Цветовые модели и палитры

Лекция 4

Цветовые модели и палитры. Цветовые  профили

Аддитивная цветовая модель RGB

Эта модель используется для описания цветов, которые получаются с помощью устройств, основанных на принципе излучения. В этой модели работают мониторы и бытовые телевизоры. Любой цвет считается состоящим из трех основных компонентов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Эти цвета называются основными. Считается также, что при наложении одного компонента на другой яркость суммарного цвета увеличивается. Совмещение трех компонентов дает нейтральный цвет (серый), который при большой яркости стремится к белому (рис. 2).

Предысторией системы RGB явились опыты Томаса Юнга (три фонаря с цветными светофильтрами: красным, зеленым и синим). Некоторое время спустя Джемс Максвелл изготовил первый колориметр, с помощью которого человек мог сравнивать монохроматический цвет и цвет смешивания в заданной пропорции компонентов RGB. Регулируя яркость каждого из смешиваемых компонентов, можно добиться уравнивания цветов смеси и монохроматического излучения. Это описывается следующим образом:

Ц = rR + gG + bB,

где r, g, b – количество соответствующих основных цветов.

Соотношение коэффициентов r, g, b Максвелл наглядно показал с помощью треугольника, впоследствии названного его именем. Треугольник Максвелла является равносторонним, в его вершинах располагаются основные цвета: R, G  и B (рис. 3). Из заданной точки проводятся линии, перпендикулярные сторонам треугольникам. Длина каждой линии и показывает соответствующую величину коэффициента r, g или b. Одинаковые значения r = g = b имеют место в центре треугольника и соответствуют белому цвету. Следует также отметить, что некоторый цвет может изображаться как внутренней точкой такого треугольника, так и точкой, лежащей за его пределами. В последнем случае это соответствует отрицательному значению соответствующего цветового коэффициента. Сумма коэффициентов равна высоте треугольника, а при высоте, равной единице,   r + g + b = 1.

К настоящему времени система RGB является официальным стандартом. Решением Международной комиссии по освеще-
нию – МКО (CIE – Commision International de l'Eclairage) – в 1931 г. были стандартизированы основные цвета, которые рекомендовано использовать в качестве R, G и B. Это монохроматические цвета светового излучения с длинами волн соответственно:   R – 700 нм; G – 546,1 нм; B – 435,8 нм.

Рекомендуемые материалы

Еще одним важным параметром для системы RGB является цвет, получаемый смешением трех компонентов в равных количествах. Это белый цвет. Оказывается, для того, чтобы смешиванием компонентов R, G и B получить белый цвет, яркости соответствующих источников должны быть не равны друг другу, а находиться в пропорции L_R : L_G : L_B = 1 : 4,5907 : 0,0601.

Если расчеты цвета производятся для источников излучения с одинаковой яркостью, то указанное соотношение яркостей можно учесть с соответствующими масштабными коэффициентами.

Теперь рассмотрим другие аспекты. Цвет, создаваемый смешиванием трех основных компонентов, можно представить вектором в трехмерной системе координат R, G и B (рис. 4). Черному цвету соответствует центр координат – точка (0, 0, 0). Белый цвет выражается максимальным значением компонентов. Пусть это максимальное значение вдоль каждой оси равно единице. Тогда белый цвет – это вектор (1, 1, 1). Точки, лежащие на диагонали куба от черного к белому, соответствуют равным значениям: R_i = G_i = B_i. Это градации серого – их можно считать белым цветом различной яркости. Вообще говоря, если все компоненты вектора (r, g, b) умножить на одинаковый коэффициент
(k = 0…1), то цвет (kr, kg, kb) сохраняется, изменяется только яркость. Поэтому для анализа цвета важно соотношение компонентов. Если в цветовом уравнении

Ц = rR + gG + bB

разделить коэффициенты r, g и b на их сумму:

то  можно записать такое цветовое уравнение:

Ц = r' R + g' G + b' B.

Это уравнение выражает векторы цвета (r', g', b'), лежащие в единичной плоскости  r'+ g'+ b' =1. Иными словами, мы перешли от куба к треугольнику Максвелла.

