Основные цветовые модели. О цветовых пространствах

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Наука о цвете - это довольно сложная и широкомасштабная наука, поэтому в ней время от времени создаются различные цветовые модели, применяемые в той либо иной области. Одной из таких моделей и является цветовой круг.

Многим известно о том, что существует 3 первичные цвета, которые невозможно получить и которые образуют все остальные. Основные цвета - это желтый, красный и синий. При смешивании желтого с красным получается оранжевый, синего с желтым - зеленый, а красного с синим - фиолетовый. Таким образом, можно составить круг, который будет содержать все цвета. Он представлен на рис. и называется большим кругом Освальда.

Наряду с кругом Освальда есть еще и круг Гете, в котором основные цвета расположены в углах равностороннего треугольника, а дополнительные - в углах перевернутого треугольника.

Друг напротив друга расположены контрастные цвета.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели - цветовые м о дели (цветовое пространство), т.е. - это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. Цветовые модели могут быть аппаратно-зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно-независимыми (модель Lab). В большинстве «современных» визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.

В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель - это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Основные цветовые модели:

CMY (Cyan Magenta Yellow);

CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет);

HSV (Hue, Saturation, Value);

HLS (Hue, Lightness, Saturation);

и другие.

В цифровых технологиях используются, как минимум четыре, основных модели: RGB, CMYK, HSB в различных вариантах и Lab. В полиграфии используются также многочисленные библиотеки плашечных цветов.

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного - голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого - пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего - желтый (красный+зеленый) и т.д.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разить на три класса:

аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

перцепционные (HSB, HLS, LAB, YCC), базирующиеся на восприятии.

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета.

Таким образом, цветовые модели (цветовое пространство) представляют средства для концептуального и количественного описания цвета. Цветовой режим - это способ реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы.

Закон Грассмана (законы смешивания цветов)

В большинстве цветовых моделей для описания цвета используется трехмерная система координат. Она образует цветовое пространство, в котором цвет можно представить в виде точки с тремя координатами. Для оперирования цветом в трехмерном пространстве Т. Грассман вывел три закона (1853г):

1. Цвет трехмерен - для его описания необходимы три компоненты. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.

Иными словами, для любого заданного цвета можно записать такое цветовое уравнение, выражающее линейную зависимость цветов.

Первый закон можно трактовать и в более широком смысле, а именно, в смысле трехмерности цвета. Необязательно для описания цвета применять смесь других цветов, можно использовать и другие величины - но их обязательно должно быть три.

2. Если в смеси трех цветовых компонент одна меняется непрерывно, в то время, как две другие остаются постоянными, цвет смеси также изменяется непрерывно.

3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонент и не зависит от их спектральных составов.

Смысл третьего закона становится более понятным, если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонент) может быть получен различными способами. Например, смешиваемая компонента может быть получена, в свою очередь, смешиванием других компонент.

Цветовая модель RGB

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.

Данная цветовая модель базируется на трех основных цветах: Red - красном, Green - зеленом и Blue - синем. 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.

Таблица . Значения некоторых цветов в модели RGB

Данная цветовая модель считается аддитивной, то есть при увеличении я р кости отдельных составляющих будет увеличиваться и яркость результиру ю щего цвета : если смешать все три цвета с максимальной интенсивностью, то результатом будет белый цвет; напротив, при отсутствии всех цветов получается черный.

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.

Рис. Модель RGB

Система координат RGB - куб с началом отсчета (0,0,0), соответствующим черному цвету (см. рис.). Максимальное значение RGB - (1,1,1) соответствует белому цвету.

Рис. Цветовой куб модели RGB

Несомненными достоинствами данного режима является то, что он позволяет работать со всеми 16 миллионами цветов, а недостаток состоит в том, что при выводе изображения на печать часть из этих цветов теряется, в основном самые яркие и насыщенные, также возникает проблема с синими цветами.

Модель RGB - это аддитивная цветовая модель, которая используется в устройствах, работающих со световыми потоками: сканеры, мониторы.

Цветовая модель HSB

Здесь заглавные буквы не соответствуют никаким цветам, а символизируют тон (цвет) , насыщенность и яркость (Hue Saturation Brightness). Предложена в 1978 году. Все цвета располагаются по кругу, и каждому соответствует свой градус, то есть всего насчитывается 360 вариантов - H определяет частоту света и принимает значение от 0 до 360 градусов (красный - 0, желтый - 60, зеленый - 120 градусов и так далее), т.е. любой цвет в ней определяется своим цветом (тоном), насыщенностью (то есть добавлением к нему белой краски) и яркостью.

Насыщенность определяет, насколько ярко выраженным будет выбранный цвет. 0 - серый, 100 - самый яркий и чистый из возможных вариантов.

Параметр яркости соответствует общепризнанному, то есть 0 - это черный цвет.

Такая цветовая модель намного беднее рассмотренной ранее RGB, так как позволяет работать всего лишь с 3 миллионами цветов.

Эта модель аппаратно-зависимая и не соответствует восприятию человеческого глаза, так как глаз воспринимает спектральные цвета как цвета с разной яркостью (синий кажется более темным, чем красный), а в модели HSB им всем приписывается яркость 100%.

Насыщенность (Saturation) - это параметр цвета, определяющий его чистоту. Отсутствие (серых) примесей (чистота кривой) соответствует данному параметру. Уменьшение насыщенности цвета означает его разбеливание. Цвет с уменьшением насыщенности становится пастельным, блеклым, размытым. На модели все одинаково насыщенные цвета располагаются на концентрических окружностях, т. е. можно говорить об одинаковой насыщенности, например, зеленого и пурпурного цветов, и чем ближе к центру круга, тем все более разбеленные цвета получаются. В самом центре любой цвет максимально разбеливается, проще говоря, становится белым цветом.

Работу с насыщенностью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента белой краски. Чем больше в цвете содержание белого, тем ниже значение насыщенности, тем более блеклым он становится.

Яркость (Brightness) - это параметр цвета, определяющий освещенность или затемненность цвета. Амплитуда (высота) световой волны соответствует этому параметру. Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. Работу с яркостью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски. Чем больше в цвете содержание черного, тем ниже яркость, тем более темным становится цвет.

Модель HSB - это пользовательская цветовая модель, которая позволяет выбирать цвет традиционным способом.

Модель CMY (Cyan Magenta Yellow)

В этой модели основные цвета образуются путем вычитания из белого цветов основных аддитивных цветов модели RGB.

Рис. Получение модели CMY из RGB

Цвета, использующие белый свет, вычитая из него определенные участки спектра называются субтрактивными. Основные цвета этой модели: голубой (белый минус красный), фуксин (в некоторых книгах его называют пурпурным) (белый минус зеленый) и желтый (белый минус синий). Эти цвета являются полиграфической триадой и могут быть легко воспроизведены полиграфическими машинами. При смешение двух субтрактивных цветов результат затемняется (в модели RGB было наоборот). При нулевом значении всех компонент образуется белый цвет (белая бумага). Эта модель представляет отраженный цвет, и ее называют моделью субтрактивных основных цветов . Данная модель является основной для полиграфии и также является аппаратно-зависимой.

Рис. Модель CMY

Система координат CMY - тот же куб, что и для RGB, но с началом отсчета в точке с RGB координатами (1,1,1), соответствующей белому цвету. Цветовой куб модели CMY показан на рис. 0.4.2.

Рис. 0.4.2: Цветовой куб модели CMY

Цветовая модель CMYK

Это еще одна из наиболее часто используемых цветовых моделей, нашедших широкое применение. Она, в отличие от аддитивной RGB, является субтрактивной моделью.

Модель CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет) - является дальнейшим улучшением модели CMY и уже четырехканальна. Поскольку реальные типографские краски имеют примеси, их цвет не совпадает в точности с теоретически рассчитанным голубым, желтым и пурпурным. Особенно трудно получить из этих красок черный цвет. Поэтому в модели CMYK к триаде добавляют черный цвет. Почему-то в названии цветовой модели черный цвет зашифрован как K (от слова Key - ключ). Модель CMYK является «эмпирической», в отличие от теоретических моделей CMY и RGB. Модель является аппаратно-зависимой.

Основные цвета в субтрактивной модели отличаются от цветов аддитивной. Cyan - голубой, Magenta - пурпурный, Yellow - желтый. Так как при смешении всех вышеперечисленных цветов идеального черного не получится, то вводится еще один дополнительный цвет - черный, который позволяет добиваться большей глубины и используется при печати прочих черных (как, например, обычный текст) объектов.

Цвета в рассматриваемой цветовой модели были выбраны такими не случайно, а из-за того, что голубой поглощает лишь красный, пурпурный - зеленый, желтый - синий.

В отличие от аддитивной модели, где отсутствие цветовых составляющих образует черный цвет, в субтрактивной все наоборот: если нет отдельных компонентов, то цвет белый, если они все присутствуют, то образуется грязно-коричневый, который делается более темным при добавлении черной краски, которая используется для затемнения и других получаемых цветов. При смешивании отдельных цветовых составляющих можно получить следующие результаты:

Голубой + Пурпурный = Синий с оттенком фиолетового, который можно усилить, изменив пропорции смешиваемых цветов.

Пурпурный + Желтый = Красный. В зависимости от соотношения входящих в него составляющих он может быть преобразован в оранжевый или розовый.

Желтый + Голубой = Зеленый, который может быть преобразован при использовании тех же первичных цветов как в салатовый, так и в изумрудный.

Следует помнить, что если вы готовите изображение к печати, то следует все-таки работать с CMYK, потому что в противном случае то, что вы увидите на мониторе, и то, что получите на бумаге, будет отличаться настолько сильно, что вся работа может пойти насмарку.

Модель CMYK - это субтрактивная цветовая модель, которая описывает реальные красители, используемые в полиграфическом производстве.

Цветовая модель Lab

Цветовая модель Lab была разработана Международной комиссией по освещению (CIE) с целью преодоления существенных недостатков вышеизложенных моделей, в частности она призвана стать аппаратно независимой моделью и определять цвета без оглядки на особенности устройства (сканера, монитора, принтера, печатного станка и т. д.).

Такую модель предпочитают в основном профессионалы, так как он совмещает достоинства как CMYK, так и RGB, а именно обеспечивает доступ ко всем цветам, работая с достаточно большой скоростью.

На вопрос, почему же такой моделью пользуются в основном профессионалы, можно ответить лишь то, что она отличается несколько необычным и непривычным построением, и понять принцип ее действия порой несколько сложнее описанных ранее.

Построение цветов здесь, так же как и в RGB, базируется на слиянии трех каналов. На этом, правда, все сходство заканчивается.

Название она получила от своих базовых компонентов L , a и b . Компонент L несет информацию о яркостях изображения, а компоненты а и b - о его цветах (т. е. a и b - хроматические компоненты). Компонент а изменяется от зеленого до красного, а b - от синего до желтого. Яркость в этой модели отделена от цвета, что удобно для регулирования контраста, резкости и т.д. Однако, будучи абстрактной и сильно математизированной эта модель остается пока что неудобной для практической работы.

Поскольку все цвтовые модели являются математическими, они легко конвертируются одна в другую по простым формулам. Такие конверторы встроены во все "приличные" графические программы.

Перцепционные цветовые модели

Для дизайнеров, художников и фотографов основным инструментом индикации и воспроизведения цвета служит глаз. Этот естественный «инструмент» обладает цветовым охватом, намного превышающим возможности любого технического устройства, будь то сканер, принтер или фотоэкспонирующее устройство вывода на пленку.

Как было показано ранее, используемые для описания технических устройств цветовые системы RGВ и СМYК являются аппаратнозависимыми. Это значит, что воспроизводимый или создаваемый с помощью них цвет определяется не только составляющими модели, но и зависит от характеристик устройства вывода.

Для устранения аппаратной зависимости был разработан ряд так называемых перцепционных (иначе - интуитивных) цветовых моделей. В их основу заложено раздельное определение яркости и цветности. Такой подход обеспечивает ряд преимуществ:

позволяет обращаться с цветом на интуитивно понятном уровне;

значительно упрощает проблему согласования цветов, поскольку после установки значения яркости можно заняться настройкой цвета.

