цвет в компьютерной графике
План:
1. Световосприятие. Основные характеристики цвета
1.1. Электромагнитная природа света* (Для дополнительного изучения)
2. Цветовосприятие. Цветовой охват
3. Кодирование цвета
2.1. Анализ цвета
2.2. Синтез цвета
3. Аппаратно-зависимые цветовые модели
4.1. Цветовая модель RGB. Кодирование цвета
4.2. Цветовая модель CMYK
Известно, что мы видим окружающие предметы благодаря воздействию света на сетчатку глаза. Человеческий глаз улавливает световые волны в определенном интервале длин и интенсивностей (видимый спектр излучения). Затем мозг обрабатывает поступающие сигналы, воспринимая предметы различным образом окрашенными в зависимости от сочетания длин волн и их интенсивности. Таким образом, реально цвет относится не только к самому предмету, но и к особенностям физиологического восприятия конкретного наблюдателя. На некоторых из них основаны полиграфические процессы. Так, метод четырехцветной растровой печати основан на склонности мозга к смешению и обобщению. В результате мозаика цветных точек (растр) превращается для наблюдателя в реалистичную картинку.
Условно цвета можно разделить на излучаемые и отраженные.
Излучаемые цвета — это цвета светящихся объектов, таких как экран телевизора, лампочка, звезда и пр.
Для излучаемых цветов черный цвет — это отсутствие всякого света. Чем больше интенсивность и спектр излучения, тем свет более светлый и яркий. Максимально яркий из воспринимаемых излучаемых цветов — белый. Он содержит весь видимый спектр излучения.
Отраженные цвета — это цвета, образующиеся при отражении падающего света от объектов после частичного поглощения.
Отраженные цвета образуются по несколько более сложному механизму. Свет определенного спектра, например солнечный, попадает на несветящиеся предметы. Затем часть спектра поглощается поверхностью предмета, а оставшаяся часть отражается и улавливается глазом. Если, например, поглощены все длины волн (уровни спектра), кроме красного, предмет воспринимается красным. Предметы черного цвета поглощают весь падающий цвет. Белые предметы целиком отражают излучение. Эти два типа цветов отличаются по свойствам. Излучаемые цвета всегда более яркие, чем отраженные, поскольку интенсивность отраженного света меньше, чем падающего.
Если на пути луча белого света установить прозрачную пленку какого-нибудь цвета, то выходной луч приобретет такой же цвет. Такие пленки обычно называют световыми (цветными) фильтрами.
Итак, обычный белый свет является композицией множества других цветов.
В общей сложности человеческий глаз различает несколько миллионов цветов. Не существует устройств, которые могут воспроизвести весь диапазон видимых оттенков, цвета изображения на экране или бумаге почти всегда отличаются от оригинальных. В процессе подготовки иллюстрации есть множество этапов. Исходная фотография переводится в электронную форму, затем обрабатывается в графических программах, отображается на экране монитора, затем печатается на принтере или офсетной машине. На каждом этапе цвета изображения получаются различным образом. Одни устройства могут воспринимать цвета — это глаза человека и некоторых животных, фотопленка, сканер. Другие воспроизводят цвета — офсетная машина, монитор, фотобумага. При каждом их этих процессов число цветов хоть и велико, но меньше всего диапазона.
Цветовой охват – это диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован или описан каким-либо способом.
Так, глаз не воспринимает цвета ультрафиолета и инфракрасного излучения. Фотоаппарат бессилен перед очень темными оттенками. Традиционная офсетная печать не передает очень светлые и яркие тона. Следовательно, цветовой охват монитора, офсетной машины и глаза разный, причем у глаза он наибольший. Часть из того, что воспринимает глаз, может передать монитор (на экране нельзя точно воспроизвести, например: чистые голубой или желтый цвета). Часть из того, что передает монитор, можно напечатать (например: при полиграфическом исполнении совсем не воспроизводятся цвета, составляющие которых имеют очень низкую плотность). Разность цветовых охватов устройств вывода и человеческого глаза представлена схемой (рис. 1.). Каждый из охватов может быть выражен моделью цвета.
