В rgb модели используют три основных цвета. Различия цветовых моделей RGB, CMYK, HSB. Цветовая модель LAB

Цветовые модели. Закон Грассмана. Модели RGB, CMYK, Lab, HSB. Глубина цвета. Черно-белый и полутоновой режим. Плашечные цвета. Кодирование цвета, палитры. Проблема цветового охвата. Цветовые профили. Управление цветами. Цветоделение.

Цветовые модели и их виды

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 .

Cуществует 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 модели (цветовое пространство) – 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 разбить 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 (R ed), зеленый (G reen) и синий (В lue) цвета. При попарном смешивании первичных 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 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.

Доброго времени суток, дорогие читатели, знакомые, посетители, мимопроходящие личности и прочие странные существа! Сегодня мы поговорим о немного специфической, но несомненно важной вещи для любого пользователя, а именно о такой штуке: представление цвета в компьютере.

Как ни крути, но рано или поздно все столкнутся с практической необходимостью понимания, что такое цветовая модель, да и просто сие знание полезно с точки зрения расширения кругозора и осознания - что и как работает в компьютере и из чего он состоит как с программной, так и с физической точки зрения.

Что такое цветовая модель

В общем виде цветовая модель - это некоторая абстрактная вещь, в которой цвет представляется в виде совокупности чисел. И каждая такая модель имеет свои особенности и недостатки. По сути, это как с языком, например, если цвет - это слово "дом", то на разных языках оно будет писаться и звучать по-разному, но при этом смысл слова везде будет одинаковый. Так же и с цветом.

Мы рассмотрим самые основные модели. Их 5 . Как правило, используется одновременно несколько различных моделей, т.к. некоторые удобнее всего использовать в визуальном виде, а другие в численном.

RGB

Это самая распространенная модель представления цвета. В ней любой цвет рассматривается как оттенки трех основных (или базовых) цветов: красный (Red) , зеленый (Green) и синий (Blue). При этом существует два вида этой модели: восьмибитное представление, где цвет задается числами от 0 до 255 (например, цвет будет соответствовать синему, а - желтому), и шестнадцатибитное , которое чаще всего используется в графических редакторах и html , где цвет задается числами от 0 до ff (зеленый - #00ff00 , синий - #0000ff , желтый - #ffff00 ).

Разница представлений в том, что в восьмибитном виде для каждого базового цвета используется отдельная шкала, а в шестнадцатибитном уже сразу вводится цвет. Иными словами, восьмибитное представление - три шкалы с каждым основным цветов, шестнадцатибитное - одна шкала с тремя цветами.

Особенность этой модели в том, что здесь новый цвет получается путем добавления оттенков основных цветов, т.е. "смешивания".

Хотите знать и уметь, больше и сами?

Мы предлагаем Вам обучение по направлениям: компьютеры, программы, администрирование, сервера, сети, сайтостроение, SEO и другое. Узнайте подробности сейчас!

На картинке выше видно, как цвета смешиваются друг с другом, образуя новые цвета (желтый - [255,255,0 ], пурпурный - [255,0,255 ], голубой - [0,255,255 ] и белый [255,255,255 ]).

При этом эта модель чаще всего используется именно в численном виде, а не в визуальном (когда цвет задается вводом его значения в соотв. поля, а не выбирается мышкой). Для визуальной настройки цвета используются другие модели. Потому что визуально модель RGB представляет собой трехмерный кубик, который, как Вы видите на картинке выше, не очень удобно использовать:)

Так что это самая распространенная модель у веб-дизайнеров (передаем пламенный привет css ) и программистов.

Недостаток этой модели в том, что она зависит от аппаратной части, иными словами, одна и та же картинка будет неодинаково выглядеть на разных мониторах (ибо в мониторах используется так называемый люминофор - вещество, которое преобразовывает поглощаемую им энергию в световое излучение, а посему в зависимости от качества этого вещества будут определяться базовые цвета) .

CMYK

Это тоже очень распространенная модель, но многие о ней могли вообще ничего не слышать:)

А всё из-за того, что она используется исключительно для печати. Она расшифровывается как Cyan, Magenta, Yellow, Black (или Key Color ), т.е. Голубой, Пурпурный, Желтый и Черный (или ключевой цвет ).

