Цвет в компьютерной графике

· О природе света и цвета

· Цветовые модели

· RGB

· Субтрактивные цветовые модели CMY и CMYK

· Цветовой график МКО

· Цветовая модель HSB

· Цветовая модель Lab

· Цветовые модели HSV и HLS

· Другие цветовые модели. Преобразование цветовых моделей.

О природе света и 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

A: роговая оболочка глаза

B: хрусталик

C: стекловидное тело

D: сетчатка

E: оптический нерв

Фоторецепторы подразделяются на два вида: палочки и колбочки. Палочки являются высокочувствительными элементами и работают в условиях слабого освещения. Они нечувствительны к длине волны и поэтому не "различают" цвета. Колбочки же, наоборот, обладают узкой спектральной кривой и "различают" цвета. Палочек существует только один тип, а колбочки подразделяются на три вида, каждый из которых чувствителен к определенному диапазону длин волн (длинные, средние или короткие.) Чувствительность их также различна. На рисунках представлены графики зависимости чувствительности колбочек от длины волны и зависимость интегральной чувствительности глаза к свету.

Характерная спектральная кривая

Если воспринимаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах, то он называется ахроматическим и при максимальной интенсивности воспринимается как белый, а при более низких интенсивностях - как оттенки серого цвета. Если же свет содержит длины волн в неравных пропорциях, то он является хроматическим.

Цветовые модели

Цветовая модель – это совокупность абсолютных или относительных параметров цвета, описывающих данный цвет в данном цветовом пространстве.

Цвет имеет различную физическую природу. На мониторе мы видим цвет, который излучается экраном, на бумаге – цвет, отраженный листом бумаги. Цветовые модели предназначены для описания цветов, образуемых различными методами.

Цветовые модели в графических программах поддерживаются специальными графическими режимами. Все используемые в настоящее время цветовые модели можно условно классифицировать следующим образом:

1. Монохромные:

· двухградационные (дуплексные);

· полутоновые (с оттенками серых цветов);

2. Цветные:

· индексные;

· полноцветные:

· аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

· субтрактивные (CMY, CMYK), основанные на вычитании цветов;

· перцепционные (HSV, HSB, HLS, LAB, и т.д.), основанные на восприятии (интуиции).

RGB

Эта модель получила свое название по первым буквам английских слов Red (Красный), Green (Зеленый), Blue (Синий).

Модель RGB называют аддитивной (складывающей), т.к. любой цвет в этой модели образуется путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего, которые называются первичными. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой, пурпурный и желтый. Первичные и вторичные цвета называются базовыми цветами.

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

Цвет в данной цветовой модели описывается тремя значениями в диапазоне от 0 до 255.

В трехмерной системе координат цветовую модель RGB можно представить в виде куба.

Вершины куба, располагающиеся на осях, отвечают красному, зеленому и синему цветам

Представление цветовой модели RGB следующем порядке: красная, зеленая и синяя составляющие.). В этих точках соответствующие составляющие имеют максимальные значения: чистый красный цвет -: 255, 0, 0 (уровень красного максимальный, а зеленая и синяя составляющие отсутствуют);

·  ярко-красный – 251, 61, 37;

·  зеленый цвет - 0, 255, 0;

·  темно-зеленый – 29, 130, 104;

·  синий – 0, 0, 255.

·  точка начала координат соответствует черному цвету (Black) - 0, 0, 0 (ни один цвет не излучается, все составляющие равны 0);

·  в ближайшей к вам вершине куба уровни всех трех составляющих максимальны – это точка белого цвета (White) – 255, 255, 255;

·  желтый цвет - 255, 255, 0;

·  лимонный цвет – 255, 255, 153.

Диагональ (R,G,B) = (0,0,0) и (R,G,B) = (255,255,255), соединяющая точки черного и белого цветов – ахроматическая ось (шкала серого Grayscale) - содержит 256 оттенков серого. На этой оси значения красной, зеленой и синей составляющей одинаковы (R,G,B) = (50,50,50).

Таким образом, любой цвет в этой модели может быть представлен в цветовом пространстве с помощью вектора, описываемого уравнением

CC = rR + gG + bB

Ограничения RGB-модели

1. Аппаратная зависимость:

·  цвет, возникающий в результате смешения цветовых составляющих RGB элемента, зависит от типа люминофора. В технологии производства современных кинескопов находят применение разные типы люминофоров (имеют разную спектральную характеристику) и установка одних и тех же интенсивностей электронных лучей в случае различных люминофоров приведет к синтезу разного цвета.

·  старение люминофора и изменение характеристик электронных прожекторов.

Для устранения (или по крайней мере минимизации) зависимости RGB-модели от аппаратных средств используются различные устройства и программы градуировки.

