выполняется поворот на ±50°) и насыщенности.
Модель CIE XYZ
С целью унификации была разработана международная стандартная цветовая модель. В результате серии экспериментов международная комиссия по освещению (CIE) определила кривые сложения основных (красного, зелёного и синего) цветов. В этой системе каждому видимому цвету соответствует определённое соотношение основных цветов. При этом, для того, чтобы разработанная модель могла отражать все видимые человеком цвета пришлось ввести отрицательное количество базовых цветов. Чтобы уйти от отрицательных значений CIE, ввела т.н. нереальные или мнимые основные цвета: X (мнимый красный), Y (мнимый зелёный), Z (мнимый синий).При описании цвета значения X,Y,Z называют стандартными основными возбуждениями, а полученные на их основе координаты – стандартными цветовыми координатами. Стандартные кривые сложения X(λ),Y(λ),Z(λ) (см. Рис.) описывают чувствительность среднестатистического наблюдателя к стандартным возбуждениям:
Помимо стандартных цветовых координат часто используют понятие относительных цветовых координат, которые можно вычислить по следующим формулам:
Легко заметить, что x+y+z=1, а это значит, что для однозначного задания относительных координат достаточно любой пары значений, а соответствующее цветовое пространство может быть представлено в виде двумерного графика:
Множество цветов, задаваемое таким способом, называют треугольником CIE.
Легко заметить, что треугольник CIE описывает только цветовой тон, но никак не описывает яркость. Для описания яркости вводят дополнительную ось, проходящую через точку с координатами (1/3;1/3) (т.н. точку белого). В результате получают цветовое тело CIE (см. Рис.):
Это тело содержит все цвета, видимые среднестатистическим наблюдателем. Основным недостатком этой системы является то, что используя её, мы можем констатировать только совпадение или различие двух цветов, но расстояние между двумя точками этого цветового пространства не соответствует зрительному восприятию различия цветов.
Модель CIELAB
Основной целью при разработке CIELAB было устранение нелинейности системы CIE XYZ с точки зрения человеческого восприятия. Под аббревиатурой LAB обычно понимается цветовое пространство CIE L*a*b*, которое на данный момент является международным стандартом.В системе CIE L*a*b координата L означает светлоту (в диапазоне от 0 до 100), а координаты a,b – означают позицию между зелёным-пурпурным, и синим-жёлтым цветами. Формулы для перевода координат из CIE XYZ в CIE L*a*b* приведены ниже:
где (Xn,Yn,Zn) – координаты точки белого в пространстве CIE XYZ, а
На Рис. представлены срезы цветового тела CIE L*a*b* для двух значений светлоты:
По сравнению с системой CIE XYZ Евклидово расстояние (√((L1-L2)^2+(a1^*-a2^*)^2+(b1^*-b2^*)^2)) в системе CIE L*a*b* значительно лучше соответствует цветовому различию, воспринимаемому человеком, тем не менее, стандартной формулой цветового различия является чрезвычайно сложная CIEDE2000.
Телевизионные цветоразностные цветовые системы
В цветовых системах YIQ и YUV информация о цвете представляется в виде сигнала яркости (Y) и двух цветоразностных сигналов (IQ и UV соответственно).Популярность этих цветовых систем обусловлена в первую очередь появлением цветного телевидения. Т.к. компонента Y по сути содержит исходное изображение в градациях серого, сигнал в системе YIQ мог быть принят и корректно отображён как на старых чёрно-белых телевизорах, так и на новых цветных.
Вторым, возможно более важным плюсом, этих пространств является разделение информации о цвете и яркости изображения. Дело в том, что человеческий глаз весьма чувствителен к изменению яркости, и значительно менее чувствителен к изменению цветности. Это позволяет передавать и хранить информацию о цветности с пониженной глубиной. Именно на этой особенности человеческого глаза построены самые популярные на сегодняшний день алгоритмы сжатия изображений (в т.ч. jpeg). Для перевода из пространства RGB в YIQ можно воспользоваться следующими формулами:
У цвета есть три основные характеристики: цветовой тон , яркость и насыщенность .
Цветовой тон – позволяет идентифицировать цвета как красный, желтый, зеленый, синий или промежуточный между двумя соседними парами этих цветов. Разница в цветовых тонах зависит от длины волны света.
Яркость – характеризует относительную светлость цвета. Она определяется степенью отражения поверхности, на которую падает свет. Чем выше яркость, тем светлее цвет.
Насыщенность – характеризует отличия данного цвета от бесцветного (серого цвета) с той же степенью яркости. Чем ниже насыщенность, тем более «серым» выглядит цвет. При нулевой насыщенности цвет становится серым.
Хроматические цвета и ахроматические цвета:
К ахроматическим цветам относятся: белый, серый и черный. У них нет характеристик цветовой тон и насыщенность.
К хроматическим цветам относятся все которые мы воспринимаем, как имеющее «цвет» (отличное от белого, серого или черного).