Использование этой модели на печати обусловлено тем, что смешивать по три оттенка для каждого нового цвета слишком затратно и грязно, т.к. когда на бумагу сначала наносится один цвет, потом поверх него другой и затем поверх них третий цвет, во-первых, бумага сильно намокает (если струйная печать), во-вторых, совсем не факт, что получится именно тот оттенок, что Вы хотели. Да, физика она такая:)

Наиболее внимательные могли заметить, что на картинке присутствуют три цвета, а черный получается путем смешивания этих трех. Так, стало быть, зачем его вынесли отдельно? Опять же причина в том, что, во-первых, смешивать три цвета это затратно с точки зрения использования тонера (спец. порошок для картриджа от принтера, который используется вместо чернил в лазерных принтерах), во-вторых, бумага сильно мокнет, что увеличивает время просушки, в-третьих, цвета в действительности могут не смешаться должным образом, а быть более блеклыми, например. Картинка ниже показывает эту модель в реальности

Таким образом, получится скорее не черный, а грязно-серый или грязно-коричневый.

Поэтому (и не только) ввели еще черный цвет, чтобы не пачкать бумагу, не тратиться на тонеры и вообще жить было проще:)

Очень наглядно иллюстрирует всю суть следующая анимация (открывается по клику, вес около 14 Mb ):

Цвет в этой модели задается числами от 0 до 100 , где эти числа часто называют "частями" или "порциями" выбранного цвета. Например, цвет "хаки" получается путем смешивания 30 частей голубой краски, 45 - пурпурной, 80 - желтой и 5 - черной, т.е. цвет хаки будет .

Трудности этой модели заключаются в том, что в суровых реалиях (или в реальных суровиях) цвет зависит не столько от числовых данных, сколько от характеристики бумаги, краски в тонере, способе нанесения этой краски и т.п. Так что числовые значения будут однозначно определять цвет на мониторе, но они не покажут реальной картины на бумаге.

HSV (HSB) и HSL

Эти две цветовые модели я объединил, т.к. они схожи по своему принципу.

Трехмерная реализация HSL (слева) и HSV (справа) моделей представлена в виде цилиндра ниже, но на практике в ПО (программном обеспечении) не используется, ибо.. ибо трехмерная:)

HSV (или HSB) означает Hue, Saturation, Value (еще может именоваться Brightness ), где:

Hue - цветовой тон, т.е. оттенок цвета.
Saturation - насыщенность. Чем выше этот параметр, тем "чище" будет цвет, а чем ниже, тем ближе он будет к серому.
Value (Brightness ) - значение (яркость) цвета. Чем выше значение, тем ярче будет цвет (но не белее). А чем ниже, тем темнее (0% - черный)

HSL - Hue, Saturation, Lightness

Hue - Вы уже знаете
Saturation - аналогично
Lightness - это светлота цвета (не путать с яркостью) . Чем выше параметр, тем светлее цвет (100% - белый), а чем ниже, тем темнее (0% - черный).

Более распространенная модель - HSV , она часто используется вместе с моделью RGB , где HSV показана в визуальном виде, а числовые значения задаются в RGB . :

Здесь RGB- модель обведена красным и значения оттенков задаются числами от 0 до 255 , либо сразу можно указать цвет в шестнадцатеричном виде. А синим обведена HSV модель (визуальная часть в левом прямоугольнике, числовая - в правом ). Также часто можно указать непрозрачность (так называемый альфа-канал ).