Правильная передача цвета на всех этапах получения цветного изображения - сложная задача.
Рис. 1. Цветовой охват различных цветовых моделей
Для корректной цветопередачи необходимо согласование всех этапов подготовки изображения. Математическое описание цвета становится важным не только для исследований, но и для практической работы.
Проблема описания цвета решается представлением цветовой информации как цветового, или, точнее, светового потока. В общем случае цвет — это совокупность разных световых волн с преобладанием определенных частот.
Строить описание цветовой информации на частотных характеристиках — задача очень сложная и малотехнологичная. Поэтому выполняется анализ цвета.
Анализом цвета называется этап принудительного разделения светового потока с помощью совокупности фильтров.
Каждый из используемых фильтров создает после себя однородный цветовой поток, т. е. тоновое изображение, которое достаточно легко фиксировать и кодировать — преобразовывать в цифровую форму. Фильтры необходимы для того, чтобы получить возможность фиксировать значения тона. Цвет измерить нельзя, зато можно измерить яркость (освещенность или тон).
Сколько и каких фильтров достаточно для анализа цветовой информации? С практической точки зрения достаточно всего трех фильтров (красного, зеленого и синего цветов). Фильтры в данном случае — самые обычные, т. е. материальные (для них применяются пленки или стекло).
Световой поток дублируется на три идентичных, которые проходят через три разных фильтра, а за каждым фильтром располагается устройство, фиксирующее яркость элемента дискретизации. В результате получаются три изображения в градациях серого (grayscale). Причем для полноцветных оригиналов все три изображения будут разными с точки зрения распределения тонов – от 0 до 255. Полученные изображения сохраняются в одном файле в форме так называемых цветовых каналов (color channels) (рис. 2). Поскольку это независимые изображения, они могут быть свободно представлены в виде отдельных документов (рис. 3).
Каждое изображение в градациях серого (grayscale), входящее в цветной документ, имеет одно и то же разрешение.
Итак, цветовые каналы в градациях серого необходимы для того, чтобы на этапе анализа избавиться от цвета и представить его в яркостных характеристиках.
При сохранении полноцветного изображения цветовые каналы составляют один документ. В любом таком изображении, как минимум, три условно цветовых канала. Но эти каналы являются цифровыми, поэтому невидимыми. Для того чтобы визуализировать их, необходимо обратиться к этапу синтеза цвета.
Синтез— это соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (например, систему).
|
|
|
|
Рис. 2. Цветовые каналы сканированного изображения |
Рис. 3. Цветовые каналы в виде отдельных документов |
На этапе анализа мы оперировали устройствами ввода информации, теперь следует перейти к устройствам вывода, которые позволяют синтезировать цвет из тех данных, которые были сохранены на этапе анализа.
На примере монитора рассмотрим, каким же образом происходит синтез цвета. Каждый пиксель монитора, т. е. каждый элемент сетки монитора, состоит из трех более мелких элементов, которые представляют собой капли люминофора красного, зеленого и синего цветов.
Люминофор — это органические и неорганические вещества, способные светиться (люминесцировать) под действием внешних факторов, например при облучении потоком электронов в электронно-лучевой трубке.
В результате три монохромных изображения, сливаясь оптически, в совокупности формируют впечатление полноцветного изображения. Это означает, что реально на экране представлены оттенки только трех цветов, а многообразие различных цветов зрителю только кажется.
Другим способом синтеза цвета является печать изображения. Диапазон этого способа очень широк: от печати на простейших струйных принтерах до высококачественного полиграфического исполнения. Переход к другому способу визуализации требует использования других цветовых моделей, что, безусловно, не проходит без проблем и искажений.