2. Ограничение цветового охвата.

Цветовой охват (color gamut) — это диапазон цветов, который может различать человек или воспроизводить устройство независимо от механизма получения цвета (излучения или отражения).

Ограниченность цветового охвата объясняется тем, что с помощью аддитивного синтеза принципиально невозможно получить все цвета видимого спектра (это доказано теоретически!). В частности, некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воссозданы на экране. Но, несмотря на то, что человеческий глаз способен различать цветов больше, чем монитор, RGB-модели вполне достаточно для создания цветов и оттенков, необходимых для воспроизводства фотореалистических изображений на экране вашего компьютера,

Субтрактивные цветовые модели CMY и CMYK

В отличие от экрана монитора, воспроизведение цветов которого основано на излучении света, печатная страница может только отражать цвет. Поэтому, в данном случае RGB - модель неприемлема. Вместо нее для описания печатных цветов используется модель CMY, базирующаяся на субтрактивных цветах.

Модель CMY описывает цвета, полученные в результате отражения света объектами. Субтрактивные цвета в отличие от аддитивных цветов получаются вычитанием вторичных цветов (голубой, пурпурный и желтый) из общего луча света. Желтый, пурпурный и голубой являются базовыми для этой цветовой модели.

Цветовая модель CMY является обратной модели RGB, поэтому белый цвет – это полное отсутствие краски – белый лист бумаги (уровни всех трех составляющих равны 0), присутствие всех цветов дает черный цвет (уровни всех трех составляющих имеют максимальные значения).

На практике при помощи трех базовых красок (Cyan, Magenta, Yellow) нельзя получить весь цветовой диапазон, а при смешивании всех трех составляющих цвет получается не чисто черным, а грязно-коричневым.

Для устранения данного недостатка к трем краскам добавили четвертую – черную (Black), и цветовая модель получила название CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, Black. В слове Black используется не первая буква, а последняя, чтобы избежать путаницы с цветом Blue модели RGB.

Цвета в модели CMYK образуются путем вычитания из черного цветов желтого (Yellow), пурпурного (Magenta) и голубого (Cyan). Поэтому модель CMYK называется субтрактивной (вычитающей).

В отличие от модели RGB, в цветовой модели CMYK уровень составляющих задается значениями в диапазоне от 0 до 100% (величина 100% в модели CMYK соответствует 255 единицам в модели RGB).

Представление цветовой модели CMYK

В трехмерной системе координат цветовую модель CMYK можно также представить в виде куба.

В точке начала координат уровни всех составляющих равны 0 – это белый цвет (White).

Ближайшая к вам вершина куба – это точка черного цвета (Black). В ней уровни всех трех составляющих имеют максимальные значения.

Диагональ, соединяющая точки белого и черного цветов, - это шкала серого (Grayscale). Вершины куба, располагающиеся на осях, соответствуют голубому, пурпурному и желтому цветам (Cyan, Magenta, Yellow). В этих точках уровни соответствующих составляющих имеют максимальные значения.

На оставшихся вершинах располагаются цвета, которые образуются в результате смешивания двух базовых цветов: голубого и пурпурного, голубого и желтого, пурпурного и желтого. Это синий (Blue), зеленый (Green) и красный (Red) цвета соответственно.

Субтрактивное формирование оттенков

Ограничения модели CMYK

CMYK-модель имеет те же два типа ограничений, что и RGB-модель:  

1. Аппаратная зависимость;

CMYK-модель является даже более аппаратно-зависимой моделью, чем RGB. Это связано с тем, что в ней имеется большее количество дестабилизирующих факторов, чем в RGB-модели:  вариация состава цветных красителей;  тип применяемой бумаги,  способ печати;  внешнее освещение.  

2. Ограниченный цветовой диапазон. Цветные красители имеют худшие характеристики по сравнению с люминофорами, поэтому цветовая модель CMYK имеет более узкий цветовой диапазон по сравнению с RGB-моделью. Об экранных цветах, которые невозможно воссоздать при печати, говорят, что они лежат вне цветового охвата модели CMYK. Под такими цветами понимают цвета, которые могут быть представлены в формате RGB, но при этом не имеют печатных аналогов в цветовом пространстве CMYK.

Например: несовпадение цветов, отображаемых на экране монитора, с печатаемыми на принтере. В результате, полученная вами на экране монитора в результате напряженной работы прекрасная картинка при распечатке вдруг превращается в унылое и блеклое подобие оригинала.