Такая модель чаще всего используется в простой (или непрофессиональной) обработке изображений, т.к. при помощи неё удобно регулировать основные параметры фотографий, не прибегая к куче различных фильтров или отдельных настроек.
Например во всеми любимом (или проклинаемом) фотошопе присутствуют обе модели, только одна из них находится в редакторе выбора цвета, а другая - в окне настроек Hue/Saturation

Здесь красным показа RGB- модель, синим - HSB , зеленым - CMYK и голубым Lab (о ней чуть позже), что видно на картинке:)
А HSL- модель находится в таком вот окошке:

Недостаток HSB- модели в том, что она также зависит от аппаратной части. Она просто не соответствуют восприятию человеческого глаза, т.к. оный воспринимает цвета с разной яркостью (например, синий воспринимается нами более темным, чем красный), а в этой модели у всех цветов одинаковая яркость. У HSL аналогичные проблемы:)

Таких недостатков хотели избежать, поэтому одна небезызвестная компания CIE (Международная комиссия по освещению - Commission Internationale de l"Eclairage ) придумала новую модель, призванную не зависеть от аппаратной части. И назвали её Lab (нет, это не сокращение от Laboratory ).

Lab или L,a,b

Эта модель является одной из стандартных, хотя и малоизвестна рядовому пользователю.

Расшифровывается она следующим образом:

L - Luminance - освещенность (это совокупность яркости и интенсивности)
a - один из компонентов цвета, меняется от зеленого до красного
b - второй из компонентов цвета, меняется от синего до желтого

На рисунке показаны диапазоны компонент a и b для освещенности 25% (слева) и 75% (справа)

Яркость в этой модели отделяется от цветов, поэтому при помощи неё удобно регулировать контраст, резкость и другие светопоказатели, не трогая при этом цвета:)

Однако эта модель совсем неочевидная для использования и ею довольно трудно пользоваться на практике. Поэтому её используют в основном в обработке изображений и для конвертации оных из одной цветовой модели в другую без потерь (да, это единственная модель, которая делает это без потерь), обычным же смертным страждущим пользователям достаточно, как правило, HSL и HSV плюс фильтры.

Ну и в качестве примера работы модели HSV, HSL и Lab вот картинка из Википедии (кликабельно)

Доброго вам дня, дорогие читатели моего блога. Очень рад вас видеть на страницах моего блога. Сегодня я хотел бы пройтись немного по теории, а именно рассказать про цветовые модели в компьютерной графике. Не бойтесь, ничего страшного здесь нет, но знать это нужно, так как в скором времени нам это пригодится. Я не буду вам рассказывать научное определение цветовой модели, так как это слишком заумно.

Выбор цветовой модели зависит в основном от того для чего нам нужно то или иное изображение, для каких целей. Ладно, не буду вас мучать. Давайте рассмотрим несколько цветовых моделей, которые встретятся вам в различных графических редакторах.

В этом режиме нам доступно всего 2 цвета, а именно черный и белый. Ну и что мы здесь забыли? Правильно! Ничего. Поэтому сразу говорю — этим режимом мы пользоваться не будем.

Градации серого (Grayscale)

Как видно из названия, в этом режимы используются лишь оттенки серого. Всего таких оттенков серого 256. Т.е. идет постоянное увеличение яркости, начиная с черного цвета, и пока он не станет полностью белым. Конечно, если вы хотите работать с черно-белым изображением, то пожалуйста, ведь и занимать места это изображение будет гораздо меньше. Но, скажу вам по секрету, этот режим тоже мы использовать не будем. Вы рады?

RGB (Красный Зеленый Синий)

Ну вот мы и перешли к основной цветовой модели. Именно ей мы и будем в основном пользоваться в фотошопе. Эта модель используется для отображения цветов именно на экране. Все цвета и оттенки получаются при смешивании трех основных цветов, т.е. красного (R ed), зеленого (G reen) и синего (B lue). Вы спросите: «А где же желтый цвет? Ведь его невозможно получить, смешивая эти цвета». Как раз таки получается, но не на бумаге, а на экране монитора. Желтый цвет мы можем получить смешивая красный и зеленый цвета. Вот такая вот хитрость.

Цветов в этой модели целая уйма! В 8-битном представлении их аж 16 миллионов! Вы представьте сколько их будет в 16 и 32-х битах? Поэтому сразу заклинаю вас — выбирайте только 8-битное представление RGB, так как в остальных смысла нет, по крайней мере в обычной жизни. Будем считать, что договорились.

