ЛекцииММ1 (Курс электронных лекций), страница 5

Человек является трихроматом - сетчатка глаза имеет 3 вида рецепторов света, ответственных за цветное зрение. Каждый вид колбочек реагирует на определенный диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определенного спектра, называется цветовым стимулом, при этом свет с разными спектрами может иметь один и тот же цветовой стимул, и таким образом восприниматься одинаково человеком. Это явление называется метамерией - два излучения с разными спектрами, но одинаковыми цветовыми стимулами будут неразличимы человеком.

Рис. 15 . Трехмерное представление цветового пространства человека

Можно определить цветовое пространство стимулов как евклидово пространство, если задать координаты x, y, z в качестве значений стимулов, соответствующих отклику колбочек длинно - волнового (L), средне - волнового (M) и коротко - волнового (S) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять черный цвет. Белый цвет не будет иметь четкой позиции в данном определении диаграммы всевозможных цветов, а будет определяться, например, через цветовую температуру, или через определенный баланс белого, или каким либо иным способом. Полное цветовое пространство человека имеет вид конуса в форме подковы (как показано на рисунке). Принципиально данное представление позволяет задавать цвета любой интенсивности - начиная с нуля (черного цвета) до бесконечности. Однако на практике человеческие рецепторы могут перенасытиться или даже быть поврежденными излучением с экстремальной интенсивностью. Поэтому данная модель не применима для описания цвета в условиях чрезвычайно высоких интенсивностей излучений, и так же не рассматривает вопросы цветовоспроизведения в условиях очень низких интенсивностей (поскольку у человека задействуется иной механизм восприятия через палочки).

Цветовое пространство стимулов имеет свойство аддитивного смешивания - сумма двух цветовых векторов будет соответствовать цвету, равному получаемому смешением этих двух цветов. Таким образом можно описывать любые цвета (вектора цветового пространства), через комбинацию красного, зеленого и синего излучателей основных цветов. На этом принципе основана работа экранов телевизоров и компьютеров. Но важно понимать, что эти устройства не воспроизводят оригинальное излучение (полный спектр), а лишь имитируют изображение, в идеале неотличимое человеком от оригинального.

Рис. 16. Функции цветового соответствия Стандартного Колориметрического Наблюдателя.

Функции цветового соответствия Стандартного Колориметрического Наблюдателя, определенные комитетом CIE в 1931 году на диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм (с 5 нм интервалом). Цветовое пространство XYZ - это эталонная цветовая модель, заданная в строгом математическом смысле организацией CIE (International Commission on Illumination — Международная комиссия по освещению) в 1931 году. Модель XYZ является мастер - моделью практически всех остальных цветовых моделей, используемых в технических областях.

Эксперименты, проведенные в конце 20-х и начале 30-х годов, послужили основой для определения функций цветового соответствия (color matching functions). Изначально функции цветового соответствия были выяснены для 2o - го поля зрения (использовался соответствующий колориметр). В 1964 году комитет CIE опубликовал дополнительные данные для 10o - го поля зрения.

Упрощенная схема испытаний выглядит так. Три монохроматических источника света направляются на белый экран таким образом, что их цвет перемешивается. Испытуемый с пультом располагается перед экраном. В его распоряжении три ручки, управляющие яркостью этих источников. На другой стороне экрана воспроизводится точка некоторого эталонного цвета. Задача испытуемого состоит в том, чтобы меняя яркости управляемых источников света, сделать цвет контрольной точки совпадающим с эталонным. Интенсивность источников света меняется от -1 до 1. Лампа при интенсивности 1 работает на полную мощность, при 0 – лампа выключена, при -1 – свет источника вычитается из результирующего. Это достигается путём увеличения соответствующего компонента яркости эталонной точки.

По результатам проведённых испытаний были синтезированы три искусственные функции реакции глаза, зависящие от длины волны света. Они построены таким образом, чтобы упростить расчёты. На основе этих функций строится трёхмерная поверхность, включающая в себя все видимые человеком цвета.

Заметим, что в определении кривых модели XYZ заложен фактор своевольности - форма каждой кривой может быть измерена с достаточной точностью, однако кривая суммарной интенсивности (или сумма всех трех кривых) заключает в своем определении субъективный момент. Реципиента просят определить, имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если эти источники абсолютно разного цвета. Также стоит заметить, что относительная нормировка кривых X, Y и Z основана на произвольном выборе, поскольку можно предложить альтернативную работающую модель, в которой кривая чувствительности X имеет двукратно усиленную амплитуду. При этом цветовое пространство будет иметь иную форму. Кривые X, Y, Z в модели CIE XYZ 1931 и 1964 выбраны таким образом, чтобы площади поверхности под каждой кривой были равны между собой.

Работать с трёхмерным изображением неудобно, поэтому поверхность проецируют на плоскость xy.

Рис. 17 . Хроматическая диаграмма с длинами волн цветов.

На рисунке справа представлена классическая хроматическая диаграмма модели XYZ с длинами волн цветов. Значения x и y в ней соответствуют X, Y и Z согласно следующим формулам:

x = X/(X + Y + Z),

y = Y/(X + Y + Z).

В математическом смысле на данной хроматической диаграмме x и y это координаты на плоскости проекции. Данное представление позволяет задавать значение цвета через светлоту Y (англ. luminance) и две координаты x, y. Заметим что светлота Y в модели XYZ и Yxy это не то же самое что яркость Y в модели YUV или YCbCr.

Основные свойства этой диаграммы следующие:

- любая смесь выбранных компонент лежит на прямой, соединяющей эти цвета;

- геометрическим местом чистых хроматических тонов называется линия, называемая спектральной кривой, все видимые тона располагаются внутри фигуры, ограниченной спектральными кривыми;

- tочка, лежащая в центре диаграммы описывает эталонный белый цвет.