Прототипом всех цветовых моделей, использующих концепцию разделения яркости и цветности, является НSV-модель. К другим подобным системам относятся НSI, НSB, НSL и YUV. Общим для них является то, что цвет задается не в виде смеси трех основных цветов - красного, синего и зеленого, а определяется путем указания двух компонентов: цветности (цветового тона и насыщенности) и яркости.

Черно-белый и полутоновый режим

Черно-белый режим. Это обычный черно-белый режим, который полностью лишен цвета, в нем есть только белый, черный и градации серого. Ничего особенно нового сказать о данной цветовой модели невозможно, так как она состоит из одного канала, который полностью соответствует изображению и выглядит как обычная черно-белая фотография.

Художники и разработчики программного обеспечения иногда называют этот режим монохромной графикой, растровой графикой, или графикой с одно-битовым разрешением.

Для отображения черно-белого изображения используются только два типа ячеек: черные и белые. Поэтому для запоминания каждого пиксела требуется только 1 бит памяти компьютера. Областям исходного изображения, имеющим промежуточные оттенки, назначаются черные или белые пикселы, поскольку других оттенков для это модели не предусмотрено.

Этот режим можно использовать для работы с черно-белыми изображениями, полученными сканированием черно-белых чертежей и гравюр, а также иногда при выводе цветных изображений на черно-белую печать.

Полутоновый режим. Такой способ реализации изображения базируется на специфике восприятия изображения человеческим глазом, для которого область изображения, заполненная крупными точками, ассоциируется с более темными тонами и, наоборот, область, заполненная точками меньшего размера, воспринимается как более светлая. Режим Наlftone поддерживается большинством принтеров.

Полутоновые изображения представляют собой однобитовые изображения с непрерывным тоном, которые реализуются с помощью конгломерата точек разного размера и формы.

Плашечные цвета

В некоторых типах полиграфической продукции используются всего два-три цвета, которые печатаются смесовыми красками, которые называются плашечными цветами (spot colors). В частности, к такой продукции относятся бланки, визитки, приглашения, прайс-листы и прочая акцидентная продукция. Каждый плашечный цвет репродуцируется с помощью отдельной печатной формы (плашки).

Для осуществления печати такой продукции дизайнер должен представить в типографию отдельные полосы оригинал-макетов с плашками на каждый смесовый цвет и крестами приводки и приложить образцы цвета («выкраски») для каждой полосы.

Для того чтобы унифицировать использование таких цветов создают цветовые библиотеки.

В частности, известная фирма Pantone, которая является владельцем и разработчиком одноименной библиотеки, начиналась с того, что химик Ло-уренс Герберт создал совокупность различных цветов, составляемых из восьми красок, и напечатал альбом этих цветов, каждый из которых имел свой номер. С тех пор эта идея получила самое широкое развитие, цветовые библиотеки используются в самых разных областях и в первую очередь в компьютерной графике и полиграфии. Появилось множество других компаний, выпускающих другие стандартизированные библиотеки цветов (например, TRUMATCH SWATCHING SYSTEM, FOCOLTONE COLOUR SYSTEM, TOYO 88 ColorFinder1050 System и ANPA-COLOR system и т. д.).

Цветовой набор Process Color System Guide охватывает более 3000 цветов, получаемых при полиграфической печати, с рецептами процентного соотношения 16 базовых цветов для цветовой модели CMYK.

Кодирование цвета. Палитра

цветовой модель кодирование аддитивный

Для того чтобы компьютер имел возможность работать с цветными изображениями, необходимо представлять цвета в виде чисел - кодировать цвет. Способ кодирования зависит от цветовой модели и формата числовых данных в компьютере.

Для модели RGB каждая из компонент может представляться числами, ограниченными некоторым диапазоном - например, дробными числами от 0 до 1 либо целыми числами от 0 до некоторого максимального значения. В настоящее время достаточно распространенным является формат True Color, в котором каждая компонента представлена в виде байта, что дает 256 градаций для каждой компоненты: R = 0...255, G = 0...255, B = 0...255. Количество цветов составляет 256х256 х 256 = 16.7 млн (2 24).

Такой способ кодирования цветов можно назвать компонентным. В компьютере коды изображений True Color представляются в виде троек байтов, либо упаковываются в длинное целое (четырехбайтное) - 32 бита.

При работе с изображениями в системах компьютерной графики часто приходится искать компромисс между качеством изображения (требуется как можно больше цветов) и ресурсами, необходимыми для хранения и воспроизведения изображения, исчисляемыми, например, объемом памяти (надо уменьшать количество бит на пиксел).

При ограничении количества цветов используют палитру, представляющую набор цветов, важных для данного изображения. Палитру можно воспринимать как таблицу цветов. Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели.

Компьютерные видеосистемы обычно предоставляют возможность программисту установить собственную палитру.

Каждый цвет изображения, использующего палитру, кодируется индексом, который будет определять номер строки в таблице палитры. Поэтому такой способ кодирования цвета называют индексным.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Изучение современных компьютерных программ манипуляции с цветом. Исследование систем соответствия цветов и цветовых режимов. Описания особенностей аддитивных, субтрактивных и перцепционных цветовых моделей. Работа с цветом в трехмерном пространстве.

презентация , добавлен 12.02.2014

Рассмотрение законов смешивания основных цветов. Волновые свойства света. Понятие тона, яркости и насыщенности. Характеристика сущности аддитивных и субтрактивных моделей синтеза цвета. Ознакомление с форматами хранения растровых изображений в BMP-файлах.

презентация , добавлен 26.07.2013

Средства описания цветовых оттенков, которые могут быть воспроизведены на экране компьютера и на принтере. Система аддитивных и субтрактивных цветов в компьютерной графике. Ахроматическое (черно-белое) изображение, тона, полутона и оттенки серого.

презентация , добавлен 06.01.2014

Исследование природы цвета как качественной субъективной характеристики излучения оптического диапазона. Световое и зрительное восприятие цвета человеком. Назначение, описание моделей и структура цветовых профилей и пространств в компьютерной графике.

курсовая работа , добавлен 03.10.2011

Преобразование "естественной" информации в дискретную форму. Анализ процессов дискретизации и квантования изображения. Векторные и растровые процедуры, применяемые в компьютерной графике. Законы математического описания цвета и виды цветовых моделей.

презентация , добавлен 29.01.2016

История происхождения цветовой модели RGB. Технология HiFi Color и использование планшетных цветов. Возникновение, механизмы формирования цветов, возможности расширения цветового охвата цветовой модели CMYK. Стандартные цветовые пространства RGB.

курсовая работа , добавлен 20.09.2012

Основные законы смешения цветов. Волновые свойства света. Основные характеристики цвета (атрибуты). Аддитивная цветовая модель RGB. Цветовые модели CMY и HSV. Кодировка цветов в моделях. Формат BMP для хранения растровых изображений, структура файла.

презентация , добавлен 28.08.2013

История происхождения цветовой модели RGB, ее достоинства и ограничения. Стандартные цветовые пространства RGB. Возникновение цветовой модели CMY. Возможности расширения цветового охвата CMYK. Технология HiFi Color. Использование плашечных цветов.

курсовая работа , добавлен 07.11.2014

Характеристика цифровых изображений, применяющиеся в издательской деятельности. Отличительные особенности растровых и векторных изображений, понятие цветового охвата, изучение моделей для описания отраженных цветов. Форматы и виды графических файлов.

контрольная работа , добавлен 16.09.2010

Разработка аппаратно-программного комплекса для осуществления идентификации объектов управления на основе вещественного интерполяционного метода. Анализ работоспособности аппаратно-программного комплекса, пример идентификации объекта управления.

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:

Цветовая модель CIE Lab.

В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIELab (Communication Internationale de I"Eclairage - международная комиссия по освещению. L,a,b - обозначения осей координат в этой системе). Система является аппаратно независимой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. В модели CIELab любой цвет определяется светлотой (L) и хроматическими компонентами: параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого до красного, и параметром Ь, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого. Цветовой охват модели CIELab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов с полиграфическими. Сегодня она является принятым по умолчанию стандартом для программы Adobe Photoshop.

Цветовая модель RGB.

Цветовая модель RGB является аддитивной, то есть любой цвет представляет собой сочетание в различной пропорции трех основных цветов - красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue). Она служит основой при создании и обработке компьютерной графики, предназначенной для электронного воспроизведения (на мониторе, телевизоре). При наложении одного компонента основного цвета на другой яркость суммарного излучения увеличивается. Совмещение трех компонентов дает ахроматический серый цвет, который при увеличении яркости приближается к белому цвету. При 256 градационных уровнях тона черному цвету соответствуют нулевые значения RGB, а белому - максимальные, с координатами (255,255,255).

Цветовая модель HSB (HSL).

Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Она построена на основе цветового круга Манселла. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Изначально вместо термина «яркость» использовался термин «светлота» - Lightness. Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности - чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету. Цветовой охват модели HSB перекрывает все известные значения реальных цветов.

Модель HSB принято использовать создания изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Существуют специальные программы, имитирующие кисти, перья, карандаши. Обеспечивается имитация работы с красками и различными полотнами. После создания изображения его рекомендуется преобразовать в другую цветовую модель, в зависимости от предполагаемого способа публикации.

Цветовая модель CMYK, цветоделение.

Цветовая модель CMYK относится к субтрактивным, и ее используют при подготовке публикаций к печати. Цветовыми компонентами CMY служат цвета, полученные вычитанием основных из белого:

голубой (cyan) = белый - красный = зеленый + синий; пурпурный (magenta) = белый - зеленый = красный + синий; желтый (yellow) = белый - синий = красный + зеленый.

Такой метод соответствует физической сущности восприятия отраженных от печатных оригиналов лучей. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются дополнительными, потому что они дополняют основные цвета до белого. Отсюда вытекает и главная проблема цветовой модели CMY - наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного цвета. Поэтому в цветовую модель был включен компонент чистого черного цвета. Так появилась четвертая буква в аббревиатуре цветовой модели CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, blасК).

Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение необходимо разделить на составляющие, соответствующие компонентам цветовой модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получают четыре отдельных изображения, содержащих одноцветное содержимое каждого компонента в оригинале. Затем в типографии с форм, созданных на основе цветоделенных пленок, печатают многоцветное изображение, получаемое наложением цветов CMYK.

Индексированный цвет.

Индексированные цвета называются так по той причине, что в этом режиме каждому пикселю изображения присваивается индекс, указывающий на определенный цвет из специальной таблицы, называемой цветовой палитрой. Если изменить порядок расположения цветов в палитре, это самым драматическим образом скажется на внешнем виде изображения, представленного индексированными цветами. В индексированных палитрах не бывает более 256 цветов, однако может быть гораздо меньше. Чем меньше цветов в палитре, тем меньше битов требуется для представления цвета каждого пикселя и, следовательно, тем меньше размер файла изображения.

Индексированные цвета кодируются обычно четырьмя или восемью битами в виде так называемых цветовых таблиц. Глубина индексированного цвета может составлять 2-8 бит. Например, графическая среда Windows 95 поддерживает цветовую таблицу из восьми бит на пиксель, она называется системной палитрой (system palette). В этой таблице цвета уже предопределены, поэтому допускается использовать только их.

Наука о цвете - ϶ᴛᴏ довольно сложная и широкомасштабная наука, в связи с этим в ней время от времени создаются различные цветовые модели, применяемые в той либо иной области. Одной из таких моделей и является цветовой круг .

Многим известно о том, что существует 3 первичные цвета͵ которые невозможно получить и которые образуют все остальные. Основные цвета - ϶ᴛᴏ желтый, красный и синий. При

смешивании желтого с красным получается оранжевый, синего с желтым – зеленый, а красного с синим – фиолетовый. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, можно составить круг, который будет содержать все цвета. Он представлен на рис. и принято называть большим кругом Освальда .

Наряду с кругом Освальда есть еще и круг Гете , в котором основные цвета расположены в углах равностороннего треугольника, а дополнительные – в углах перевернутого треугольника.

Друг напротив друга расположены контрастные цвета.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели – цветовые модели (цветовое пространство), ᴛ.ᴇ. - ϶ᴛᴏ способ описания цвета с помощью количественных характеристик. Цветовые модели бывают аппаратно–зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно–независимыми (модель Lab). В большинстве ʼʼсовременныхʼʼ визуализационных пакетов (к примеру, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.