Для описания излучаемого и отраженного цвета используются различные математические модели. Их называют цветовыми моделями . Цветовые модели являются средствами количественного описания цвета и различия его оттенков. В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде трехмерного пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат, где каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. Этот метод дает возможность обмена цветовой информацией между цифровой техникой и программным обеспечением.
Существует множество цветовых моделей, но все они принадлежат к одному из трех типов:
- аддитивные (основанные на сложении цветов);
- субтрактивные (основанные на вычитании цветов);
- психологические (основанные на восприятии человеком).
При регистрации, обработке и подготовке к печати изображений используются три цветовые модели RGB , CMYK и CIE Lab .
Цветовая модель RGB (R – от англ. red – красный, G – от англ. green – зеленый, B – от англ. blue – синий) – аддитивная цветовая модель описывает излучаемые цвета и образована на основе трех первичных цветов: красном, зеленом и синем (рис. 39), другие цвета образуются смешиванием трех первичных цветов в разных пропорциях (т.е. с разными яркостями). При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета : голубой, пурпурный и желтый. Первичные и вторичные цвета относятся к основным цветам. Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимого света. Модель RGB используется в устройствах, работающих со световыми потоками: фото- и видеокамеры, сканеры, мониторы компьютеров, телевизоры и др. Она является аппаратно-зависимой, так как значения основных цветов, а также точка белого, определяются технологическими особенностями конкретного оборудования. Например, на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково.
Рис. 39. Аддитивная цветовая модель RGB
Основной недостаток RGB-модели заключается в ее аппаратной зависимой. Это обусловлено тем, что на практике RGB-модель характеризует цветовое пространство конкретного устройства, например фотоаппарата или монитора. Тем не менее, любое RGB-пространство можно сделать стандартным, однозначно определив его. Наиболее распространенными стандартными реализациями модели RGB являются (рис. 45):
sRGB (standard RGB) – стандартное цветовое пространство для Интернета соответствует цветовому пространству типичного монитора VGA низшего класса. Сегодня это пространство является альтернативой системам управления цветом, использующим ICC-профили. sRGB-модель используется для создания web-изображений или печати на недорогих струйных принтерах, из-за недостаточно широкого диапазона значений в зеленой и голубой частях спектра она не подходит для фотопечати профессионального качества;
Adobe RGB (стандартизировано Adobe Systems в 1998) – основано на одном из стандартов телевидения высокой четкости (HDTV). Модель имеет больший цветовой охват, по сравнению с sRGB и используется для регистрации изображений, удовлетворяющих требованиям высококачественной фотопечати.
Цветовая модель CMYK (C – от англ. cyan – голубой, M – от англ. magenta – пурпурный, Y – от англ. yellow – желтый, K – черный) – субтрактивная цветовая модель, которая описывает реальные красители, используемые в полиграфическом производстве (офсетная печать, цифровая фотопечать, краски, пластик, ткань и др.). В данной модели основными цветами являются цвета образующиеся вычитанием из белого основных цветов модели RGB (рис. 41). Три первичных цвета RGB при смешивании образуют белый цвет, а три первичных цвета CMY при смешивании образуют черный цвет (определение основано на поглощающих свойствах чернил).
Рис. 41. Получение модели CMY из RGB
Цвета, использующие белый свет (белая бумага), вычитая из него определенные участки спектра называются субтрактивными: когда краситель или пигмент поглощает красный и отражает зеленый и синий свет, мы видим голубой. Когда он поглощает зеленый и отражает синий и красный, мы видим пурпурный. Когда он поглощает синий и отражает красный и зеленый, мы видим желтый.
Голубой, пурпурный и желтый являются тремя первичными цветами (рис. 42), используемыми в субтрактивном смешении. Теоретически, при смешивании 100% каждого из трех первичных субтрактивных цветов: голубого, пурпурного и желтого должен получаться черный цвет. Однако примеси в чернилах не позволяют получить чистый черный цвет. По этой причине в полиграфии к этим трем цветам добавляют черный. В результате получается система их четырех цветов. Данная модель также является аппаратно-зависимой.
Диапазон представления цветов в CMYK уже, чем в RGB (рис. 45), поэтому при преобразовании данных из RGB в CMYK происходит потеря цветовой информации. Многие цвета, которые видны на мониторе, не могут быть воспроизведены красками на фотоотпечатке и наоборот.
Рис. 42. Субтрактивная цветовая модель CMYK
Цветовые модели CIE (от фр. Commission Internationale de l’Eclairage –Международная комиссия по освещению) основаны на восприятии цвета человеком и используются для того, чтобы определять так называемые аппаратно независимые цвета, которые могут правильно воспроизводиться устройствами любого типа: фотоаппаратами, сканерами, мониторами, принтерами и др. Эти модели получили широкое распространение благодаря использованию их на компьютерах и широкому диапазону описываемых цветов. Наиболее распространены следующие модели: CIE XYZ и CIE Lab.