Модель RGB.

Множество цветов видны оттого, что светятся (излучаются). К излучаемым цветам можно отнести, например, белый свет, цвета на экране телевизора, монитора, кино, слайд - проектора и так далее. Цветов огромное количество, но из них выделено только три, которые считаются основными (первичными): это — красный, зеленый, синий.

При смешении двух основных цветов результат осветляется: из смешения красного и зеленого получается желтый, из смешения зеленого и синего получается голубой, синий и красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, в результате образуется белый. Поэтому такие цвета называются аддитивными.

Модель, в основе которой лежат указанные цвета, носит название модели RGB по первым буквам английских слов Red (Красный), Green (Зеленый), Blue (Синий).

Эта модель представляется в виде трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад каждой составляющей в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения (его численное в данный момент не играет роли, обычно, это 100% или число 255). В результате получается некий куб, внутри которого и "находятся" псе цвета, образуя цветовое пространство.

Важно отметить особенные точки и линии этой модели.

Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует, а это равносильно темноте, т. е. это точка черного цвета.

Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют максимальное значение, что, как вы уже поняли, дает белый цвет.

На линии, соединяющей эти точки (по диагонали), располагаются серые оттенки: от черного до белого. Это происходит потому, что все три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до максимального значения. Этот диапазон иначе называют серой шкалой. В компьютерных технологиях сейчас чаще всего используются 256 градаций (оттенков) серого. Хотя некоторые сканеры имеют возможность кодировать и 1024 оттенка серого,

Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

Модель CMYK

К отражаемым относятся цвета, которые сами не излучают, а используют .белый свет, вычитая из него определенные цвета. Такие цвета называются субтрактивными ("вычитательными"), поскольку они остаются после вычитания основных аддитивных. Понятно, что в таком случае и основных субтрактивных цветов будет три, тем более, что они уже упоминались: голубой, пурпурный, желтый.

Эти цвета составляют так называемую полиграфическую триаду. При печати этими цветами они поглощают красную, зеленую и синюю составляющие белого света таким образом, что большая часть видимого цветового спектра может быть репродуцирована на бумаге. Каждому пикселю в CMYK - изображении присваиваются значения, определяющие процентное содержание триадных красок.

При смешениях двух субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется, а при смешении всех трех должен получиться черный цвет. При полном отсутствии краски остается белый цвет (белая бумага).

В итоге получается, что нулевые значения составляющих дают белый цвет, максимальные значения должны давать черный, их равные значения — оттенки серого, кроме того, имеются чистые субтрактивные цвета и их двойные сочетания. Это означает, что модель, в которой они описываются, похожа на модель RGB.

Но проблема заключается в том, что данная модель описывает реальные полиграфические краски, которые не так идеальны, как цветной луч. Они имеют примеси, поэтому не могут полностью перекрыть весь цветовой диапазон, а это приводит, в частности, к тому, что смешение трех основных красок, которое должно давать черный цвет, дает какой-то неопределенный ("грязный") темный цвет, но это скорее темно - коричневый, чем истинно черный цвет.

Для компенсации этого недостатка в число основных полиграфических красок была внесена черная краска. Именно она добавила последнюю букву в название модели CMYK, хотя и не совсем обычно: С - это Cyan (Голубой), М - это Magenta (Пурпурный), Y - Yellow (Желтый), а К - это blасК (Черный), т. е. от слова взята не первая, а последняя буква.

Таким образом, модели RGB и CMYK, хотя и связаны друг с другом, однако их взаимные переходы друг в друга (конвертирование) не происходят без потерь. Тем более, что цветовой охват у них разный. Яркие красные и оранжевые цвета, искрящиеся зелёные и голубые, успокаивающие фиолетовые – выходят за пределы CMYK. И речь идет лишь о том, чтобы уменьшить потери до приемлемого уровня. Это вызывает необходимость очень сложных калибровок всех аппаратных частей, составляющих работу с цветом, — сканера (он осуществляет ввод изображения), монитора (по нему судят о цвете и корректируют его), выводного устройства (оно создает оригиналы для печати), печатного станка (выполняющего конечную стадию).

Модель HSB

Если две вышеописанные модели представить в виде единой модели, то получится усеченный вариант цветового круга, в котором цвета располагаются в известном еще со школы порядке: красный (R), желтый (Y), зеленый (G), голубой (С), синий (В). Модель HSB представляется в виде круга, по краю которого расположены спектральные цвета; в треугольнике: по вертикальному катету - насыщенность, а по гипотенузе - яркость. На цветовом круге основные цвета моделей RGB и CMYK находятся в такой зависимости: каждый цвет расположен напротив дополняющего его (комплементарного) цвета; при этом он находится между цветами, с помощью которых он получен. Например, сложение зеленого и красного цветов дает желтый. Чтобы усилить какой-либо цвет, нужно ослабить дополняющий его цвет (расположенный напротив него на цветовом круге). Например, чтобы изменить общее цветовое решение в сторону голубых тонов, следует снизить в нем содержание красного цвета.

По краю этого цветового круга располагаются так называемые спектральные цвета или цветовые тона (Hue), которые определяются длиной световой волны, отраженной от непрозрачного объекта или прошедшей через прозрачный объект. Цветовой тон характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла в диапазоне от 0 до 360 градусов. Эти цвета обладают максимальной насыщенностью, т. е. синий цвет синее быть уже не может.

Насыщенность (Saturation) — это параметр цвета, определяющий его чистоту. 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 получаются разбеленные цвета. 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.