Для математического описания цвета было предложено несколько цветовых моделей. Ни одна из них не была идеальна. Устройство моделей одинаково: в каждой из них принято несколько базовых компонентов, и каждый базовый компонент вносит вклад в создание конкретного цвета.
Базовые компоненты модели называются каналами.
Цвета, которые можно описать, используя данную модель, входят в ее цветовой охват. По-другому говорят, что эти цвета образуют цветовое пространство модели. Все модели имеют различный цветовой охват.
По принципу образования цветов в компьютерной графике выделяют две большие группы: аддитивную (RGB) и субтрактивную (CMYK).
Модель RGB (Red — красный, Green — зеленый, Blue — синий) описывает излучаемые цвета. Базовыми компонентами модели являются три цвета лучей - красный, зеленый, синий. При восприятии цвета человеком именно они непосредственно воспринимаются глазом. Остальные цвета представляют собой смешение трех базовых в разных соотношениях. RGB — трехканалъная цветовая модель. В модели RGB кодирует изображение сканер и отображает экран монитора.
Модель CMY описывает отраженные цвета (краски). Каналы CMY образуются в результате вычитания основных RGB-компонентов из белого цвета (то есть полного спектра). Это Cyan — голубой (белый минус красный), Magenta — пурпурный (белый минус зеленый) и Yellow — желтый (белый минус синий).
Развитием модели CMY является модель CMYK. Она описывает реальный процесс цветной печати на офсетной машине и цветном принтере. Пурпурная, голубая и желтая краски (полиграфическая триада) последовательно наносятся на бумагу в различных пропорциях, и таким способом может быть репродуцирована значительная часть видимого спектра. В области черного и темных цветов наносится не цветная, а черная краска. Это четвертый базовый компонент, он введен для описания реального процесса печати. Черный компонент сокращается до буквы К (BlacK — черный или, по другой версии, Key — ключевой). CMYK — это четырехканальная цветовая модель.
Модели RGB и CMYK являются аппаратно-зависимыми. Если речь идет о 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. Т.е. цвет зависит как от значений базовых составляющих, так и от параметров устройств: качества и марки печатной краски, свойств использованной бумаги, свойств люминофора и других параметров конкретного монитора, принтера или печатного пресса.
Кроме того, существование разных моделей описания для излучаемых и отраженных цветов весьма неудобно при компьютерной подготовке цветных изображений. В полиграфический процесс входят системы, работающие как в модели RGB (сканер, монитор), так и CMYK (фотонабор, печатная машина). В процессе работы приходится преобразовывать цвет из одной модели в другую. Поскольку эти модели имеют разный цветовой охват, преобразование часто сопряжено с потерей части оттенков. Одной из основных задач при работе с цветными изображениями становится достижение предсказуемого цвета. Для этого создана система цветокоррекции CMS (система управления цветом).
Программная система цветокоррекции CMS — Color Management System предназначена:
Ø во-первых, достичь одинаковых цветов для всех частей полиграфического процесса, от сканера до печатного станка;
Ø во-вторых — обеспечить стабильное воспроизведение цвета на всех выводных устройствах (например, на любом мониторе).
Интенсивность каждой из перечисленных составляющих RGB может варьировать от 0 до 255, образуя разные цвета и, обеспечивая доступ ко всем 256*256*256=16777216 оттенков.
Все цвета, входящие в данную цветовую модель, можно представить в виде куба. Если принять макс. излучение каждого люминофора за единицу и отложить их по осям X, Y и Z в декартовой системе координат, то получится графическая интерпретация рассматриваемого цветового пространства. Причем в точке, где все величины равны нулю, будет – черный цвет, там же, где все они будут принимать максимальное значение, — белый (рис. 4).
Рис. 4. Цветовой куб модели RGB
Главная диагональ такого куба, проходящая от черного (0, 0, 0) к белому (1, 1, 1) цвету, называется ахроматической осью или шкалой яркости. На ней лежат цвета с одинаковым количеством каждого компонента, поэтому они являются оттенками серого.