CMYK (Cyan Magenta Yellow Black)

Данная цветовая модель произошла от букв четырех цветов C yan M agenta Y ellow K ey color — Голубой, Пурпурный, Желтый, Ключевой-черный. Хотя в некоторых источниках я читал, что буква K образована не от Key color, а от черного цвета black, только ей решили не присваивать букву B , так как она уже использовалась в цветовой модели RGB как синий, поэтому и дали ей последнюю букву от слова blacK . Но сути это не меняет.

Эта модель используется как правило в полиграфии и подготовке к печати, то есть для отображения на бумаге. Опять же сразу скажу, что в наших уроках мы ей практически пользоваться не будем. Но мы ее рассмотрим. Просто хочу рассказать, почему в этой модели используется 4 цвета вместе с черным? Потому что если в модели RGB смешать все цвета, то получится черный цвет, а если все цвета смешать в модели CMY, то черного цвета не получится, максимум темнокоричневый. Кроме того, полное смешивание всех цветов может привести к деформации бумаги. Поэтому и добавили ключевой черный цвет K.

LAB

Ну и раз уж мы говорим о цветовых моделях, то я не могу не рассказать о такой мvдели как LAB. Состоит эта модель из трех параметров:

L uminance — освещенность. Градация идет от светлого к тёмному.
Цвет A - гамма цветов от зеленого до пурпурного
Цвет B — гамма цветов от голубого к желтому.

Как видите первые буквы параметров и составляют данную аббревиатуру. То есть данная модель предполагает смешивание двух цветов с определенной степенью освещенности. Чем примечательна эта модель, что она содержит в себе как цвета RGB, так и CMYK, да еще и градации серого, о которых мы говорили выше.

И если модель RGB отображает цвета так, как мы видим его на экране, а CMYK как на бумаге, то модель LAB соответствует человеческому зрению, т.е. как это видит обычный человек.

HSB или HSV

И напоследок зацепим еще одну модель, которая может вам повстречаться. Данная модель состоит из трёх параметров: Hue (Цветовой тон), Saturation (Насыщенность) и Brightness (Яркость)/Value (значение) цвета. В основе данной модели лежит ранее рассмотрнная RGB, но в отличие от RGB (16 млн цветов), HSB может содержать всего лишь порядка 2,5 миллионов цветов.

Часто такая модель изображается в виде цветового круга и дополнительного вертикального столбика яркости. Может вы где-то встречали? Но кроме этого в разных программах может встречаться разное представление.

В общем на этом свой обзорчик цветовых моделей я завершаю. Сразу вам скажу, что когда мы будем проходить фотошоп, то пользоваться в основном будем моделью RGB. И кстати я вам не зря дал эту информацию, так как скоро мы действительно перейдем к изучению графического редактора Adobe Photoshop. Так что не расслабляйтесь.

А на этом наше теоретическое занятие закончено. Надеюсь, что вам всё более менее было понятно. В случае чего, вы всегда можете задать вопрос в комментариях или в форме обратной связи. И не забудьте подписаться на обновления статей моего блога и тогда вы всегда будете в курсе всего интересного самые первые! Удачи вам, готовьтесь новым урокам. Пока-пока!

У цвета есть три основные характеристики: цветовой тон , яркость и насыщенность .

Цветовой тон – позволяет идентифицировать цвета как красный, желтый, зеленый, синий или промежуточный между двумя соседними парами этих цветов. Разница в цветовых тонах зависит от длины волны света.

Яркость – характеризует относительную светлость цвета. Она определяется степенью отражения поверхности, на которую падает свет. Чем выше яркость, тем светлее цвет.

Насыщенность – характеризует отличия данного цвета от бесцветного (серого цвета) с той же степенью яркости. Чем ниже насыщенность, тем более «серым» выглядит цвет. При нулевой насыщенности цвет становится серым.

Хроматические цвета и ахроматические цвета:

К ахроматическим цветам относятся: белый, серый и черный. У них нет характеристик цветовой тон и насыщенность.

К хроматическим цветам относятся все которые мы воспринимаем, как имеющее «цвет» (отличное от белого, серого или черного).