В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель - ϶ᴛᴏ просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Основные цветовые модели:

− CMY (Cyan Magenta Yellow);

− CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет);

− HSV (Hue, Saturation, Value);

− HLS (Hue, Lightness, Saturation);

− и другие.

В цифровых технологиях используются, как минимум четыре, базовых модели: RGB, CMYK, HSB в различных вариантах и Lab. В полиграфии используются также многочисленные библиотеки плашечных цветов.

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет – цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного – голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого – пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего – желтый (красный+зеленый) и т.д.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разить на три класса:

− аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

− субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

− перцепционные (HSB, HLS, LAB, YCC), базирующиеся на восприятии.

Аддитивный цвет получается на базе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В корне этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра бывают получены путем смешивания в различных пропорциях трех базовых цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (R ed), зеленый (G reen) и синий (В lue) цвета. При попарном смешивании пер– вичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (С yan), пурпурный (M agenta) и желтый (Y ellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета͵ с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух базовых цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета.

Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, цветовые модели (цветовое пространство) представляют средства для концептуального и количественного описания цвета. Цветовой режим - ϶ᴛᴏ способ реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы.

Закон Грассмана (законы смешивания цветов)

1. Цвет трехмерен – для его описания необходимы три компоненты. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.

Первый закон можно трактовать и в более широком смысле, а именно, в смысле трехмерности цвета. Необязательно для описания цвета применять смесь других цветов, можно использовать и другие величины – но их обязательно должно быть три.

2. В случае если в смеси трех цветовых компонент одна меняется непрерывно, в то время, как две другие остаются постоянными, цвет смеси также изменяется непрерывно.

3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонент и не зависит от их спектральных составов.

Смысл третьего закона становится более понятным, в случае если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонент) должна быть получен различными способами. К примеру, смешиваемая компонента должна быть получена, в свою очередь, смешиванием других компонент.

Цветовая модель RGB

Это одна из наиболее распространенных и часто используемых моделей. Она применяется в приборах, излучающих свет, таких, к примеру, как мониторы, прожекторы, фильтры и другие подобные устройства.

Данная цветовая модель базируется на трех базовых цветах: Red – красном, Green – зеленом и Blue – синем. 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 крайне важно сти указывать и цифровое значение, тем самым иногда, особенно при цветокоррекции, контролируя процесс работы.

Курсовая работа

Цвет, цветовые модели и пространства в компьютерной графике

Введение

О природе света и цвета

1 Основные цвета

2 Природа цветового ощущения

3 Цветовой тон

4 Колориметрия. Закон Грассмана

Восприятие цвета человеком

1 Интуитивное восприятие цвета

2 Зрительный аппарат человека

3 Световая и спектральная чувствительность глаза

4 Субъективные характеристики цвета

Модели цвета

1 Цветовые модели и их виды

2 Модель цвета XYZ

3 Диаграмма цветности МКО

4 Аддитивная Цветовая Модель RGB

5 Цветовые модели CMY и CMYK

6. Цветовая модель HSV

7 Цветовая модель HSB/ HLS

8 Цветовая модель CIE Luv / CIE Lab

9 Цветовая модель YUV

10 Цветовая модель YCbCr

11 Цветовая модель YIQ

12 Перцепционные цветовые модели

Цветовые профили и пространства. Кодирование и калибровка цвета

1 Кодирование Цвета. Палитра

2 Цветовые пространства

3 Визуализация цветового пространства

4 Эталонные пространства

5 Рабочие пространства

6 Цветовые профили

7 Типы профилей

8 Калибровка цвета

Заключение

Список литературы

Введение

Мы смотрим на предметы и, характеризуя их, говорим примерно следующее: он большой, мягкий, светло-голубого цвета. При описании чего-либо в большинстве случаев упоминается цвет, так как он несет огромное количество информации. На самом деле тело не имеет определенного цвета. Само понятие цвета тесно связано с тем, как человек (человеческий взгляд) воспринимает свет; можно сказать, что цвет зарождается в глазу.

Цвет - чрезвычайно сложная проблема, как для физики, так и для физиологии, т.к. он имеет как психофизиологическую, так и физическую природу. Восприятие цвета зависит от физических свойств света, т. е. электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Другими словами, цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет, и от системы человеческого видения. Более того, одни предметы отражают свет (доска, бумага), а другие его пропускают (стекло, вода). Если поверхность, которая отражает только синий свет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Аналогично, если источник зеленого света рассматривать через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.

Самым простым является ахроматический цвет, т.е. такой, какой мы видим на экране черно-белого телевизора. При этом белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Единственным атрибутом такого цвета является интенсивность или количество. С интенсивностью можно сопоставить скалярную величину, определяя черное, как 0, а белое как 1.

Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим.

При субъективном описании такого цвета обычно используют три величины: цветовой тон, насыщенность и светлота. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т.д. (это основная цветовая характеристика). Насыщенность характеризует чистоту, т.е. степень ослабления (разбавления, осветления) данного цвета белым светом, и позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от ярко-зеленого и т. д. Другими словами, по насыщенности судят о том, насколько мягким или резким кажется цвет. Светлота отражает представление об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности (интенсивность цвета).

Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света лежит предположение о том, что в центральной части сетчатки глаза находятся три типа чувствительных к цвету колбочек.

Первый воспринимает зеленый цвет, второй - красный, а третий - синий цвет. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости, то свет кажется белым. Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие цвета называют основными.

Человеческий глаз способен различать около 350 000 различных цветов. Это число получено в результате многочисленных опытов. Четко различимы примерно 128 цветовых тонов. Если меняется только насыщенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов: мы можем различить от 16 (для желтого) до 23 (для красного и фиолетового) таких цветов.

Таким образом, для характеристики цвета используются следующие атрибуты:

Цветовой тон. Можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого - например, зеленый от красного, желтого и других.

Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.

Насыщенность или чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному цвету добавить в определенной пропорции белый цвет, то получится светлый бледно-красный цвет.

Указанные три атрибута позволяют описать все цвета и оттенки. То, что атрибутов именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета.

Большинство людей различают цвета, а те, кто занимается компьютерной графикой, должны четко чувствовать разницу не только в цветах, но и в тончайших оттенках. Это очень важно, так как именно цвет несет в себе большое количество информации, которая ничуть не уступает в важности ни форме, ни массе, ни другим параметрам, определяющим каждое тело.

Факторы, влияющие на внешний вид конкретного цвета:

·источник света;

·информация об окружающих предметах;

·ваши глаза;

Правильно подобранные цвета могут, как привлечь внимание к желаемому изображению, так и оттолкнуть от него. Это объясняется тем, что в зависимости от того, какой цвет видит человек, у него возникают различные эмоции, которые подсознательно формируют первое впечатление от видимого объекта.

Цвет в компьютерной графике нужен для того, чтобы:

нести в себе определенную информацию об объектах. Например, летом деревья зеленые, осенью - желтые. На черно-белой фотографии определить пору года практически невозможно, если на это не указывают какие-либо другие дополнительные факты.

цвет необходим также для того, чтобы различать объекты.

с его помощью можно вывести одни части изображения на первый план, другие же увести в фон, то есть акцентировать внимание на важном - композиционном - центре.

без увеличения размера при помощи цвета можно передать некоторые детали изображения.

в двумерной графике, а именно таковую мы видим на мониторе, так как он не обладает третьим измерением, именно при помощи цвета, точнее оттенков, имитируется (передается) объем.

цвет используется для привлечения внимания зрителя, создания красочного и интересного изображения.

Любое компьютерное изображение характеризуется, кроме геометрических размеров и разрешения (количество точек на один дюйм), максимальным числом цветов, которые могут быть в нем использованы. Максимальное количество цветов, которое может быть использовано в изображении данного типа, называется глубиной цвета. Кроме полноцветных, существуют типы изображений с различной глубиной цвета - черно-белые штриховые, в оттенках серого, с индексированным цветом. Некоторые типы изображений имеют одинаковую глубину цвета, но различаются по цветовой модели.

1. О природе света и цвета

1.1 Основные цвета

Свет как физическое явление представляет собой поток электромагнитных волн различной длины и амплитуды. Глаз человека, будучи сложной оптической системой, воспринимает эти волны в диапазоне длин приблизительно от 350 до 780 нм. Свет воспринимается либо непосредственно от источника, например, от осветительных приборов, либо как отраженный от поверхностей объектов или преломленный при прохождении сквозь прозрачные и полупрозрачные объекты. Цвет - это характеристика восприятия глазом электромагнитных волн разной длины, поскольку именно длина волны определяет для глаза видимый цвет. Амплитуда, определяющая энергию волны (пропорциональную квадрату амплитуды), отвечает за яркость цвета. Таким образом, само понятие цвета является особенностью человеческого "видения" окружающей среды.

При объединении света от нескольких источников с различными преобладающими частотами интенсивность света от каждого источника можно менять, что позволит получить диапазон дополнительных цветов. На основе данного наблюдения была сформирована одна модель цвета. Оттенки, выбранные для источников, называются в ней основными цветами, а цветовой гаммой модели называется набор всех цветов, которые можно получить из основных цветов. Два основных цвета, дающих в сумме белый цвет, называются дополнительными. Примеры пар дополнительных цветов - красный и голубой, зеленый и пурпурный, синий и желтый.

Ни один конечный набор действительных основных цветов не даст всех возможных видимых цветов. Тем не менее, для большинства задач трех основных цветов достаточно, а, используя расширенные методы, можно описать и цвета, не входящие в цветовую гамму для данного набора основных цветов. Имея набор из трех основных цветов, любой четвертый цвет можно описать с помощью процедур смешивания цветов. Следовательно, смесь одного или двух основных цветов с четвертым цветом можно представить некоторой комбинацией остальных основных цветов. В этом расширенном смысле можно считать, что набор из трех основных цветов описывает все цвета. На рис. 1.1 показан набор функций выравнивания цветов для трех основных цветов и указано, какая "величина" каждого основного цвета требуется для получения любого спектрального цвета. Кривые, изображенные на рис. 1.1, получены усреднением мнений большого числа наблюдателей. Цвета в окрестности 500 нм можно подобрать, только "вычитая" некоторую долю красного света из комбинации синего и зеленого. Это означает, что для описания цвета, близкого к 500 нм, можно только так объединить этот цвет с долей красного, чтобы получить указанную на диаграмме комбинацию синего и зеленого. Из сказанного, в частности, следует, что RGB-монитор не может отображать цвета в окрестности 500 нм.

1.2 Природа цветового ощущения

Характер цветового ощущения связан со спектральным составом действующего на глаз света и со свойствами зрительного аппарата человека. Влияние спектрального состава следует из таблицы, в которой цвета излучений сопоставлены с занимаемыми ими спектральными интервалами.

·Фиолетовый 400-450 нм

·Синий 450-480 нм

·Голубой 480-510 нм

·Зеленый 510-565 нм

·Желтый 565-580 нм

·Оранжевый 580-620 нм

·Красный 620-700 нм

Вместе с тем задача оценки цвета не решается простым измерением распределения энергии излучения по спектру, как можно предположить на основании таблицы. По интервалу, занимаемому излучением, цвет можно указать вполне однозначно: если тело излучает или отражает в пределах 565-580 нм, то цвет его всегда жёлтый. Однако обратное заключение верно не всегда: по известному цвету излучения невозможно уверенно указать его спектральный состав или длину волны. Например, если излучение желтое, то это не значит, что оно занимает названный интервал или его часть. Желтой выглядит и смесь монохроматических излучений, находящихся вне этого интервала: зеленого (l1 = 546 нм) с красным (l2 = 700 нм) при определенных соотношениях их мощностей. В общем случае видимое тождество световых пучков не гарантирует их тождества по спектральному составу. Неразличимые по цвету, пучки могут иметь как одинаковый состав, так и разный. В первом случае их цвета называются изомерными, во втором - метамерными.

Практика воспроизведения цветных объектов требует получения цвета, зрительно неотличимого от воспроизводимого. При этом не имеет значения, метамерны или изомерны оригинальный цвет и цвет-копия. Отсюда возникает потребность воспроизводить и измерять цвет, не зависимо от спектрального состава излучения, вызывающего данное цветовое ощущение. Для специалиста, использующего или воспроизводящего цвет, безразличен спектральный состав света, отражаемого образцом. Для него существенно, чтобы копия была действительно, например желтой, как образец, а не желто-зеленой или желто-оранжевой.