Модель RGB называется аддитивной. При увеличении яркости отдельных составляющих увеличивается и яркость результирующего цвета.
При смешении всех трех цветов с максимальной интенсивностью получается белый цвет (рис. 4), при отсутствии всех цветов – черный.
Каждому цвету можно сопоставить код, который содержит значения яркости трех составляющих. Используются десятичное и шестнадцатеричное представления кода.
Рис. 5. Комбинации базовых цветов модели RGB
Десятичное представление — это тройка десятичных чисел, разделенных запятыми. Первое число соответствует яркости красной составляющей, второе — зеленой, а третье — синей. Код цвета в шестнадцатеричном представлении имеет вид 0хХХХХХХ. Префикс 0х указывает на шестнадцатеричное число. За префиксом следуют шесть шестнадцатеричных цифр (0, 1, 2,...,9, А, В, С, D, E, F). Первые две цифры — шестнадцатеричное число, представляющее яркость красной составляющей, вторая и третья пары соответствуют яркости зеленой и синей составляющих.
Если все составляющие имеют максимальную яркость (255,255,255 — в десятичном представлении; 0xFFFFFF — в шестнадцатеричном представлении), то получается белый цвет. Минимальная яркость (0,0,0 или 0x000000) соответствует черному цвету. Смешение красного, зеленого и синего цветов с различными, но одинаковыми яркостями дает шкалу из 256 оттенков (градаций) серого цвета — от черного до белого.
При наложении отдельных каналов результат получается не совсем такой, как если бы смешивались краски. Базовые цвета смешиваются следующим образом:
Ø Красный и зеленый — при максимальной яркости дают желтый цвет. Уменьшение яркости красного изменяет результирующий цвет в сторону зеленоватого, а уменьшение яркости зеленого делает цвет оранжевым.
Ø Зеленый и синий — при максимальной яркости дают голубой. Изменяя пропорцию яркостей можно получить 65 000 оттенков голубого, от небесного до темно-синего.
Ø Красный и синий — при максимальной яркости дают пурпурный или фиолетовый. Уменьшение яркости синего сдвигает цвет в сторону розового, а уменьшение красного — в сторону пурпурного.
Так как яркость каждой из базовых составляющих цвета может принимать только 256 целочисленных значений, каждое значение можно представить 8-разрядным двоичным числом (последовательностью из 8 нулей и единиц, 256 = 28) или, одним байтом. Каждый разряд в байте называется битом (двоичной единицей или нулем). Таким образом, в модели RGB информация о каждом цвете требует 3 байта (по одному байту на каждый базовый цвет) или 24 бита памяти для хранения. Поскольку все оттенки серого цвета образуются смешением трех составляющих одинаковой яркости, то для представления любого из 256 оттенков серого требуется лишь 1 байт.
Рассмотренная выше модель RGB хорошо описывает цвета, получаемые в результате смешения лучей света различной окраски. Таким образом, она подходит для предсказания цветов, видимых на мониторе, а также получающихся при сканировании изображений, но не подходит для печатающих устройств.
Смешение красок, которое делают печатающие устройства, описывает модель CMYK. На рисунке 6 показана комбинация базовых цветов CMYK.
Базовые цвета CMYK называются субтрактивными и получаются путем вычитания из белого одного из базовых цветов модели RGB.
Тогда базовые цвета модели CMYK можно представить с помощью формул вычитания базовых цветов модели RGB следующим образом:
Cyan = RGB - R = GB = (0,255,255)
Yellow = RGB - В = RG = (255,255,0)
Magenta = RGB - G = RB = (255,0,255)
Вычитание из белого цвета белого любое количество раз дает в результате – черный:
RGB - RGB = RGB - RGB - ... - RGB = (0,0,0)
А сложение белых цветов — белый:
RGB + RGB = RGB + RGB + ... + RGB = (255,255,255) - белый цвет
Сложение всех базовых цветов CMYK дает в результате черный.