Цветовая модель CIE XYZ (базовая цветовая модель) разработана в 1931 году. Эта система часто представляется в виде двухмерного графика (рис. 43). Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси Х координатной плоскости (горизонтально), а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y (вертикально). При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по координатной плоскости влево. В этой модели не учитывается яркость.
Рис. 43. Диаграмма цветности CIE XYZ
Цветовая модель CIE L*a*b* представляет собой усовершенствованную цветовую модель CIE XYZ. CIE L*a*b* (L* – от англ. luminance, light – светлота, a* – величина красной/зеленой составляющей, b* – величина желтой/синей составляющей, * означают разработку системы специалистами CIE) – основана на теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов «красный/зеленый» и «желтый/синий» можно воспользоваться одними и теми же осями координат. В этой трехмерной модели воспринимаемые человеком цветовые различия зависят от расстояний, с которых производятся колометрические измерения. Ось а проходит от зеленого (-а ) до красного (+а ), а ось b – от синего (-b ) до желтого (+b ). Яркость (L ) у трехмерной модели возрастает в направлении снизу вверх (рис. 44). Цвета представляются числовыми значениями. По сравнению с цветовой моделью XYZ цвета CIE Lab более совместимы с цветами, воспринимаемыми человеческим глазом. В модели CIE Lab цветовая яркость (L), цветовой тон и насыщенность (a, b ) могут рассматриваться по отдельности. В результате общий цвет изображения можно изменять без изменения самого изображения или его яркости. CIE L*a*b* это универсальная аппаратно-независимая цветовая модель, применяется для математических расчетов, производимых компьютерами при работе с цветом и используется при преобразовании между другими аппаратно зависимыми моделями. Например, при преобразовании из RGB в CMYK или из CMYK в RGB.
Данные RGB и CMYK являются аппаратными данными, не несущими информации о цветовых ощущениях без привязки к конкретному аппарату. При преобразовании мы определяем для значений модели RGB или CMYK, реализованной в данном конкретном аппарате, цветовые координаты в цветовой координатной системе CIE L*a*b*. Преобразование цвета из одного цветового пространства в другое влечет за собой потерю цветовой информации. Необходимо четко различать цветовые модели и цветовые координатные системы: в первом случае речь идет о способе воспроизведения цветовых ощущений, а во втором – об измерении этих ощущений.
Рис. 44. Диаграмма цветности CIE Lab: L – яркость;
a – от зеленого до красного; b – от синего до желтого
Цветовой охват (от англ. color gamut) – это диапазон цветов, который может различать человек или воспроизводить устройство независимо от механизма получения цвета (излучения или отражения). Человеческий глаз, цветная фотопленка, цифровые фотоаппараты, сканеры, компьютерные мониторы, цветные принтеры имеют разный цветовой охват (рис. 45). Ограниченность цветового охвата объясняется тем, что с помощью аддитивного (RGB) или субтрактивного (CMYK) синтеза принципиально невозможно получить все цвета видимого спектра. В частности, некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воспроизведены на экране монитора.
Отображение цветового охвата – это технология коррекции цвета в различных устройствах, при которой изображение, видимое человеком, будет максимально близко к изображению, воспроизводимому на устройствах с другими диапазонами воспроизведения цвета. Например, цветовой охват цветного принтера (CMYK), меньше, чем диапазон цветов, воспроизводимых на мониторе (RGB). Видимый на экране живой зеленый цвет при печати становится менее ярким и насыщенным. Это происходит из-за того, что изображение на экране содержит цвета, которые невозможно воспроизвести в пространстве CMYK (рис. 45).
Рис. 45. Цветовой охват разных устройств (диаграмма цветности CIE)
Задача достоверной передачи цвета сводится к построению профилей устройств. Для профилей устройств был разработан универсальный формат, получивший название ICC. Каждое устройство, задействованное в полиграфическом процессе (фотоаппарат, сканер, монитор, принтер и т.д.) имеет свою таблицу цветовых описаний – ICC-профиль . При профилировании устройств их уникальные цветовые диапазоны сравниваются со стандартным эталонным пространством. Эти профили могут быть интегрированы в файл изображения.
Типы профилей:
Входной (или исходный). Описывает цветовое пространство устройства регистрации изображения (цифровой аппарат, сканер);
Профиль отображения . Описывает цветовое пространство конкретного монитора.
Выходной (или целевой). Описывает цветовое пространство воспроизводящего устройства (принтер, плоттер, печатный станок и др.)
Преобразование цветовых охватов выполняет система управления цветом CMS (от англ. color management systems). Ее основная функция – следить за наилучшей передачей цветов всеми устройствами, используемыми в технологической цепочке. CMS стремится создать аппаратно независимые цвета и использовать для преобразования базовую цветовую модель CIE XYZ.
Заключение
В лекции рассмотрены предмет и задачи курса «Аудиовизуальные технологии обучения», определено его место в педагогической подготовке будущих учителей. Мы познакомились с основными понятиями курса, получили общие представления о истории становления, современном состоянии и тенденциях развития аудиовизуальных технологий обучения.
Следующая лекция будет посвящена современным аудиовизуальным технологиям.