Теория цветового зрения объясняет, почему участок спектра, находящийся в пределах 400 - 700 нм, оказывает световое действие и по какой причине мы видим излучения в диапазоне 400 - 450 нм фиолетовым, 450 - 480 - синим и т.д. Сущность теории состоит в том, что светочувствительные нервные окончание, находящиеся в одной из оболочек глаза и называемые фоторецепторами, реагируют только на излучения видимой части спектра. Глаз содержит три группы рецепторов, из которых одна наиболее чувствительна к интервалу 400 - 500 нм, другая - 500 - 600 нм, третья - 600 - 700 нм. Рецепторы реагируют на излучения в соответствии с их спектральной чувствительностью, и ощущения всех цветов возникают в результате комбинации трех реакций.

1.3 Цветовой тон

Необходимо также уточнить, что понимается под цветовым тоном. Рассмотрим два примера спектра (рис. 1.3).

Анализ спектра, изображенного на рис. 1.3 (а), позволяет утверждать, что излучение имеет светло-зеленый цвет, поскольку четко выделяется одни спектральная линия на фоне равномерного спектра белого. А какой цвет (цветовой тон) соответствует спектру варианта (б)? Здесь нельзя выделить в спектре преобладающую составляющую, поскольку присутствуют красная и зеленая линии одинаковой интенсивности. По законам смешения цветов это Может дать оттенок желтого цвета, однако в спектре нет соответствующей линии монохроматического желтого. Поэтому под цветовым тоном следует понимать цвет монохроматического излучения, соответствующего суммарному цвету смеси. Впрочем, как именно «соответствующего» - это также требует уточнения.

Рис 1.20 Два спектра: а - имеется явное преобладание одной составляющей. b - две составляющие с одинаковой интенсивностью

1.4 Колориметрия. Закон Грассмана

Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком.

Одними из основных законов колориметрии являются законы смешивания цветов. Эти законы в наиболее полном виде были сформулированы в 1853 году немецким математиком Германам Грассманом:

Иными словами, для любого заданного цвета (Ц) можно записать такое цветовое уравнение, выражающее линейную зависимость цветов:

Ц = к1 Ц1 + к2 Ц2 + к3 Ц3

Где Ц1, Ц2, Ц3 - некоторые базисные, линейно независимые цвета, коэффициенты k1,k2,k3 указывают количество соответствующего смешиваемого цвета. Линейная независимость цветов Ц1, Ц2, Ц3 означает, что ни один из них не может быть выражен взвешенной суммой (линейной комбинацией) двух других.

Если на глаз действует смесь излучений, то реакции рецепторов на каждое из них складываются. Смешение окрашенных световых пучков даёт пучок нового цвета. Получение заданного цвета называется его синтезом. Законы синтеза цвета сформулировал Г. Грасман (1853 г.).

Первый закон Грасмана (трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя, если они линейно независимы.

Линейная независимость заключается в том, что нельзя получить никакой из указанных трех цветов сложением двух остиальных. Закон утверждает возможность описания цвета с помощью цветовых уравнений.

Второй закон Грасмана (непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет изменяется также непрерывно.

Не существует такого цвета, к которому невозможно было бы подобрать бесконечно близкий.

Третий закон Грасмана (аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цветов, но не от спектрального состава.

Из этого закона следует факт, имеющий первостепенное значение для теории цвета, - аддитивность цветовых уравнений: если цвета нескольких уравнений описаны цветовыми уравнениями, то цвет выражается суммой этих уравнений.

модель цвет пространство компьютер графика

2. Восприятие цвета человеком

2.1 Интуитивное восприятие цвета

Мы попытались объяснить цвет с помощью длин ваш и спектра. Как оказывается, это неполное представление о цвете, а вообще говоря, оно неправильно.

Во-первых, глаз человека- не спектроскоп. Зрительная система Человека, скорее всего, регистрирует не длину волны и спектр, а формирует ощущения иным способом.

Во-вторых, без учета особенностей человеческого восприятия невозможно объяснить смешение цветов. Например, белый цвет действительно можно представить равномерным спектром смеси бесконечного множества монохроматических цветов. Однако тот же белый цвет можно создать смесью всего двух специально подобранных монохроматических цветов (такие цвета называются взаимно дополнительными).

Во всяком случае, человек воспринимает эту смесь как белый цвет. А можно получить белый цвет, смешав три или более монохроматических излучений Излучения различные по спектру, но дающие один и тот же цвет, называются метамерными.

Многие люди воспринимают понятия, связанные с цветом, на более интуитивном уровне, чем набор трех чисел, дающих относительные пропорции основных цветов. Обычно гораздо проще представить создание пастельного красного цвета, прибавляя белый к чистому красному, а темно-синего - добавляя черный к чистому синему. Исходя из этого, графические пакеты часто предлагают палитры цветов с использованием нескольких моделей цвета. Одна модель обеспечивает пользователю интуитивный цветовой интерфейс, а другие описывают компоненты цвета для выходных устройств.

2.2 Зрительный аппарат человека

Системы отображения графической информации воздействуют на зрительный аппарат человека, поэтому с необходимостью должны учитывать как физические, так и психофизиологические особенности зрения.

На рис. 2.2 показан поперечный размер глазного яблока человека.

Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой.

Сетчатка глаза содержит два принципиально различных типа фоторецепторов - палочки, обладающие широкой спектральной кривой чувствительности, вследствие чего они не различают длин волн и, следовательно, цвета, и колбочки, характеризующиеся узкими спектральными кривыми и поэтому обладающие цветовой чувствительностью.

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны. Выдаваемое колбочкой значение является результатом интегрирования спектральной функции с весовой функцией чувствительности.

Рис. 2.2. Поперечный разрез глаза

Светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки.

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же самое время происходит переизлучение света.

Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо чем прежде, т.е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв.

Таким образом волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т.е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который по сути представляет собой выдвинутую вперед часть мозга.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки.

Интересно отметить, что природа создала целый ряд конструкций глаза. При этом глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде светочувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения. Поэтому, возможно, особого смысла в обратном расположении клеток в сетчатке нет. А это просто один из экспериментов природы.

2.3 Световая и спектральная чувствительность глаза

Способность глаза реагировать на возможно малый поток излучения называется световой чувствительностью. Она измеряется, как величина, пороговой яркости. Пороговой называется та наименьшая яркость объекта, например светового пятна, при которой оно может быть обнаружено с достаточной вероятность на абсолютно черном фоне. Вероятность обнаружения зависит не только от яркости объекта, но и от угла зрения, под которым он рассматривается, или, как говорят, от его углового размера. С возрастанием углового размера растет число рецепторов, на которое проецируется пятно. Практически, однако, с увеличением угла зрения более чем на 50° чувствительность перестаёт изменяться.

В соответствии с этим световая чувствительность Sп. определяется как величина, обратная пороговой яркости Bп., при условии, что угол зрения 50°:

Sп. = (1 / Вп.) 50°

Световая чувствительность очень велика. Так, по данным Н. И. Пинегина, для отдельных наблюдателей минимум энергии, необходимый для появления зрительного эффекта, составляет 3-4 кванта. Это значит, что в благоприятных условиях палочковая световая чувствительность глаза близка к предельной, физически мыслимой. Колбочковая световая чувствительность, обеспечивающая цветовые ощущения, намного ниже «ахроматической», палочковой. По Н. И. Пинегину, для возбуждения колбочкового зрения необходимо, чтобы на одну колбочку в среднем упало не менее 100 квантов. Монохроматические излучения действуют на глаз по-разному. Его реакция максимальна на среднюю часть спектра. Чувствительность к монохроматическим, определяемая как относительная, называется спектральной. Реакция глаза, выражающаяся в возникновении светового ощущения, зависит, во-первых, от потока излучения Фl, упавшего на сетчатку, а во-вторых, от той доли потока, которая воздействует на рецепторы. Эта доля есть спектральная чувствительность kl. Иногда для обозначения того же понятия применяется термин спектральная эффективность излучения. Произведение kl и Фl, определяет характеристику потока излучения,связанную с уровнем его светового действия называемую световым потоком Fl.

Fl = Фl kl. (1)

Следовательно, абсолютное значение спектральной чувствительности определяется отношением:

kl = Fl / Фl.

Глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к излучению l = 555 нм, относительно которой определяются все другие значения этой величины. При световых измерениях значение kl в формуле (1) принято заменять произведением k555 vl, где vl -относительное значение спектральной чувствительности, называемое относительной спектральной световой эффективностью излучения (видностью): vl = kl / v555.

В таб. 2.3 даны значения относительной спектральной световой эффективности некоторых излучений.

Таблица 2.3.

2.4 Субъективные характеристики цвета

Характер цветового ощущения зависит как от суммарной реакции цветочувствительных рецепторов, так и от соотношения реакций каждого из трёх типов рецепторов. Суммарная реакция определяет светлоту, а соотношение ее долей - цветность. Когда излучение раздражает все рецепторы одинаково (единица интенсивности раздражения - «доля участия в белом»), его цвет воспринимается как белый, серый или как черный. Белый, серый и черный цвета называются ахроматическими. Эти цвета не различаются качественно.

Разница в зрительных ощущениях при действии на глаз ахроматических излучений зависит только от уровня раздражения рецепторов. Поэтому ахроматические цвета могут быть заданы одной психологической величиной - светлотой.

Если рецепторы разных типов раздражены неодинаково, возникает ощущение хроматическое цвета. Для его описания нужны уже две величины светлота и цветность. Качественная характеристика зрительного ощущения, определяемая как цветность, двумерна: складывается из насыщенности и цветового тона. В тех случаях, когда, когда все рецепторы раздражены почти одинаково, цвет близок к ахроматическому: качество цвета едва выражено. Это, в частности, белый с синим оттенком, синевато-серый и т.д. Чем больше перевес в раздражении рецепторов одного из двух типов, тем сильнее ощущается качество цвета, его хроматичность. Когда, например, возбуждены только красночувствительные рецепторы, мы видим чисто красный цвет. Весьма далекий от ахроматического.

Степень отличия хроматического цвета от ахроматического называется насыщенностью. Светлота и насыщенность - характеристики, недостаточные для полного определения цвета. Когда говорят «насыщенный красный» или «малонасыщенный зелёный», то кроме насыщенности, упоминается цветовой тон цвета. Это, то его свойство, которое подразумевают в обыденной жизни, когда называют цвет предмета. Несмотря на очевидность понятия, общепризнанного определения термина «цветовой тон» нет. Одно из них дается в такой форме: цветовой тон - это характеристика цвета, определяющая его сходство с известным цветом (неба, зелени, песка и т. д.) и выражаемая словами «синий, зеленый. Желтый и т. д.».

Цветовой тон определяется рецепторами, дающими наибольшую реакцию. Если цветовое ощущение формируется в результате одинакового раздражения рецепторов двух типов при меньшем вкладе третьего, то возникает цвет промежуточного тона. Так, голубой цвет ощущается при одинаковых реакциях зеленочувствительных и синечувствительных оболочек. Реакция рецепторов, получивших наименьшее раздражение, определяет насыщенность.

Ощущение желтого возникает при равных реакциях красночувствительных и зеленочувствительных колбочек. Если усиливать возбуждение красночувствительных, цветовой тон смещается в сторону оранжевого. Если вызывать раздражение и у синечувствительных, насыщенность упадет. Цветовой тон, насыщенность и светлота данного цвета зависят не только от спектрального состава излучения, но и от условий наблюдения, состояния наблюдателя, цвета фона и т.д. Поэтому рассмотренные здесь характеристики называются субъективными.

3. Модели цвета

3.1 Цветовые модели и их виды

Друг напротив друга расположены контрастные цвета.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели - цветовые модели (цветовое пространство), т.е. - это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. Цветовые модели могут быть аппаратно-зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно-независимыми (модель Lab). В большинстве «современных» визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.

Основные цветовые модели:

·RGB;

·CMY (Cyan Magenta Yellow);

·CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет);

·HSB;

·Lab;

·HSV (Hue, Saturation, Value);

·HLS (Hue, Lightness, Saturation);

·и другие.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разить на три класса:

·аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

·субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

·перцепционные (HSB, HLS, LAB, YCC), базирующиеся на восприятии.