Cyan+Yellow+Magenta=RGB-R-B-G=(0,0,0)
Рис. 6. Комбинации базовых цветов модели CMYK
Вычитание из белого всех базовых цветов CMYK дает белый:
RGB-(RGB-R)-(RGB-В)-(RGB-G)=RGB-RGB+R+В+G=RGB=(255,255,255)
Вычитание цвета соответствует поглощению его краской. Например, голубая (Cyan) краска поглощает из падающего на нее белого света красную составляющую, а все остальное отражает. Этот отраженный свет наш глаз и воспринимает как голубой. Белый лист бумаги потому кажется нам белым, что он отражает практически весь падающий на него белый свет. С другой стороны, черные предметы почти ничего не отражают, а почти весь свет поглощают. Базовые цвета модели CMYK являются довольно яркими цветами и не вполне годятся для воспроизведения темных цветов. Так, при их смешивании на практике получается не чисто черный, а грязно-коричневый цвет. Поэтому в цветовую модель CMYK включен еще и чистый черный цвет, который используется для создания темных оттенков, а также для печати черных элементов изображения.
Смешение цветов в модели CMYK противоположно смешению составляющих в модели RGB. Однако краски субтрактивной модели не являются столь чистыми, как цвета аддитивной модели. Этим и объясняются следующие особенности:
Ø Голубой и пурпурный — при максимальной яркости дает глубокий синий цвет с небольшим фиолетовым оттенком. Уменьшение яркости голубого делает цвет пурпурным, а уменьшение яркости пурпурного — средне-синим (желтой краски нет совсем).
Ø Пурпурный и желтый — при максимальной яркости смесь получается ярко-красного цвета. Уменьшение яркости пурпурной составляющей приводит к оранжевому, а уменьшение яркости желтой — к розовому цвету (голубая составляющая отсутствует).
Ø Желтый и голубой — ярко-зеленый цвет с небольшим оттенком синего. Уменьшение яркости желтого дает изумрудный цвет, а уменьшение яркости голубого — салатовый цвет (пурпурная составляющая отсутствует).
Основные цвета рассмотренных выше моделей RGB и CMYK находятся в зависимости, которую можно графически представить с помощью рисунка 7.
Каждый цвет расположен напротив дополняющего его и между цветами, с помощью которых он получен. Чтобы усилить какой-либо цвет, необходимо ослабить дополняющий цвет, расположенный на противоположной стороне круга. Например, чтобы усилить желтый (Yellow), надо ослабить синий (Blue). На круге цветов желтый расположен между зеленым (Green) и красным (Red). Сложение этих цветов цветов дает желтый (Yellow).
Рис. 7. Взаимосвязь основных цветов RGB и СМУК
Свет имеет электромагнитную природу. Это означает, что свет представляет собой композицию (смесь) множества электромагнитных волн. Электромагнитная волна есть распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Колебание, как известно, характеризуется частотой, а волна — длиной. Для света частота колебаний/ и длина волны А. связаны простой формулой: f = с/А, где с — скорость света (в вакууме она равна примерно 300 000 км/с). Луч белого света, проходя через стеклянную призму, расщепляется на множество лучей различного цвета — от красного до фиолетового (цвета радуги), образуя так называемый спектр цветов. Угол преломления луча света, проходящего через призму, зависит от его длины волны. Поскольку белый свет является смесью электромагнитных волн различной длины, то каждая волна после призмы распространяется по своему направлению. Красный луч испытывает наименьшее отклонение, а фиолетовый — наибольшее. Одноцветные лучи, называемые монохроматическими, проходя через призму, уже не разлагаются на другие цвета.
Рис. 8.