Цветовой график МКО

Трехмерная природа восприятия цвета позволяет отображать его в прямоугольной системе координат. Любой цвет можно изобразить в виде вектора, компонентами которого являются относительные веса красного, зеленого и синего цветов, вычисленные по формулам

Поскольку эти координаты в сумме всегда составляют единицу, а каждая из координат лежит в диапазоне от 0 до 1, то все представленные таким образом точки пространства будут лежать в одной плоскости, причем только в треугольнике, отсекаемом от нее положительным октантом системы координат. Ясно, что при таком представлении все множество точек этого треугольника можно описать с помощью двух координат, так как третья выражается через них посредством соотношения

Таким образом, мы переходим к двумерному представлению области, т.е. к проекции области на плоскость.

Трехмерное цветовое пространство

С использованием такого преобразования в 1931 г. были выработаны международные стандарты определения и измерения цветов. Основой стандарта стал так называемый двумерный цветовой график МКО. Поскольку, как показали физические эксперименты, сложением трех основных цветов можно получить не все возможные цветовые оттенки, то в качестве базисных были выбраны другие параметры, полученные на основе исследования стандартных реакций глаза на свет.

Цветовой график МКО. На контуре указаны длины волн в нанометрах

Область, ограниченная кривой, охватывает весь видимый спектр, а сама кривая называется линией спектральных цветностей. Числа, проставленные на рисунке, означают длину волны в соответствующей точке.

Цветовой график удобен для целого ряда задач. Например, с его помощью можно получить дополнительный цвет: для этого надо провести луч от данного цвета через опорную точку до пересечения с другой стороной кривой (цвета являются дополнительными друг к другу, если при сложении их в соответствующей пропорции получается белый цвет). Для определения доминирующей длины волны какого-либо цвета также проводится луч из опорной точки до пересечения с данным цветом и продолжается до пересечения с ближайшей точкой линии цветностей.

Цветовая модель HSB

Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприятия цвета человеком. Цвет описывается тремя компонентами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brigfitness).

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 при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников.

 Под цветовым тоном понимается свет с доминирующей длиной волны. Параметр Hue (Цветовой тон) характеризуется положением на цветовом круге и определяется вершиной угла (от 0 до 360).

На цветовом круге первичные цвета расположены на равном расстоянии друг от друга. Вторичные цвета находятся между первичными. В свою очередь, каждый цвет расположен напротив дополняющего его (комплиментарного) цвета и находится между двумя цветами, из которых получен.

 Параметр Saturation определяет насыщенность цвета. Увеличение насыщенности приводит к увеличению концентрированности цвета, а уменьшение – к его разбеливанию.

Насыщенность имеет максимальное значение на окружности – 100% и минимальное в центре круга – 0%.

Параметр Brightness (яркость) определяет степень освещенности или затемненности цвета – это интенсивность, с которой энергия света воздействует на рецепторы нашего глаза. Величина яркости измеряется в % в диапазоне от 0% (черный цвет) до 100% (белый цвет).

Ахроматические цвета, т.е. белые, серые и черные, характеризуются только яркостью.

Эту модель можно представить в виде цилиндра, в котором:

·  контур основания (окружность) соответствует оси изменения параметра Hue,

·  радиус основания – оси изменения параметра Saturation,

·  боковая сторона – оси изменения параметра Brightness.

Эта модель больше, чем другие соответствует традиционному восприятию цвета человеком и наиболее проста в понимании: сначала можно определить цветовой тон, а затем задать ему насыщенности и яркость. Кроме того, модель HSB удобно использовать при редактировании рисунков. Например, вы хотите заменить зеленый лист на желтый в редактируемой фотографии. Достаточно поменять только цветовую составляющую используемых цветов, не меняя яркость и насыщенность. Рисунок при этом не изменится, но примет иной оттенок.

Яркость и цветовой тон не являются полностью независимыми параметрами. Изменения яркости изображения влияет на изменение цветового тона, что создает нежелательный цветовой сдвиг в изображении.

Например, при значительном уменьшении яркости зеленые цвета синеют, синие приближаются к фиолетовым, желтые – к оранжевым, а оранжевые – к красным. Сильное увеличение яркости излучения вызывает другой эффект. Красные цвета переходят в оранжевые, затем в желтые и, наконец, - в белые.

Недостаток цветовой модели HSB: так же как и в предыдущих цветовых моделях – ограниченное цветовое пространство.

Преимущества:

1.  Аппаратная независимость.

2.  Более простой и интуитивно понятный механизм управления цвета.

Цветовая модель Lab

Цвет в данной цветовой модели определяется тремя параметрами, две из которых хроматические компоненты:

·  а – цветность в диапазоне от зеленого до красного;

· b – цветность в диапазоне от синего до желтого;

· L – светлота (Lightnesss), представляющая собой аналог яркости.