Заметим, что система RGB имеет неполный цветовой охват – некоторые насыщенные цвета не могут быть представлены смесью указанных трех компонентов. В первую очередь, это цвета от зеленого до синего, включая все оттенки голубого (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 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 реагирует на зеленый, другой – на красный, а третий – 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.

Субтрактивная цветовая модель CMYK

Эта цветовая модель используется для описания цвета при получении изображений на устройствах, которые реализуют принцип поглощения (вычитания) цветов.

Эту модель используют для подготовки не экранных, а печатных изображений. Они отличаются тем, что их видят не в проходящем, а в отраженном свете. Чем больше краски положено на бумагу, тем больше света она поглощает и меньше отражает. Совмещение трех основных красок поглощает почти весь падающий свет, и со стороны изображение выглядит почти черным. В отличие от модели RGB увеличение количества краски приводит не к увеличению визуальной яркости, а наоборот, к ее уменьшению. Поэтому для подготовки печатных изображений используется не аддитивная (суммирующая) модель, а субтрактивная (вычитающая). Цветовыми компонентами этой модели являются не основные цвета, а те, которые получаются в результате вычитания основных цветов из белого:

Голубой (Cyan) = Белый - Красный = Зеленый + Синий

Пурпурный (Magenta) = Белый - Зеленый = Красный + Синий

Желтый (Yellow) = Белый - Синий = Красный + Зеленый

Эти три цвета называются дополнительными, потому что дополняют основные цвета до белого.

Существенную трудность в полиграфии представляет черный цвет. Теоретически его можно получить совмещением трех основных или дополнительных красок, но на практике результат оказывается неудовлетворительным. Поэтому в цветовую модель CMYK добавлен четвертый компонент - черный. Ему эта система обязана буквой K в названии (blacK).

Цветоделение. В типографиях цветные изображения печатают в несколько приемов. Накладывая на бумагу по очереди голубой, пурпурный, желтый и черный отпечатки, получают полноцветную иллюстрацию. Поэтому готовое изображение, полученное на компьютере, перед печатью разделяют на четыре составляющих одноцветных изображения. Этот процесс называется цветоделением. Современные графические редакторы имеют средства для выполнения этой операции.

Преобразование между моделями RGB  и CMYK

Графические редакторы позволяют работать с цветным изображением в разных цветовых моделях, но все-таки модель RGB для компьютера "ближе". Это связано с методом кодирования цвета байтами. Поэтому создавать и обрабатывать цветные изображения принято в модели RGB, а при выполнении цветоделения рисунок преобразовывают в модель CMYK. При печати рисунка  RGB на цветном четырехцветном принтере драйвер принтера также преобразует рисунок в цветовую модель CMYK.

Соотношение для перекодирования цвета из модели CMY в RGB:

и обратно - из модели RGB в CMY:

Здесь считается, что компоненты кодируются числами в диапазоне от 0 до 1.

Цветовая модель HSV

Рассмотренные выше цветовые модели так или иначе используют смешение некоторых основных цветов. Теперь рассмотрим цветовую модель, которую можно отнести к иному, альтернативному типу.

В модели HSV (рис. 5) цвет описывается следующими параметрами: цветовой тон H (Hue), насыщенность S (Saturation), яркость, светлота V(Value). Значение H измеряется в градусах от 0 до 360, поскольку здесь цвета радуги располагаются по кругу в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Значения S и V находятся в диапазоне (0…1).

Приведем примеры кодирования цветов для модели HSV. При S=0 (т.е. на оси V) - серые тона. Значение V=0 соответствует черному цвету. Белый цвет кодируется как S=0, V=1. Цвета, расположенные по кругу напротив друг друга, т.е. отличающиеся по H на 180 º, являются дополнительными. Задание цвета с помощью параметров HSV достаточно часто используется в графических системах, причем обычно показывается развертка конуса.

Цветовая модель HSV удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками. Существуют такие программы, которые позволяют имитировать различные инструменты художника (кисти, перья, фломастеры, карандаши), материалы красок (акварель, гуашь, масло, тушь, уголь, пастель) и материалы полотна (холст, картон, рисовая бумага и пр.). Создавая собственное художественное произведение, удобно работать в модели HSV, а по окончании работы его можно преобразовать в модель RGB или CMYK, в зависимости от того, будет ли оно использоваться как экранная или печатная иллюстрация.

