равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны555 нм. Относительная спектральная световая эффективность(обозначаемая буквой ν) этого излучения принята за единицу.
Любопытная иллюзия (явление Фехнера) хорошо демонстрирует тот факт, что цвет является внутренней способностью мозга отражать информацию о внешнем мире. Суть явления такова: если диск, одна половина которого зачернена, а на другой – белой – нанесен ряд черных дуг, привести во вращение со скоростью 5...10 об/с, то глаз будет воспринимать не серый фон, а довольно хорошо выраженные цветные кольца, цвет которых меняется в зависимости от радиуса дуг. Конструкции подобных дисков весьма разнообразны, но принципиально эффект остается одним и тем же– черно-белая картинка воспринимается цветной.
3.3. Цветовые модели компьютерной графики
Назначение цветовой модели – дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов. В компьютерной графике обычно используются моделиRGB, CMY(K), YCbCr, HSV, HLS и CIE Lab.
3.3.1. Аддитивные цветовые модели
RGB – (Red, Green, Blue – красный, зеленый, синий) – аппаратноориентированная модель, используемая в дисплеях для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов(пикселов экрана). Это первая стандартная колориметрическая система.
Она была принята в1931 году на VIII сессии Международной комиссии по освещению – МКО (в литературе вместо МКО часто используется обозначе-
ние CIE – от французского названия Commission Internationale de L'Eclairage).
Резолюцией МКО в качестве трех линейно независимых цветов были выбраны следующие монохроматические излучения: красный R (l=700 нм, легко выделяемый красным светофильтром из спектра лампы накаливания); зеленый G (l=546,1 нм – линия е в спектре ртутной лампы); синий В (l=435,8 нм -–линия g в спектре ртутной лампы).
Система координат RGB – куб с началом отсчета(0,0,0), соответствующим черному цвету (см. рисунок 19). Максимальное значение RGB – (1,1,1) соответствует белому цвету.
44
Для того, чтобы смешиванием компонент R, G и B получить белый цвет, яркости соответствующих источников не должны быть равны друг другу, а находиться в пропорции
LR : LG : LB =1: 4.5907 : 0.0601. |
(2) |
Треугольник цветности стандарта RGB внутри локуса показан на рисунке 19. Система RGB имеет неполный цветовой охват – многие цвета от зелёного до синего, включая все оттенки голубого, не могут быть представлены в этой модели.
Стандарт RGB в настоящее время принят практических для всех излучающих устройств графического вывода(телевизоры, мониторы, плазменные панели и др.)
Рисунок 18 – Цветовой куб модели RGB
Недостатком модели RGB является тот факт, что система RGB имеет неполный цветовой охват - многие цвета от зеленого до синего, включая все оттенки голубого, не могут быть представлены в этой модели.
3.3.2 Субтрактивные цветовые модели
CMY – (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый) - аппарат- но-ориентированная модель, используемая в полиграфии для субтрактивного формирования оттенков, основанного на вычитании слоем краски части - па дающего светового потока. Комбинирование этих красителей, наносимых на белую поверхность, позволяет получить цвета в диапазоне, указанном на рисунке 18. Модель в основном используется в полиграфических печатающих устройствах.
45
Модель CMY также имеет неполный цветовой охват, причем отличающийся от цветового охвата моделиRGB(см. рисунок 19), так что при переходе из одной модели в другую возможны потери цвета.
Рисунок 19 – Цветовой куб модели CMY
На практике добиться чёрного цвета с помощью смешивания сложно, поэтому в принтерах используют ещё и чёрный краситель(black), такую модель называют CMYK.
Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам RGB. Дополнительный цвет – цвет, дополняющий данный до белого. Так, дополнительный для красного – голубой, для зеленого – пурпурный, для синего – желтый (см.рисунок 19). Тем не менее, по цветовому охвату эти модели различаются (см. рисунок 18), так что при переходе из одной модели в другую возможны потери цвета.
RYB – данная субтрактивная модель с первичными цветамиred-yellow- blue не применяется в компьютерной графике, однако в течение многих веков её использовали художники для смешивания красок. Это интуитивная модель и по цветовому охвату она уступает вышеперечисленным.
3.3.3. Перцепционные цветовые модели. Модели CIE
Модель RGB и модель CMYK являются аппаратно-зависимыми. Если речь идет об RGB, то значения базовых цветов(а также точка белого) определяются качеством примененного в вашем мониторе люминофора. В результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково. Если обратиться к CMYK, то здесь различие еще более очевидно, поскольку речь идет о реальных красках, особенностях печатного процесса и носителя.
46
Поэтому не удивительно, что в конце концов встала задача описания цветов, не зависящего от аппаратуры, на которой эти. цвета получены.