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue) цвета. При попарном смешивании пер-
вичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.
Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

3.2. Модель цвета XYZ

Рис. 3.2. Три функции подбора цветов для основных МКО.

Набор основных цветов МКО обычно называется моделью цвета XYZ, где параметры X, Y и Z представляют величину каждого основного цвета МКО, требуемую для получения выбранного цвета. Таким образом, цвет в модели XYZ описывается так же, как, например, в модели RGB.

В трехмерном пространстве цветов XYZ любой цвет С(Х) представляется как:

С(А) = (X, Y, Z) (1.1)

где X,Y,Z вычисляются из функций подбора цвета (рис. 3.2):

Параметр k в этих формулах равен 683 люмен/ватт, где "люмен" - единица измерения излучения в единичный телесный угол для "стандартного" точечного источника света (когда-то назывался свечой). Функция I() представляет спектральное излучение (избирательная интенсивность света в определенном направлении), а функция подбора цветов f выбирается так, чтобы параметр Y был равен яркости этого цвета. Значения светимости обычно нормируются в диапазон 0-100, где 100 представляет светимость белого света.

Любой цвет в пространстве цветов XYZ можно, используя единичные векторы X, Y, Z, представить в виде аддитивной комбинации основных цветов. Следовательно, уравнение (1.2) можно записать так:

С() = XX+YX+ZX. (1.3)

Нормированные значения XYZ

При обсуждении свойства цвета удобно нормировать величины в уравнении (1.2) на сумму X+Y+Z, представляющую общую лучистую энергию. Тогда нормированные величины можно вычислить следующим образом:

(1.4)

Поскольку х + у + z = 1, любой цвет можно представить, используя только величины х и у. Кроме того, мы нормировали набор параметров на общую энергию, так что параметры хну зависят теперь только от опенка и чистоты, поэтому они часто называются координатами цветности. Однако сами по себе значения х и у не позволяют полностью описать все свойства цвета, и по ним получить величины X, У и Z нельзя. Следовательно, полное описание цвета обычно дается с помощью трех значений: х, у и светимости (яркости) Y. Оставшиеся величины МКО вычисляются как:

(1.5)

где Z = 1 - х - у. С помощью координат цветности (х, у) на двухмерной диаграмме можно представить все цвета.

3.3 Диаграмма цветности МКО

Если изобразить нормированные значения x и у для цветов видимой части спектра, получим языкообразную кривую, показанную на рис. 3.3. Данная кривая называется диаграммой цветности МКО. Точки вдоль кривой представляют спектральные цвета (чистые цвета). Линия, соединяющая красную и фиолетовую точки и именуемая пурпурной линией, не является частью спектра. Внутренние точки диаграммы представляют все возможные комбинации цветов. Точка С на диаграмме соответствует положению белого света. В действительности данная точка изображена для источника белого света, известного как иллюминат С, который используется в качестве стандартной аппроксимации дневного света.

Рис. 3.3. Диаграмма цветности МКО для спектральных цветов от 400 до 700 нм.

3.4 Аддитивная Цветовая Модель RGB

Рис. 3.4.1. Модель цвета RGB. Любой цвет в пределах единичного куба можно описать в форме аддитивной комбинации трех основных цветов

Согласно трехцветной теории зрения глаза человека воспринимают цвет посредством стимуляции трех зрительных пигментов в колбочках сетчатки. Один из этих пигментов более чувствителен к свету с длиной порядка 630 нм (красный), другой имеет максимум чувствительности вблизи 530 нм (зеленый), а третий - на частоте порядка 450 нм (синий). Сравнивая интенсивности источников света, мы ощущаем цвет света. Данная теория зрения является основой для отображения цветовых выходов на мониторе с использованием трех основных цветов - красного (red), зеленого (green) и синего (blue), что называется моделью цвета RGB.

Данную модель можно представить, используя единичный куб, построенный по осям R, G и В, как показано на рис. 3.4.1. Начало координат представляет черный цвет, а противоположная вершина с координатами (1, 1, 1) - белый. Вершины куба, расположенные по осям, представляют основные цвета, а оставшиеся вершины - дополнительные цвета.

Вкратце история системы RGB такова. Томас Юнг (1773-1829) взял три фонаря и приспособил к ним красный, зеленый и синий светофильтры. так были получены источники света соответствующий цветов. направив на белый экран свет этих трех источников, ученый получил такое изображение (рис. 3.4.2). На экране свет от источников давал цветные круги. В местах пересечения кругов наблюдалось смешивание цветов. Желтый цвет получался путем смешивания красного и зеленого, голубой - смесь зеленого и синего, пурпурный - синего и красного, белый - всех трех основных цветов. Некоторое время спустя Джеймс Максвелл (1831-1879) изготовил первый колориметр, с помощью которого человек мог зрительно сравнить монохроматический цвет и цвет смешивания в заданной пропорции компонент RGB. Регулируя яркость каждой из смешиваемых компонент, можно добиться уравнивания цветов смеси и монохроматического излучения.

Рис. 3.4.2. Модель цвета RGB

Рис. 12.13. Цветовая гамма RGB для координат цветности NTSC. Иллюминат С находится в точке с координатами (0,310; 0.316) со значением яркости Y = 100,0

Как и система XYZ, RGB - это аддитивная модель. Каждую точку (цвет) внутри единичного куба можно представить взвешенной векторной суммой основных цветов, используя единичные векторы R, G и В:

где параметры R , G и В принимают значения из диапазона 0-1. Например, пурпурная вершина достигается сложением максимальных красного и синего значений, в результате чего получается тройка (1,0,1), а белый цвет (1, 1, 1) представляет собой сумму максимальных значений красного, зеленого и синего. Оттенки серого представлены вдоль главной диагонали куба, идущей от начала координат (черный) к белой вершине. Точки вдоль этой диагонали получают равный вклад от всех основных цветов, а серая точка на полпути между белым и черным представлена как (0,5; 0,5; 0,5).

К настоящему времени система RGB является официальным стандартом. Решением Международной Комиссии по Освещению - МКО в 1931г. были стандартизированы основные цвета, которые было рекомендовано использовать в качестве R, G и B. Это монохроматические цвета светового излучения с длинами волн соответственно:

·G - 546.1 нм

·B - 435.8 нм

Красный цвет получается с помощью лампы накаливания с фильтром. Для получения чистых зеленого и синего цветов используется ртутная лампа. также стандартизировано значение светового потока для каждого основного цвета.

Система RGB имеет неполный цветовой охват - некоторые насыщенные цвета не могут быть представлены смесью указанных трех компонент. В первую очередь, это цвета от зеленого до синего, включая все оттенки голубого. Речь здесь идет о насыщенных цветах, поскольку, например, ненасыщенные голубые цвета смешиванием компонентов RGB получить можно. несмотря на неполный охват, система RGB широко используется в настоящее время - в первую очередь, в цветных телевизорах и дисплеях компьютеров. отсутствие некоторых оттенков цвета не слишком заметно.

Еще одним фактором, способствующим популярности системы RGB, является ее наглядность - основные цвета находятся в трех четко различимых участках видимого спектра.

Кроме того, одной из гипотез, объясняющих цветовое зрение человека, является трехкомпонентная теория, которая утверждает, что в зрительной системе человека есть три типа светочувствительных элементов. Один тип элементов реагирует на зеленый, другой тип - на красный, а третий тип - на синий цвет. Такая гипотеза высказывалась еще Ломоносовым, ее обоснованием занимались многие ученые, начиная с Т.Юнга. Впрочем, трехкомпонентная теория не является единственной теорией цветового зрения человека.

3.5 Цветовые модели CMY и CMYK

На мониторе отображение цветовых растров происходит путем объединения света, испускаемого люминофорами экрана, что является процессом аддитивным. В то же время, устройства выдачи документальных копий, такие как принтеры и плоттеры, дают цветное изображение, проливая на бумагу цветные пигменты. Цветное изображение на бумаге видно потому, что мы видим отраженный свет, т.е. благодаря процессу вычитания.

Субтрактивную (основанная на вычитании) модель цвета можно сформировать, используя три основных цвета - голубой (cyan), пурпурный (magenla) и желтый (yellow). Как отмечалось выше, голубой цвет можно описать как сумму зеленого и синего. Следовательно, свет, отраженный от голубых чернил, содержит только зеленый и синий компоненты, а красный компонент поглощается, или вычитается, чернилами. Подобным образом пурпурные чернила вычитают зеленый компонент из падающего света, а желтые чернила - синий. Представление модели CMY в форме единичного куба иллюстрируется на рис. 3.5.2.

Рис. 3.5.1. Модель цвета CMY

В модели CMY точка (1,1,1) представляет черный цвет, поскольку из падающего света вычтены вес компоненты. Начало координат представляет белый свет. Равные доли всех основных цветов дают оттенки серого и располагаются вдоль главной диагонали куба. Комбинация голубых и пурпурных чернил даст синий цвет, поскольку из падающего света поглощены красный и зеленый компоненты. Подобным образом, комбинация голубых и желтых чернил дает зеленый свет, а комбинация пурпурных и желтых - красный.

Рис. 3.5.2. Модель цвета CMY. Точки внутри единичного куба описываются вычитанием из белого цвета заданных доз основных цветов

В процессе печати CMY часто используется набор капель четырех чернил, которые располагаются очень близко, подобно тому, как в RGB-мониторе используются три люминофорные точки. Таким образом, на практике модель цвета CMY называется моделью CMYK, где К - это параметр черного цвета. Для каждого из основных цветов (cyan, magenta и yellow) используется своя чернильница, и еще в одной содержатся черные чернила. Последняя чернильница нужна потому, что отраженный свет от смеси голубого, пурпурного и желтого чернил обычно дает только оттенки серого. Некоторые плоттеры позволяют получать различные комбинации цветов, разбрызгивая чернила трех основных цветов. Для черно-белой, или полутоновой (gray-scale), печати используется только черная чернильница.

Данная модель - основная модель полиграфии. Пурпурный, голубой, желтый цвета составляют так называемую полиграфическую триаду, и при печати этими красками большая часть видимого цветового спектра может быть воспроизведена на бумаге. Однако реальные краски имеют примеси, их цвет может быть не идеальным, и смешение трех основных красок, которое должно давать черный цвет, дает вместо этого неопределенный грязно-коричневый. Кроме того, для получения интенсивного черного необходимо положить на бумагу большое количество краски каждого цвета. Это приведет к переувлажнению бумаги, качество печати при этом снизится. К тому же использование большого количества краски неэкономно.

Достоинством модели является:

независимость каналов (изменение процента любого из цветов не влияет на остальные),

это родная модель для триадной печати, только ее понимают растровые процессоры - RIP выводных устройств (неделенные RGB изображения на пленках могут выйти серыми и только на черной фотоформе).

Недостатками этой модели являются:

узкий цветовой охват, обусловлен несовершенством пигментов и отражающими свойствами бумаги,

не совсем точное отображение цветов CMYK на мониторе.

многие фильтры растровых программ в этой модели не работают,

на 30% требуется больший объем памяти по сравнению с моделью RGB.

Рис. 3.5.3. Получение модели CMY из RGB

Переход от RGB-представления в систему CMY можно описать следующим матричным преобразованием:

(3.5.1)

где белая точка в пространстве RGB представлена единичным вектором-столбцом. При переходе от CMY-представления в систему RGB используется матричное преобразование:

(3.5.2)

В этом преобразовании единичный вектор-столбец представляет черную точку в пространстве цветов CMY.

Для преобразования из RGB в CMYK вначале нужно положить К = max(R, G, В). Далее К вычитается из С, М и У в уравнении (3.5.1). Подобным образом для преобразования из CMYK в RGB выбирается К = min(R, G, В), затем К вычитается из R, G и В согласно уравнению (3.5.2). На практике данные уравнения часто модифицируются с целью улучшения качества печати в конкретной системе.

Рис. 3.5.4. Куб цветов RGB, наблюдаемый вдоль диагонали, идущей от белого к черному (а), контур куба имеет форму шестиугольника (б).