Цветовое пространство Lab

Параметры а и b задаются числами, находящимися в диапазоне от –120 до 120. Для параметра а значение –120 соответствует зеленому цвету, а +120 – красному. Для параметра b значение –120 – это синий цвет, а значение +120 – желтый. Все при условии, что L равно 100%. Светлота изменяется в диапазоне от 0 до 100%.

Используемые в Lab – модели цветовые координаты согласуются с биологическим механизмом восприятия цвета, открытым в 1981 году американскими учеными Давидом Хьюблом (David H. Hubel) и Торстеном Вайзелом (Torsten N. Wiesel), получившими Нобелевскую премию за исследование зрения. Они доказали, что глаз предоставляет в мозг вовсе не информацию о красном, зеленом и синем. Вместо этого мозг получает:

·  разницу между светлым и темным;

·  разницу между зеленым и красным;

·  разницу между синим и желтым, где желтый – сумма красного и зеленого.

Схема цветового зрения

На горизонтальном срезе все цвета имеют одинаковую яркость. Это означает, что каждый цвет может быть точно описан в цветовых координатах а и b.

Достоинства Lab – модели:

1.  Аппаратная независимость;

2.  Больший цветовой охват по сравнению с RGВ- и CMYK- моделями.

3. На базе параметров этой цветовой системы можно определить параметры других цветовых моделей.

Цветовые модели HSV и HLS

Как было сказанно, психофизиологическое восприятие света определяется не интенсивностью трех первичных цветов, а цветовым тоном, насыщенностью и светлотой. Цветовой тон позволяет различать цвета, насыщенность задает степень "разбавления" чистого тона белым цветом, а светлота - это интенсивность света в целом. Поэтому для адекватного нашему восприятию подбора оттенков более удобными являются модели, в числе параметров которых присутствует тон (Hue). Этот параметр принято измерять углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. При этом красному цвету соответствует угол 0°, зеленому - 120°, синему - 240°, а дополняющие друг друга цвета расположены один напротив другого, т.е. угол между ними составляет 180°. Цвета CMY расположены посредине между составляющими их компонентами RGB. Существует две модели, использующие этот параметр.

Модель HSV (Hue, Saturation, Value, или тон, насыщенность, количество света) можно представить в виде световой шестигранной пирамиды, по оси которой откладывается значение V, а расстояние от оси до боковой грани в горизонтальном сечении соответствует параметру S (за диапазон изменения этих величин принимается интервал от нуля до единицы). Значение S равно единице, если точка лежит на боковой грани пирамиды. Шестиугольник, лежащий в основании пирамиды, представляет собой проекцию цветового куба в направлении его главной диагонали.

Цветовая модель HLS (Hue, Lightness, Saturation, или тон, светлота, насыщенность) является расширением модели HSV. Здесь цветовое пространство уже представляется в виде двойной пирамиды, в которой по вертикальной оси откладывается L (светлота), а остальные два параметра задаются так же, как и в предыдущей модели. В литературе эти пирамиды иногда называют шестигранным конусом.

Сравнение моделей HSL и HSV

• Насыщенность в модели HSL всегда изменяется от полностью насыщенного цвета к эквивалентному серому цвету, в то время как в модели HSV при V=1 полностью насыщенный цвет переходит к белому

• Освещенность в модели HSL изменяется от черного через выбранное значение цветности – к белому, а в модели HSV – проходит лишь половину пути – от черного к выбранному цветному.

Другие цветовые модели. Преобразование цветовых моделей

При передаче телевизионных аналоговых сигналов используются следующие цветовые модели:

· YUV (используется в телевизионном сигнале PAL)

· YDbDr (используется при передаче SECAM-сигнала)

· YIQ (NTSC-сигнал)

В этих моделях Y-составляющая несет яркостную составляющую изображения, а остальные – информацию о цвете.

Преобразование цветового пространства HSV в RGB осуществляется непосредственно с помощью геометрических соотношений между шестигранной пирамидой и кубом.

Преобразования моделей HSV и HLS в модель RGB представлены на следующих блок-схемах.

В первом алгоритме применяется вспомогательная функция Value (H, M1, M2) для вычисления значения компоненты R, G или B в зависимости от ситуации. Во втором алгоритме используется функция Ent, означающая целую часть числа. Кроме того, используется операция присваивания для векторов. Константа ndf (сокращенное от выражения "not defined") используется при входе в алгоритм для того, чтобы выяснить, задано ли значение переменной Н. Например, по соглашению ndf  может быть некоторым отрицательным значением, так как тон - это всегда положительная величина.

Преобразование модели HLS в RGB

Преобразование модели HSV в RGB

Идеальных цветовых моделей не существует. В различных ситуациях наиболее удобной может оказаться та или иная модель!!!