К сожалению, дать полностью объективное определение цвета не представляется возможным. Цвет – это воспринимаемая характеристика, зависящая от наблюдателя и окружающих условий. Разные люди видят цвета по-разному (например, художник - иначе, чем непрофессионал. Даже у одного человека зрительная реакция на цвет меняется с возрастом.
Если восприятие цвета зависит от наблюдателя и условий наблюдения, то, по крайней мере, можно стандартизировать эти условия. Именно таким путем пошли ученые из Международной Комиссии по Освещению (CIE).
В 1931 году они стандартизировали условия наблюдения цветов и исследовали восприятие цвета у большой группы людей. В результате были экспериментально определены базовые компоненты новой цветовой моделиXYZ. Эта модель аппаратно независима, поскольку описывает цвета так, как они воспринимаются человеком, точнее "стандартным наблюдателем CIE".
Цветовая модель CIE Lab, использующаяся в компьютерной графике, является производной от цветовой моделиXYZ. Название она получила от своих базовых компонентов "L", "a" и "b".
Компонент "L" несет информацию об яркостях изображения, а компоненты "а" и "b" – о его цветах (т. е. "а" и "b" – хроматические компоненты).
Компонент "а" изменяется от зеленого, до красного, а "b" – от синего, до желтого. Она была рекомендована для расчета цветовых различий Международной организацией по стандартизации(ISO) в 1976 году. Именно это цветовое пространство является"родным" для такого программного пакета, как Adobe Photoshop. Цветовой охват модели включает цветаRGB и CMYK. Поэтому перевод в модель Lab и из неё производится без потерь цвета.
Смешивая два любых цвета спектра в разной пропорции, мы можем создать любой из цветов, находящийся на прямой линии между ними. Например, можно получить серый смешиванием сине-зелёного и красного или жёлтозелёного и сине-фиолетового (см. рисунок 20). Дело в том, что глаз не выделяет отдельные световые длины волн, и в то же время различные их комбинации могут выглядеть как воспринимаемый глазом цвет.
47
Рисунок 20 – Двухмерная диаграмма цветности CIE - цветовой тон и насыщенность
Хотя цветовая модель CIE охватывает весь видимый спектр, она не является основой для задания цвета в цифровом виде. Перцепционные цветовые модели, которые наиболее известны художникам и дизайнерам, - HLS, HSV.
HLS – (Hue, Lightness, Saturation - цветовой тон, светлота, насыщенность)
– модель ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета(см. рисунок 21). Эта модель образует подпространство, представляющее собой двойной конус, в котором черный цвет задается вершиной нижнего конуса и соответствует значению L = 0 , белый цвет максимальной интенсивности задается вершиной верхнего конуса и соответствует значению L =1. Максимально интенсивные цветовые тона соответствуют основанию конусов с L = 0.5 , что не совсем удобно.
Насыщенность S меняется в пределах от 0 до 1 и задается расстоянием от вертикальной оси L до боковой поверхности конуса. Т.е. максимально насыщенные цветовые цвета располагаются приL = 0.5 , S =1. В общем, систему HLS можно представить как полученную изHSV "вытягиванием" точки V =1, S = 0 , задающей белый цвет, вверх для образования верхнего конуса.
48
Рисунок 21 – Цветовая модель HLS
HSV (Hue, Saturation, Value – цветовой тон, насыщенность, количество света или светлота) – модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета(см. рисунок 23). Подпространство, определяемое данной модельюперевернутый шестигранный конус.
По вертикальной оси конуса задается V – светлота, меняющаяся от 0 до 1. Значению V = 0 соответствует вершина конуса, значению V =1 – основание конуса; цвета при этом наиболее интенсивны. Цветовой тон H задается углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В частности, 0° – красный, 60° – желтый, 120° – зеленый, 180° – голубой, 240° – синий, 300° – пурпурный, т.е. дополнительные цвета расположены друг против друга(отличаются на 180°). Насыщенность S определяет насколько близок цвет к"чистому" пигменту и меняется от 0 на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях шестигранного конуса.
Точка V = 0 , в которой находится вершина конуса, соответствует черному цвету. Значение S при этом может быть любым в диапазоне0–1. Точка с координатами V =1, S = 0 – центр основания конуса соответствует белому цвету. Промежуточные значения координаты V при S = 0 , т.е. на оси конуса, соответствуют серым цветам. Если S = 0 , то значение оттенка H считается неопределенным.
49
Рисунок 22 – Цветовая модель HSV
YCbCr – аппаратно-ориентированная модель, используемая в телевидении и служащая для сокращения передаваемой полосы частот за счет использования психофизиологических особенностей зрения. В этой модели Y – интенсивность цвета, а Cb и Сr – синяя и красная цветоразностные компоненты.