Луч белого света, проходя через призму,
разлагается на цветные составляющие
Видимый цвет однозначно определяется длиной волны соответствующего излучения. Электромагнитные волны, которые воспринимает наше зрение, лежат в области примерно от 0,75 до 0,4 мкм. Левой границе соответствует красный цвет, левее находится диапазон инфракрасных (тепловых) волн, а еще левее (0,3 мм—30000м) расположены радиоволны. Правой границе видимого диапазона волн соответствует фиолетовый цвет, правее находятся ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма - и космические лучи. Инфракрасные лучи наш глаз не чувствует, но они воздействуют, например, на термометр. Ультрафиолетовые лучи также невидимы, но они способны заставить светиться люминофор — вещество, применяемое в электронно-лучевых трубках мониторов.
Рис. 2. Спектр электромагнитных волн
Если лучи различных цветов с помощью линз и зеркал сфокусировать (т. е. смешать) в один пучок, то вновь получим белый цвет. Опыты по разложению белого света на цветные составляющие и сведению их снова в белый луч впервые провел И. Ньютон в XVII веке. Путем смешения лучей различных цветов можно получать другие цвета, даже такие, которых нет в спектре разложения белого цвета. Различные цвета можно получать и смешением красок. Однако цвет, возникающий в результате смешения цветных лучей света, будет отличаться от цвета, полученного смешением аналогичных красок. Например, красный, зеленый и синий лучи света вместе дают белый цвет, а смешение соответствующих красок — грязно-коричневый. Попробуйте зачертить на одном месте бумаги сначала красным карандашом, потом зеленым и синим. Никакого подобия белого цвета вы не получите. Таким образом, чтобы предсказать, какой цвет получится, необходимо знать, что вы будете смешивать - лучи света или краски. Все сказанное имеет прямое отношение к компьютерной графике. Мониторы отображают цвета в результате смешения цветных лучей света, испускаемых люминофорами, а печатающие устройства — смешивают краски, т. е. вещества, обладающие способностью поглощать одну часть лучей света и отражать-другую.
Вещество может отражать, поглощать и пропускать через себя свет. Свет, получаемый в результате взаимодействия с веществом, отличается, в общем случае, от исходного света. Таким образом, информация о предмете, переносимая светом, претерпевает изменения из-за взаимодействия света с веществом на пути его распространения.
Ø Цвет — это как субъективная субстанция, суть которой в индивидуальном восприятии, так и объективная, поскольку физические причины, вызывающие ощущение цвета, существуют вне человека.
Ø На этапе анализа цветовая информация с помощью фильтров преобразуется в яркостную (техническая система избавляется от цвета как такового). Полученная яркостная информация реализуется в виде цветовых каналов (на самом деле — серых) в пиксельных изображениях.
Ø Визуализация цвета происходит на этапе синтеза, когда фиксированная яркостная картина используется как регулятор степени вклада каждой цветовой составляющей в общем цветном изображении. Синтез цвета осуществляется совсем другими средствами, например: свечением капель люминофора или отражением цветных пятен на бумаге, что делает принципиально невозможным абсолютно точное воспроизведение исходной цветовой информации.
Ø Для превращения цвета в цифровую форму необходимо его математическое описание. Оно производится на основе нескольких моделей цвета.
Ø Аддитивная модель цвета RGB описывает излучаемые цвета. Монитор и сканер используют эту модель для оцифровки цвета. Субтрактивная модель цвета CMY описывает отраженные цвета. Полиграфическая модель CMYK создана на основе CMY путем введения четвертого, черного канала.
Ø Модели RGB и CMYK являются аппаратно-зависимыми, то есть цвет с одинаковым описанием будет визуально отличаться на устройствах с разными характеристиками.
Ø Различные устройства имеют разный цветовой охват. Цветовой охват зависит от способа генерации или восприятия цвета устройством.
Ø В процессе подготовки изображения используются устройства с различным цветовым охватом и работающие на основе разных цветовых моделей. Для достижения корректного воспроизведения цветов разработана система цветокоррекции CMS.
Ø Система цветокоррекции состоит в определении профиля, то есть способа изображения цветов каждым из устройств. Эти профили интерпретируются ядром CMS. Процесс построения профилей называется калибровкой.