3.6 Цветовая модель HSV

В интерфейсах выбора цвета часто используется модель цвета, основанная на интуитивных концепциях, а не на наборе основных цветов. Отметим, что спецификацию цвета в интуитивной модели можно дать, выбирая спектральный цвет и долю белого и черного, которую нужно добавить к этому цвету, чтобы получить различные тени, оттенки и тона.

Параметрами цвета в этой модели являются оттенок (hue - H), насыщенность (saturation - S) и значение (value - V). Чтобы ввести это трехмерное пространство цветов, параметры HSV связываются с направлениями RGB-куба. Если представить, что мы смотрим на куб вдоль диагонали от белой вершины к черной (началу координат), контур куба будет иметь форму шестиугольника (рис. 3.5.4). Границы шестиугольника представляют различные оттенки, а сам он используется в качестве основания шестиугольного конуса (рис. 3.6.1). В пространстве HSV насыщенность S измеряется вдоль горизонтальной оси, а значения параметра V - вдоль вертикальной оси, проходящей через центр шестиугольника.

Оттенок представляется как угол, отсчитываемый от вертикальной оси и меняющийся от 0е (красный) до 360°. Вершины шестиугольника разделены интервалами по 60°. Желтому цвету соответствует 60°, зеленому - 120°, голубому (противоположность красного) - Н = 180°. Вообще, вес дополнительные цвета отличаются на 180°.

Рис. 3.6.1. Шестиугольный конус HSV

Параметр насыщения S используется для обозначения чистоты цвета. Чистый (спектральный) цвет имеет значение 5 = 1,0, и значения S уменьшаются к шкале полутонов (S = 0) в центре шестиугольного конуса.

Значение V меняется от 0 в вершине конуса (черная точка) до 1,0 в плоскости основания, где цвета имеют максимальную интенсивность. При V = 1,0 и. S =1,0 имеем чистые оттенки. Белой точке соответствуют значения параметров V = 1,0 и S = 0.

Отметим, что для большинства пользователей эта модель выбора цветов является более удобной. Начав с выбора чистого оттенка, который задаст угол оттенка Н, и положив V = S = 1,0, мы описываем искомый цвет, добавляя к имеющемуся оттенку белый либо черный цвет. Прибавление черного уменьшает значение V при постоянном S. Чтобы получить темно-синий цвет, например, V, нужно положить равным 0,4 при S = 1,0 и H = 240°. Подобным образом, если к выбранному оттенку нужно добавить белый цвет, при постоянном V уменьшается параметр S. Светло-синий цвет можно получить при 5 = 0,3 и V = 1,0, Я = 240°. Если к цвету прибавить немного белого и немного черного, это приводит к уменьшению V и S. В интерфейсе к описанной модели параметр HSV обычно можно выбирать с помощью палитры цветов, содержащей ползунки и цветовой круг.

Выбор теней, оттенков, тонов.

В плоскости сечения пирамиды HSV, показанной на рис. 3.6.2, представляются области цвета для выбора теней, оттенков и тонов. Прибавление черного к спектральному

Рис. 3.6.2. Сечения конуса HSV, демонстрирующие тени, оттенки и тона

Цвету уменьшает V вдоль стороны конуса в направлении черной точки. Следовательно, различные тени представлены значениями S= 1,0 и 0,0 ≤ V ≤ 1,0. Прибавление белого к спектральным цветам даст оттенки вдоль плоскости основания конуса, где значения параметров равны V = 1,0 и 0 < S < 1,0. Для получения различных тонов к спектральным цветам прибавляется и черный, и белый цвет, что даст точки, лежащие в треугольном сечении конуса.

Человеческий глаз способен различить около 128 тонов и 130 оттенков (уровней насыщения). Для каждого из них можно определить несколько теней (значений), в Зависимости от выбранного оттенка. Для желтого цвета можно различить порядка 23 теней, для синего цвета это число составляет 16. Это означает, что всего человеческий глаз может различить 128х 130x23 = 382 720 цветов. Для большинства графических приложений достаточно 128 оттенков. 8 уровней насыщенности и 16 значений. При таких диапазонах параметров модель HSV предлагает пользователю 16 384 цветов. Для хранения этих цветов можно использовать 14 (или меньше) бит на пиксель и таблицы кодов цвета.

3.7 Цветовая модель HSB/ HLS

Здесь заглавные буквы не соответствуют никаким цветам, а символизируют тон (цвет), насыщенность и яркость (Hue Saturation Brightness). Предложена в 1978 году. Все цвета располагаются по кругу, и каждому соответствует свой градус, то есть всего насчитывается 360 вариантов - H определяет частоту света и принимает значение от 0 до 360 градусов (красный - 0, желтый - 60, зеленый - 120 градусов и так далее), т.е. любой цвет в ней определяется своим цветом (тоном), насыщенностью (то есть добавлением к нему белой краски) и яркостью.

Параметр яркости соответствует общепризнанному, то есть 0 - это черный цвет.

Насыщенность (Saturation) - это параметр цвета, определяющий его чистоту. Отсутствие (серых) примесей (чистота кривой) соответствует данному параметру. Уменьшение насыщенности цвета означает его разбеливание. Цвет с уменьшением насыщенности становится пастельным, блеклым, размытым. На модели все одинаково насыщенные цвета располагаются на концентрических окружностях, т. е. можно говорить об одинаковой насыщенности, например, зеленого и пурпурного цветов, и чем ближе к центру круга, тем все более разбеленные цвета получаются. В самом центре любой цвет максимально разбеливается, проще говоря, становится белым цветом.

Яркость (Brightness) - это параметр цвета, определяющий освещенность или затемненность цвета. Амплитуда (высота) световой волны соответствует этому параметру. Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. Работу с яркостью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски. Чем больше в цвете содержание черного, тем ниже яркость, тем более темным становится цвет.

Другая модель - это система HLS, используемая Tektronix Corporation. Данное пространство цветов представляется в виде двойного конуса, изображенного на рис. 3.7. Три параметра этой модели называются оттенком (hue - H), яркостью (lightness - L) и насыщенностью (saturation - S).

Оттенок имеет то же значение, что и в модели HSV. Он задаст угол относительно вертикальной оси, определяющий спектральный цвет. В этой модели Н = 0е соответствует синему цвету. Оставшиеся цвета задаются по периметру конуса в том же порядке, что и в модели HSV. Пурпурному соответствует 60е, красному - 120° и голубому И = 184}°. Как и ранее, дополнительные цвета разделены углом 180°. Вертикальная ось в этой модели названа яркостью (lightness - L). При L = 0 получаем черный цвет, белому соответствует L = 1,0. Полутоновые значения расположены вдоль оси L, а чистые цвета лежат на плоскости L = 0,5.

Рис. 3.7. Двойной конус HLS

Параметр насыщенности S снова залает чистоту цвета, и его значения меняются от 0 до 1,0, чистыми являются цвета, для которых S = 1,0 и L = 0,5. При уменьшении 5 к цвету прибавляется больше белого цвета. Линии полутонов соответствует S = 0.

Чтобы задать цвет, вначале выбирается угол оттенка Н. Далее определенная тень или тон этого оттенка получается выбором параметров L и S. Чтобы получить более светлый цвет, увеличивается L, а для получения более темного L уменьшается. При уменьшении S пространственная точка, описывающая цвет, движется к линии полутонов.

Для того чтобы понять разницу между яркостью и светимостью - а в остальном модель HLS не отличается от модели HSB, - мы должны просто знать, что в основной модели HSB имеется в виду собственная яркость объекта (как бы принимаем его за источник света), а в разновидности первой модели по имени HLS учитывается светимость объекта (яркость отраженного от него света). Иными словами, в HSB «источник» - Солнце, а в HLS - Луна...

3.8 Цветовая модель CIE Luv / CIE Lab

Один из существенных минусов цветового пространства XYZ - это то, что оно не является перцептивно (визуально) равномерным и не может использоваться для вычисления цветовых расстояний. Поэтому CIE (МКО) продолжила разработку перцептивно равномерного пространства. Целью комитета CIE было создание повторяемой системы стандартов цветопередачи для производителей красок, чернил, пигментов и других красителей. Самая важная функция этих стандартов - предоставить универсальную схему, в рамках которой можно было бы устанавливать соответствие цветов.

В результате было создано цветовое пространство CIE Luv, позволяющее определить различение цветов для человека с "усредненным" зрением, (т.е. различные люди неодинаково воспринимают разницу между цветами). Свое название пространство получило благодаря его компонентам L, u и v. Параметр L соответствует яркости цвета, u отвечает за переход от зеленого к красному (при увеличении), а при увеличении параметра v происходит переход от синего к фиолетовому. Если u и v равны 0, то, меняя L, получаем цвета, являющиеся градациями серого.

Это цветовое пространство было разработано для количественного измерения различия двух цветов. CIE были проведены исследования с участием большого числа людей, результатом чего явилось создание пространства Luv. Измерения проводились в "хороших" условиях (достаточное освещение и неяркий монотонный фон); перед испытуемым находились два листа бумаги, окрашенных соответственно двумя цветами, и он должен был дать ответ, насколько, по его мнению, различаются эти цвета. В случае реальных изображений мы должны находить различия между цветами на более сложном фоне, при этом не всегда при хорошем освещении (например, слишком ярком). Но освещение зависит и от помещения, и от времени суток, и от того, под каким углом находится поверхность к источнику света.

Переход из RGB в Luv осуществляется следующим образом. Сначала нормируем R, G, B:

Цветовое пространство CIE Luv - непрерывное однородное преобразование пространства CIE XYZ, описываемое следующими формулами:

Для определения параметров , и , вводится понятие белой точки (white point). Белая точка - это пара параметров цветности (x, y), определяющая эталон белого цвета для различных источников света. CIE составила таблицу белых точек для источников света разной яркости. При этом значение компоненты Y белой точки в XYZ нормализовано до 100 (в приведенных выше формулах как раз соответствует нормализованной Y компоненте). Параметры и вычисляются по тем же формулам, что и , в которых используются значения x и y для белой точки.

Как уже упоминалось выше, компонента L соответствует яркости цвета, а из формул видно, что L пропорциональна кубическому корню из компоненты Y пространства XYZ. Однако существует мнение, что человеческому восприятию больше соответствует корень второй степени из освещенности. Так, например, в цветовом пространстве Lab параметр L вычисляется с использованием квадратного корня.

Немного о свойствах величин L, u, v:

·L меняется от 0 до 100;

·u, v лежат в пределах -200, 200;

·u отвечает за переход от зеленого к красному (при увеличении u);

·v отвечает за переход от синего к фиолетовому (при увеличении v);

·если u и v равны 0, меняя L, получаем изображение, содержащее градации серого (grayscale).

Наконец, самое важное, к чему мы стремились, переходя в это пространство. Нам заданы два цвета - и . Как определить расстояние между цветами, то есть насколько человек заметил бы различие между ними? Оказывается, оно задается евклидовой нормой

При расстоянии между двумя цветами большинство людей уже замечают различие, при оно заметно всем. В этом и состоит главное достоинство этого пространства. Оно учитывает восприятие цветов человеком, и различие между цветами определяется очень простой формулой. Необходимо заметить, что эта формула применима в определенных условиях: освещение, фон не должны мешать и отвлекать.

Одновременно с разработкой CIE Luv было также разработано перцептивно равномерное цветовое пространство CIE Lab. Из этих двух моделей более широко применяется модель CIE Lab. Структура цветового пространства Lab основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим (рис. 3.8.1). Следовательно, для описания атрибутов "красный/зеленый" и "желтый/синий" можно воспользоваться одними и теми же значениями. Формулы перехода от пространства XYZ к пространству Lab осуществляется следующим образом:

Рис. 3.8.1. Представление цвета в пространстве CIE Lab

Рис. 3.8.2. Видимое стандартным наблюдателем пространство Lab

Авторы программ и интерпретаторы программ, рассказывая о цветовой модели Lab любят повторять, что она является аппаратно-независимой, Любая модель зависит от того, на каком аппарате она воспроизводится. Даже на принтерах одной и той же модели (номера серии, даты и часа выпуска) изображение с одного и того же файла может воспроизвестись с таким большим разбросом параметров, что это явно сказывается на цветовом решении. Поэтому расхождения столь велики, поэтому в цветной (особенно полноцветной) печати применяются различные способы калибровки, докалибровки, подгонки, проб и так далее.