Как будет показано в дальнейшем, кодирование изображений в этой палитре существенно уменьшает количество информации, требуемой для воспроизведения изображения без существенной потери его качества. Для преобразования палитры RGB в YCbCr пользуются следующими соотношениями:
Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B. |
|
Cb = 0.1678R - 0.3313G + 0.5B. |
(3) |
Cr = 0.5R - 0.4187G + 0.0813B. |
|
3.4. Цвет в цифровом изображении
Цветовые режимы
Режим – это способ реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы. В большинстве графических программ реализованы только три цветовые моделиRGB,CMYK и Lab – и имеют одноименные цветовые режимы. Вмести с ними широко используются также и ограниченные цветовые режимы, такие как черно-белое изображение(bitmap), градации серого (Grayscale), дуплекс (Duotone – двухцветное изображение), палитра (Paletted – из 256 цветов, часто называется индексированный цвет (Indexed))и др.
Рабочие цветовые пространства.
50
Предположим, что созданное изображение на мониторе выглядит почти идеально. Но у принтера может оказаться другой"взгляд" на изображение. Более того, может оказаться, что на другом компьютере или на другом мониторе ваше изображение выглядит совсем не так.
Революцией в мире цифрового цвета явилась идея создания специальной среды для работы с цветом. Эта среда или окружение, так называемое цветовое рабочее пространство (color working space – CWS), независима от конкретного монитора и производителя выбирается пользователем. В этом цветовом пространстве можно сканировать, редактировать и сохранять изображения, сохраняя вместе с каждым из них его цветовое пространствоCWS (в виде цветового ICC-профиля). Когда сохраненное ранее изображение будет открыто вновь, вместе с ним будет открыт его цветовойICC-профиль. Таким образом, изображение можно открыть на другом компьютере и, благодаря сохраненному в файле изображения ICC-профилю, оно будет выглядеть точно так же на любом другом мониторе.
Системы соответствия цветов.
Для упрощения идентификации цветов ведущими полиграфическими фирмами были созданы специальные системы соответствия цветов(или согласующие системы), включающие эталонные атласы и каталоги образцов цвета и соответствующие им электронные палитры, а также специальные программы и устройства калибровки устройств вывода изображений.
Эталонные атласы (каталоги, таблицы) обычно изготовляются в двух вариантах – на мелованной (coated) и немелованной (uncoated) бумаге. Так как впитывание красок на различных типах бумаги происходит по-разному, то изображения, напечатанные на немелованной бумаге, выглядят более темными по сравнению с печатью на мелованной бумаге.
Поставляемые в составе современных графических редакторов стандартные цветовые палитры являются аналогами соответствующих таблиц(каталогов, атласов) цветовых образцов. Выбрав какой-либо цвет из такой палитры, можно точно знать, какой будет выглядеть после печати, воспользовавшись атласом цветов, соответствующим этой палитре.
Системы управления цветом
Система управления цветом (CMS – Color Management System) – это на-
бор программных средств, реализующих согласование цветовых пространств различных устройств ввода-вывода(сканеров, цифровых камер, мониторов, принтеров и т.п.) с целью достижения согласованного воспроизведения цветов
51
на всех этапах от создания(получения) изображения, его подготовки (редактирования) и до вывода результата на печать.
Основными компонентами этой системы являются:
–аппаратно-независимое цветовое пространство(цветовая модель), используемое в качестве эталона;
–цветовые профили задействованных в процессе устройств ввода-вывода, определяющие их цветовые характеристики;
–модуль управления цветом (CMM – Color Management Module), кото-
рый обрабатывает находящуюся в профиле устройства информацию и на ее основе выполняет преобразование цветовой информации из одного цветового пространства в другое.
Конечно же, основой правильного функционирования всей системы является использование аппаратно-независимой цветовой модели в качестве"языка общения" между различными устройствами ввода-вывода. Функции такой модели выполняет колориметрическая цветовая модельCIE Lab. Данные, полученные с RGB-устройства, преобразуются в промежуточное представление CIE Lab, перекрывающее цветовые пространства входящих и выходящих данных, а
затем снова преобразуются в цветовое пространство устройства вывода
(CMYK).
Чтобы правильно выполнить эти преобразования, необходимы математические описания цветовых пространств всех устройств, задействованных в процессе подготовки изображения. Такое описание называется профилем устройства и хранится обычно в файле с расширениемICC или ICM, поставляемом производителем вместе с устройством.
Организация процесса управления цветом
Для получения адекватного отображения на всех этапах работы с цветными изображениями необходимо правильно организовать процесс управления цветом. И первых шагом на этом пути должны быть калибровка всех устройств, используемых в производственном процессе, и создание соответствующих цветовых профилей.
При реализации системы управления цветом можно использовать и стандартные профили, поставляемые производителями устройств, но такие профили основываются на идеально откалиброванных устройствах, только выпущенных со сборочного конвейера. В реальных условиях из-за разброса условий производственного процесса и используемых материалов устройства также отличаются даже в пределах одной партии. С другой стороны, параметры устройств
52