Существуют и другие цветовые модели, построенные аналогично HSV, например модели HLS (Hue, Lighting, Saturation) и HSB также использует цветовой конус. В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя их, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями.

Другие цветовые модели

Для решения проблемы отрицательных коэффициентов, характерной для модели RGB, в 1931 г. Международной комиссией по освещению (CIE) была принята колориметрическая система XYZ, в которой за основные были приняты также три цвета, однако они являются условными, нереальными.

Цветовая модель CIE L*a*b*. Все вышеперечисленные модели описывают цвет тремя параметрами и в достаточно широком диапазоне. Теперь рассмотрим цветовую модель, в которой цвет задается одним числом, но уже для ограниченного диапазона цветов (оттенков).

На практике часто используются черно-белые (серые) полутоновые изображения. Серые цвета в модели RGB описываются одинаковыми значениями компонентов, т.е. r_i = g_i = b_i . Таким образом, для серых изображений нет необходимости использовать тройки чисел - достаточно и одного числа. Это позволяет упростить цветовую модель. Каждая градация определяется яркостью Y. Значение Y=0 соответствует черному цвету, максимальное значение Y – белому.

Для преобразования цветных изображений, представленных в системе RGB, в градации серого используют соотношение

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B,

где  коэффициенты при R, G и B учитывают различную чувствительность зрения к соответствующим цветам и, кроме того, их сумма равна единице. Очевидно, что обратное преобразование  R =Y,  G =Y,  B =Y  не даст никаких других цветов, кроме градаций серого.

Еще один пример использования различных цветовых моделей. При записи цветных фотографий в графический файл формата JPEG используется сжатия объемов информации растрового изображения преобразование из модели RGB в модель (Y, Cb, Cr). При чтении файлов JPEG выполняется обратное преобразование в RGB.

Разнообразие моделей обусловлено различными областями их использования. Каждая из цветовых моделей была разработана для эффективного выполнения отдельных операций: ввода изображений, визуализаций на экране, печати на бумаге, обработки изображений, сохранения в файлах, колориметрических расчетов и измерений. Преобразование из одной модели в другую может привести к искажению цветов изображения.

Цветовые профили

Изложенные выше теории восприятия и воспроизведения цвета на практике используются с серьезными поправками. Образованный в 1993 г. Международный консорциум по цвету (ICC) разработал и стандартизировал системы управления цветом (Color Management System, CMS). Такие системы призваны обеспечить постоянство цвета на всех этапах работы для любых устройств, учитывая особенности конкретных устройств при воспроизведении цвета.

Ещё посмотрите лекцию "6.2 Инвариантные системы управления" по этой теме.

В реальности не существует устройств с цветовым охватом, полностью совпадающим с моделями RGB, CMYK, CIE и любыми другими. Поэтому для приведения возможностей устройств к некоторому общему знаменателю были разработаны цветовые профили.

Цветовой профиль – средство описания параметров цветовоспроизведения.

В компьютерной графике всякая работа начинается в пространстве RGB, поскольку монитор физически излучает эти цвета. По инициативе компаний Microsoft и Hewlett Packard была принята стандартная модель sRGB, соответствующая цвето-
вому охвату монитора среднего качества. В таком цветовом пространстве должна без проблем воспроизводиться графика
на большинстве компьютеров. Но эта модель весьма упрощенная, и ее цветовой охват существенно уже, чем у качественных мониторов.

В настоящее время практически повсеместным стандартом стали цветовые профили, создаваемые в соответствии с требованиями ICC. Основное содержание такого профиля составляют таблицы (матрицы) соответствия цветов при различных преобразованиях.

Самый заурядный профиль монитора должен содержать как минимум матрицы для преобразования CIE – RGB и таблицу для обратного преобразования, параметры белого цвета и градационную характеристику (параметр Gamma).

Главная особенность ICC-профиля печатающего устройства - необходимость учета взаимовлияния цветов. Если на мониторе точки люминофора излучают практически независимо, то при печати краски накладываются на бумагу и друг на друга. Поэтому профили печатающих устройств содержат огромные матрицы для пересчета взаимных преобразований пространств XYZ и Lab, математические модели различных вариантов таких преобразований.