Моделью, как бы исключающей эти неудобства, является модель Lab. Она вбирает в себя модели RGB и CMYK, то есть соответственно равновнимательно относится и к параметрам источника, и к параметрам приемника.

3.9 Цветовая модель YUV

Существует несколько тесно связанных цветовых моделей, которые объединяет то, что в них используется явное разделение информации о яркости и цвете. Компонента Y соответствует одноименной компоненте в модели CIE XYZ и отвечает за яркость. Такие модели находят широкое применение в телевизионных стандартах, так как исторически необходима была совместимость с черно-белыми телевизорами, которые принимали только сигнал, соответствующий Y. Также они применяются в некоторых алгоритмах обработки и сжатия изображений и видео.

Расcмотрим цветовую модель YUV. U и V отвечают за цветовую информацию и определяются через преобразование из RGB:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B;= 0,492(B - Y)

0,147R - 0,289G + 0,436B;

V = 0,877(R - Y)

0,615R - 0,515G + 0,100B;

Модель YUV применяется в телевизионной системе PAL.

Рис. 3.9. RGB-куб в пространстве YUV, диаграмма UV при Y = 0,5.

Цветовые модели YCbCr и YPbPr являются вариациями YUV с другими весами для U и V (им соответствуют Cb/Pb и Cr/Pr). YPbPr применяется для описания аналоговых сигналов (преимущественно в телевидении), а YCbCr - для цифровых. Для их определения используются два коэффициента: Kb и Kr. Тогда преобразование из RGB в YPbPr описывается так:

Переход от RGB к YPbPr

Выбор Kb и Kr зависит от того, какая RGB-модель используется (это в свою очередь зависит от воспроизводящего оборудования). Обычно берется, как и выше, Kb = 0, 114; Kr = 0, 299. В последнее время также используют Kb = 0, 0722; Kr = 0, 2126, что лучше отражает характеристики современных устройств отображения. Из приведенных выше формул следует что при имеем следующие диапазоны ; . Для цифрового представления эти формулы видоизменяют для получения только положительных дискретных коэффициентов в диапазонах

Переход от RGB к YCbCr

В телевидении обычно берут minY = 16, maxY = 235, minC = 16, maxC = 240. В стандарте сжатия изображений JPEG используется полный 8-битный диапазон: minY = 0, maxY = 255, minC = 0, maxC = 255.

3.10 Цветовая модель YCbCr

Название этой цветовой модели расшифровывается как: Y - luminance, U или Cb - Chrominance-blue, V или Cr - Chrominance-red, что переводится как "Яркость - Цветность синего - Цветность красного" (формат представления данных цветного видеоизображения)

Характеристика принципа представление цвета в этой цветовой модели совпадает с естественным способом цветовосприятия человеческим глазом. Сетчатая оболочка - это сложное переплетение нервных клеток и нервных волокон, соединяющих нервные клетки между собой и связывающих глаз с корой головного мозга. Основными светочувствительными элементами (рецепторами) являются два вида клеток: одни - в виде стебелька, называемые палочками (высота 30 мкм, толщина 2 мкм), другие - более короткие и более толстые, называемые колбочками (высота 10 мкм, толщина 6-7 мкм).

Человеческий глаз более наиболее чувствителен к яркостной составляющей изображения (Y-компонента) и наименее к цветовым. Причина этого феномена лежит в физиологии. Так как зрачок, представляет собой оптическую линзу, которая фокусирует изображение на глазное дно, покрытое палочками и колбочками. Всего в глазу располагается около 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек. Ну, так вот, палочки - это сенсоры, воспринимающие именно яркостную составляющую, а колбочки - цветовую. Причем палочек на порядок больше, чем колбочек, и они гораздо более чувствительны к свету. Достаточно вспомнить поговорку "Ночью все кошки серы". Почему так? Почему вечером все теряет цвет? Именно из-за того, что количества падающего на зрачок света не хватает для того, чтобы вызвать реакцию колбочки. Но и чувствительность человеческого глаза к разным цветам тоже величина не постоянная. Зрачок более чувствителен к нижней части цветового спектра, нежели к верхней. Формат JPEG как раз и учитывает эти особенности восприятия человеком цветовой информации в сжатии цветных фотографий или изображений.

Поэтому в этой цветовой модели выделяется компонент яркости и два компонента характеризующих оттенок воспринимаемого цвета, в отличие от цветовой модели RGB, где используются только компоненты интенсивности цвета - Красный, Зеленый, Синий.

Метод преобразования аналогового видеосигнала в цифровой, определенный в стандарте CCIR-601 и является частным случаем метода YUV. Согласно данному методу величины компонентных аналоговых сигналов преобразуются в 8-битные цифровые значения. Y-компонента, или яркость, тесно связана с качеством картинки. Точнее сказать Y - это и есть картинка, только черно-белая. Компоненты Cb и Cr содержат информацию о цвете и позволяют раскрашивать Y-картинку. Обобщенно преобразование можно представить следующими формулами:

Новая величина Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B назвается яркостью. Эта величина, использованная монохромными мониторами, чтобы представить цвет RGB. Физиологически, передает интенсивность цвета RGB воспринятого глазом. Из формулы видно, что полученная величина яркости(Y) подобна средневзвешенному значению с разным весом для каждого спектрального компонента: глаз наиболее чувствителен на Зеленый цвет, затем следует Красный компонент и в последнюю очередь - Синий.

Формулы вычисления цветоразности: = -0.1687*R - 0.3313*G + 0.5*B + 128 = 0.5*R - 0.4187*G - 0.0813*B + 128

Эти величины представляют 2 координаты в системе, которая измеряет оттенок и насыщение цвета (грубо говоря, эти величины указывают количество синего и красного в цвете).

Формулы обратного преобразования цветовой модели YCbCr в RGB:

R = Y + 1.402*(Cr-128) = Y - 0.34414*(Cb-128) - 0.71414*(Cr-128)

B = Y + 1.772 *(Cb-128)

Для наглядного представления цветовой модели YCbCr можно рассмотреть следующие рисунки:

Рис. 3.10.1.Цветное изображение YCbCr

Рис. 3.10.2. Y - изображение YCbCr

Рис. 3.10.3.Cb - изображение

Рис. 3.10.4. Cr - изображение

На Рисунке 3.10.1 изображена рыбка с использованием всех компонент изображения, т. е. цветное изображение. На Рисунке 3.10.2 изображена та же рыбка, только в черно-белых тонах. Обычно по формуле вычисления компонента Y изображение преобразуется в оттенки серого и по прежнему на рисунке отчетливо, хоть и в серых тонах но, изображена рыбка, а вот следующие два изображения 3.10.3 и 3.10.4 - изображения компонент цветоразности Cb и Cr несут малое количество деталей, поэтому видны только очертания рыбки и по этому эти два компонента подвергаются наибольшему сжатию.

3.11 Цветовая модель YIQ

Цветовая модель YIQ применялась в телевизионной системе NTSC (I - от англ. in-phase, Q - от англ. quadrature; происходят от особенностей систем декодирования). Она тесно связана с моделью YUV, так как переход от YUV к YIQ является поворотом в плоскости UV = IQ на .

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B= 0,735(R - Y) - 0,268(B - Y) = 0,596R - 0,274G + 0,321B = 0,478(R - Y) + 0,413(B - Y) = 0,211R - 0, 523G + 0,311B

Обратные преобразования для всех моделей получаются в результате применения обратной матрицы преобразования.

3.12 Перцепционные цветовые модели

позволяет обращаться с цветом на интуитивно понятном уровне;

4. Цветовые профили и пространства. Кодирование и калибровка цвета

4.1 Кодирование Цвета. Палитра

Кроме того, некоторое изображение само по себе может использовать ограниченное количество цветов. Например, для черчения может быть достаточно двух цветов, для человеческого лица важны оттенки розового, желтого, пурпурного, красного, зеленого; а для неба- оттенки голубого и серого. В этих случаях использование полноцветного кодирования цвета является избыточным. При ограничении количества цветов используют палитру, представляющую набор цветов, важных для данного изображения. Палитру можно воспринимать как таблицу цветов. Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели.

Компьютерные видеосистемы обычно предоставляют возможность программисту установить собственную палитру.

4.2 Цветовые пространства

Цветовое пространство - графическое представление размерностей цвета.

Цветовое пространство соотносит числа с актуальными цветами и по сути является трёхмерным объектом, который содержит все реализуемые комбинации цветов. При попытке воспроизвести цвет на другом устройстве цветовые пространства могут показать, сможете ли вы сохранить детали в тенях и ярких областях, насыщенность цвета, и в какой мере этими детялами придётся пожертвовать.

Цветовые пространства могут быть либо зависимыми, либо независимыми от данного устройства. Пространства, привязанные к устройствам, описывают цвет, соотносимый с некоторым другим цветовым пространством, тогда как независимые от устройства пространства цветов описывают цвет в абсолютных терминах.

Цветовые пространства устройств могут снабдить вас важной информацией, описывая подмножество цветов, которые могут быть показаны на мониторе, или напечатаны на принтере, или могут быть получены камерой или сканером. Устройства с большим цветовым пространством или «широкой гаммой» могут воспроизвести больше различных оттенков, чем устройства с узкой гаммой.

4.3 Визуализация цветового пространства

Каждое измерение в «цветовом пространстве» отражает какой-то из аспектов цветности, таких как яркость, насыщенность или тон, в зависимости от типа пространства. Две диаграммы, приведенные ниже, показывают внешнюю границу некоего цветового пространства с двух разных углов зрения; его граница показывает предельные возможные цвета в пространстве. По вертикали отложены яркости, тогда как по горизонталям отложены красно-зелёное и жёлто-синее смещения. Эти измерения могут быть также описаны, используя другие свойства цвета.

Рис. 4.3.1

Показанное выше цветовое пространство имеет целью помочь вам качественно понять и визуализировать цветовое пространство, однако оно вряд ли оказалось бы особенно полезным для реального управления цветом. Это потому, что цветовое пространство практически всегда требует сравнения с другим цветовым пространством. Чтобы визуализировать это сравнение, цветовые пространства часто представляют двумерными регионами. Они более полезны для повседневного применения, поскольку позволяют быстро оценить грань пересечения пространств. Если не указывают иное, двумерные диаграммы обычно показывают пересечение по уровню 50% яркости (горизонтальнный срез для вертикальной срединной точки цветового пространства, показанного выше). Следующая диаграмма показывает три цветовых пространства: sRGB, RGB с широкой гаммой (Wide Gamut) и эталонное пространство, независимое от устройства. Пространства sRGB и широкой гаммы RGB являются двумя рабочими пространствами, которые периодически используются для редактирования изображений.

Рис. 4.3.2. Двумерное сравнение цветовых пространств (цвета при яркости 50%)

Что мы можем извлечь из двумерного сравнения цветовых пространств? Как чёрная, так и белая фигуры отображают подмножество цветов, которые являются воспроизводимыми в каждом из цветовых пространств, как часть эталонного цветового пространства, которое не зависит от устройства. Цвета, показанные в эталонном цветовом пространстве, приведены только для качественной визуализации, поскольку они зависят от того, как ваш монитор их отображает. Вдобавок, эталонное пространство практически всегда содержит больше цветов, чем может быть показано на мониторе компьютера.

На примере данной конкретной диаграммы мы видим, что пространство широкой гаммы RGB содержит больше тонов красного, пурпурного и зелёного, тогда как пространство sRGB содержит несколько больше синего.

Не забывайте, что этот анализ применим только к цветности при яркости 50%, которая соответствует полутонам на гистограмме изображений. Если бы нас интересовала гамма цветов для теней или ярких областей, мы могли бы исследовать аналогичный двумерный срез цветового пространства при приблизительно 25% и 75% яркости, соответственно.

4.4 Эталонные пространства

Что такое эталонное, независимое от устройства пространство, показанное выше? Практически все программы управления цветом сегодня используют независимое от устройства пространство, определённое Международной комиссией по освещению (CIE) в 1931. Это пространство имеет целью описать все цвета, различимые человеческим глазом, которое основано на средней оценке, составленной по выборке людей, не имеющих проблем со зрением (называемых «стандартным колориметрическим наблюдателем»). Практически все устройства используют подмножество всех видимых цветов, определённых CIE (включая и ваш монитор), так что любое представление этого пространства на мониторе должно рассматриваться как качественное и существенно неточное.

Пространство наблюдамеого цвета CIE выражается в нескольких общепринятых формах: CIE xyz (1931), CIE L*a*b* и CIE L u"v" (1976). В каждом из них содержатся те же цвета, но они отличаются в распределении цвета по двумерным пространствам:

CIE xy 2. CIE a*b* 3.CIE u"v"

Рис. 4.4. (показаны двумерные срезы каждого из пространств при яркости 50%)

Пространство CIE xyz основано на прямом отображении исходных функций трёх основных цветов, созданном в 1931 г. Проблема этого представления состоит в том, что оно выделяет слишком большое пространство для зелёного. Пространство CIE L u"v" было создано, чтобы скорректировать этот дисбаланс, распространяя цвет примерно пропорционально их воспринимаемой разности. Наконец, пространство CIE L*a*b* трансформирует цвета CIE так, чтобы они распространялись по двум осям эквивалентно - полностью заполняя квадрат. Далее, каждая ось в пространстве L*a*b* отображает легко распознаваемое свойство цвета, такое как красно-зелёный или сине-жёлтый сдвиги, использованные в вышеприведенной трёхмерной визуализации.

4.5 Рабочие пространства

Рабочим является пространство, используемое в программах редактирования изображений (таких как Adobe Photoshop), и оно определяет набор цветов, доступных для работы при редактировании изображения. Два наиболее часто используемых рабочих пространства в цифровой фотографии - это Adobe RGB 1998 и sRGB IEC61966-2.1.

Почему бы не использовать рабочее пространство с максимально возможной гаммой? В целом предпочтительно использовать цветовое пространство, которое может отобразить ваше финальное выходное устройство (обычно принтер), и не более. Использование цветового пространства с излишне широкой гаммой может повысить подверженность вашего изображения постеризации. Происходит это потому, что глубина цветности изображения растягивается на больший диапазон цвета, так что для кодирования данного перехода цветов остаётся меньше бит.

4.6 Цветовые профили

Цветовые профили (color profile) - это основа современных систем управления цветом.Упрощенно говоря, цветовой профиль - это файл, в котором содержится информация о том, как конкретное устройство передает цвет. Таким устройством может быть сканер, принтер, монитор и все, что удастся еще придумать для того, чтобы вводить или выводить цвет из компьютера. В общем, это самое главное, что нужно знать о цветовых профилях и этого вполне достаточно для простой работы с цветом. Однако если Вам необходима полная победа над цветом - не обойтись без более детальных знаний.

Как правило, когда упоминают о цветовом профиле, имеют в виду профиль, формат которого утвержден Международным Консорциумом по цвету (International Color Consortium - ICC), учрежденном весьма известными компаниями: Adobe Systems Inc, Agfa-Gevaert N.V., Apple Computer Inc, Eastmen Kodak <#"justify">Company, FOGRA (Honorary), Microsoft Corporation, Silicon Graphics Inc, Sun Microsystems Inc, Taligent Inc. Основной целью создания консорциума была именно разработка общепризнанного стандарта описания цветовых параметров устройств. И, нужно признать, задача стандартизации была решена. В настоящее время в ICC входят практически все компании, которые так или иначе связаны с устройствами, предназначенными для работы с цветом: Barco, Canon, DuPont, Fuji, Xerox, Hewlett Packard, Intel, NEC, Sony, Pantone, Seiko Epson, X-Rite, Gretag и десятки других.Color Consortium имеет свой WEB сервер (#"justify">Стандарт ICC не привязан к какой-либо определенной платформе. Файл, созданный на Apple, спокойно может быть использован для Windows. Все, что для этого нужно - это добавить к имени файла расширение icc или icm. При обратном переносе - с Windows на Apple - проблема немного сложнее. Как наверняка известно всем пользователям Macintosh, информация о типе файла хранится отдельно от самого файла (в отличие от Windows, где тип файла определяется по его расширению). И, если файл переписан с Windows-компьютера, этой информации просто неоткуда взяться и операционная система не воспринимает этот файл как ICC-профиль.

4.7 Типы профилей

Существуют три основных типа: профиль вводного устройства (сканера), профиль монитора и профиль выводного устройства (принтера). Каждый их этих типов описывает, как данное устройство преобразовывает цвета из аппаратно-независимого цветового пространства (Lab или XYZ) в свое цветовое пространство (например, RGB или CMYK) и обратно.

Кроме них, существуют также несколько дополнительных типов, которые, впрочем, используются очень редко.

Во-первых, это DeviceLink profiles (я так и не смог найти удачный перевод этому термину) - профили, которые предоставляют механизм, позволяющий описать несколько последовательных преобразований.

Во-вторых, это ColorSpace Conversion profiles - профили для преобразований из одного цветового пространства в другое. Могут использоваться, например, для описания нестандартных цветовых пространств, созданных пользователем.

Третий тип профилей - абстрактные (Abstract) профили, которые описывают не параметры какого либо конкретного устройства или цветового пространства, а способ редактирования цвета. Простейший пример такого профиля (который, впрочем, не удовлетворяет стандарту ICC) - это файл, который можно создать в окне Curves программы Adobe Photoshop. Если Вы долго и упорно редактировали цвет изображения, то весь процесс редактирования может быть (теоретически) записан в таком профиле. К сожалению, я не знаю почти ни одной программы, которая позволяла бы это сделать. Единственное исключение - Heidelberg LinoColor (программа сканирования, которая поставляется со сканерами Heidelberg), которая позволяет записать в ICC profile параметры редактирования изображения.

Последний тип - это именованный профиль (Named profile). Описывает набор цветов, каждый из которых имеет собственное имя. Например, это может быть описание веера Pantonе, который содержит несколько сотен цветов, каждый со своим номером. Упрощенно говоря, это таблица, которая содержит значения каждого из цветов в XYZ или Lab.

Для каждого из этих семи типов стандарт предусматривает свой набор данных, которые должны содержаться в профиле. Здесь будут рассмотрены только первые типа - те, которые используются повсюду.

Профили для устройств ввода.

Существуют два вида профилей для устройств ввода. Первый - более простой. Он содержит следующие данные: параметры первичных цветов (красный, зеленый, синий) в системе XYZ при их 100% яркости. Кривые, описывающие, как меняется яркость первичных цветов при изменении яркости от 0 до 100% точку белого в XYZ (точку белого)

Этот тип профиля позволяет довольно легко определить, какие значение XYZ или LAB имеют чистые (или первичные) цвета на изображении (например, R255_G0_B0 или R0_G100_B0). Но в случае с более сложным цветом, например R100_G50_B30 система управления цветом должна сама рассчитать его параметры в XYZ. И совсем не факт, что этот расчет будет верным, хотя бы потому, что первичные цвета могут влиять друг на друга.

4.8 Калибровка цвета

Цветокалибровка - это регулировка параметров стандартных температур цвета самого монитора (9300К, 6500К, 5000К, и прочие). Это НЕ создание так называемого профайла для видеокарты вашего компьютера, который компенсирует искажение стандартной температуры монитора.
По определённым причинам настройки мониторов искажаются. Это может проявляться в преобладании какого-то из основных тонов (красного, синего, зеленого) или их смеси, в завышенной или заниженной яркости и/или контрастности, изменении цветового тона при изменении параметров яркости или контраста.
Нередко через пользовательское меню монитора не удается полностью скомпенсировать потери в стандартной цветовой температуре. В этом случае монитор должен быть подвергнут полной процедуре регулировки.

В современных мониторах все регулировки осуществляются уже не регуляторами внутри монитора, а программно. Т.е. при помощи специального программного обеспечения и адаптеров для подключения монитора к регулировочному компьютеру. В процессе регулировки одной только цветовой температуры в мониторах Sony затрагивается более 20 параметров. Замеры параметров цвета монитора осуществляется при помощи колориметра - прибора, который с очень большой точностью выдает данные для настройки.

Заключение

Свет можно описать как электромагнитное излучение с некоторым распределением энергии, распространяющееся через пространство, и цветовые компоненты света соответствуют частотам из узкой полосы электромагнитного спектра. Однако свет имеет и другие свойства, и, чтобы охарактеризовать различные аспекты света, можно использовать разные параметры. Физические свойства видимого излучения можно объяснить, опираясь на корпускулярно-волновой дуализм света. Человеческое восприятие источника света можно охарактеризовать, используя такие термины, как преобладающая частота (оттенок), светимость (яркость) и чистота (насыщенность). Цветностью называется суммарное восприятие оттенка и чистоты цвета.

Модели цвета используются также для объяснения эффектов объединения источников света. Чтобы определить модель цвета, можно задать набор нескольких основных цветов, комбинации которых дают другие цвета. В то же время, ни один конечный набор основных цветов не позволяет получить все цвета или описать вес характеристики цвета. Набор цветов, который можно получить с помощью основных цветов, называется цветовой гаммой. Цвета, объединение которых дает белый свет, называются дополнительными.

В 1931 году Международная комиссия по освещению (Commission International d"Eclairage - CIE, MKO) приняла в качестве стандарта набор из трех гипотетических функций подбора цветов. Этот набор цветов называется моделью XYZ, где X,Y и Z представляют дозы каждого цвета, необходимые для подбора любого цвета из электромагнитного спектра. Структура функций подбора цветов такова, что все функции положительны, и значение У представляет для любого цвета значение яркости. Нормированные значения X и У, обозначаемые х и у, используются для отображения всех спектральных цветов на диаграмме цветности МКО. Эту диаграмму можно использовать для сравнения цветовых гамм различных моделей цветов и определения дополнительных цветов или преобладающих частот и чистоты данного цвета.

Другими моделями цвета, основанным на наборе из трех основных цветов, являются RGB, YIQ и CMY. Модель RGB используется для описания цветов, отображенных на мониторе. Модель YIQ используется для описания составного видеосигнала в телевизионном вещании. Наконец, модель CMY используется для описания цвета на устройствах выдачи документальных копий.

В пользовательских интерфейсах для выбора цветов часто применяются такие интуитивные модели цвета, как HSV и HLS. При этих моделях цвет задается как смесь выбранного оттенка с определенным количеством белого и черного. Прибавление черного дает темные цвета, прибавление белого - светлые оттенки, а прибавление черного и белого позволяет получить тона.

При разработке эффективных изображений выбор цвета является важным фактором. Чтобы избежать дисгармонирующих комбинаций цветов, можно выбрать соседствующие цвета, не сильно отличающиеся по преобладающей частоте. Кроме того, комбинации цветов можно выбирать из небольшого подпространства модели цвета. Общее правило - небольшое число комбинаций цветов, сформированных с помощью оттенков и теней, дает более гармоничное изображение, чем чистые тона.

Список литературы

1. Д.Херн, М.П.Бейкер «Компьютерная графика и стандарт OpenGL»,-Москва, Санкт-Петербург, Киев: «Вильямс», 2005г.

В.Порев «Компьютерная графика», Санкт-Петербург, Москва, Киев, Дюссельдорф: «БХВ-Петербург», 2002г.

Б. А. Шашлов «Цвет и цветовоспроизведение» М. «Книга» 1986 г.

ДЕН МАРГУЛИС «PHOTOSHOP ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ. КАССИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ЦВЕТОКОРРЕКЦИИ»,- ИЗД. РТВ-МЕДИА, 2001Г

Материалы с сайта: http://www.cambridgeincolour.com/

Материалы с сайта: http://www.remlab.ru/

Материалы с сайта: http://www.realcolor.ru/

Материалы с сайта: http://www.ukr-print.net/

Материалы с сайта: http://www.intuit.ru/

Материалы с сайта: http://www.webmascon.com/

Материалы с сайта: http://sdb.su/comp-grafika/

Материалы с сайта: http://www.sernam.ru/

Материалы с сайта: http://www.0x99.ru/

В компьютерной графике применяют, по меньшей мере, три десятка форматов файлов для хранения изображений.
Поддерживаются 48-разрядное кодирование цвета, цветоделение и различные цветовые модели. Основной недостаток выражен в том, что отсутствие...

Виды компьютерной графики

Заметное место в компьютерной графике отведено развлечениям. Появилось даже такое понятие, как механизм графического представления данных...
Поддерживаются все цветовые модели и любая глубина цвета от бело-черного до true color, сжатие без потерь.