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются различные математические модели. Их называют цветовыми моделями . Цветовые модели являются средствами количественного описания цвета и различия его оттенков. В каждой модели определенный диапазон цветов представляют в виде трехмерного пространства. В этом пространстве каждый цвет существует в виде набора числовых координат, где каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. Этот метод дает возможность обмена цветовой информацией между цифровой техникой и программным обеспечением.

Существует множество цветовых моделей, но все они принадлежат к одному из трех типов:

- аддитивные (основанные на сложении цветов);

- субтрактивные (основанные на вычитании цветов);

- психологические (основанные на восприятии человеком).

При регистрации, обработке и подготовке к печати изображений используются три цветовые модели RGB , CMYK и CIE Lab .

Цветовая модель RGB (R – от англ. red – красный, G – от англ. green – зеленый, B – от англ. blue – синий) – аддитивная цветовая модель описывает излучаемые цвета и образована на основе трех первичных цветов: красном, зеленом и синем (рис. 39), другие цвета образуются смешиванием трех первичных цветов в разных пропорциях (т.е. с разными яркостями). При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета : голубой, пурпурный и желтый. Первичные и вторичные цвета относятся к основным цветам. Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимого света. Модель RGB используется в устройствах, работающих со световыми потоками: фото- и видеокамеры, сканеры, мониторы компьютеров, телевизоры и др. Она является аппаратно-зависимой, так как значения основных цветов, а также точка белого, определяются технологическими особенностями конкретного оборудования. Например, на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково.

Рис. 39. Аддитивная цветовая модель RGB

Основной недостаток RGB-модели заключается в ее аппаратной зависимой. Это обусловлено тем, что на практике RGB-модель характеризует цветовое пространство конкретного устройства, например фотоаппарата или монитора. Тем не менее, любое RGB-пространство можно сделать стандартным, однозначно определив его. Наиболее распространенными стандартными реализациями модели RGB являются (рис. 45):

sRGB (standard RGB) – стандартное цветовое пространство для Интернета соответствует цветовому пространству типичного монитора VGA низшего класса. Сегодня это пространство является альтернативой системам управления цветом, использующим ICC-профили. sRGB-модель используется для создания web-изображений или печати на недорогих струйных принтерах, из-за недостаточно широкого диапазона значений в зеленой и голубой частях спектра она не подходит для фотопечати профессионального качества;

Adobe RGB (стандартизировано Adobe Systems в 1998) – основано на одном из стандартов телевидения высокой четкости (HDTV). Модель имеет больший цветовой охват, по сравнению с sRGB и используется для регистрации изображений, удовлетворяющих требованиям высококачественной фотопечати.

Цветовая модель CMYK (C – от англ. cyan – голубой, M – от англ. magenta – пурпурный, Y – от англ. yellow – желтый, K – черный) – субтрактивная цветовая модель, которая описывает реальные красители, используемые в полиграфическом производстве (офсетная печать, цифровая фотопечать, краски, пластик, ткань и др.). В данной модели основными цветами являются цвета образующиеся вычитанием из белого основных цветов модели RGB (рис. 41). Три первичных цвета RGB при смешивании образуют белый цвет, а три первичных цвета CMY при смешивании образуют черный цвет (определение основано на поглощающих свойствах чернил).

Рис. 41. Получение модели CMY из RGB

Цвета, использующие белый свет (белая бумага), вычитая из него определенные участки спектра называются субтрактивными: когда краситель или пигмент поглощает красный и отражает зеленый и синий свет, мы видим голубой. Когда он поглощает зеленый и отражает синий и красный, мы видим пурпурный. Когда он поглощает синий и отражает красный и зеленый, мы видим желтый.

Голубой, пурпурный и желтый являются тремя первичными цветами (рис. 42), используемыми в субтрактивном смешении. Теоретически, при смешивании 100% каждого из трех первичных субтрактивных цветов: голубого, пурпурного и желтого должен получаться черный цвет. Однако примеси в чернилах не позволяют получить чистый черный цвет. По этой причине в полиграфии к этим трем цветам добавляют черный. В результате получается система их четырех цветов. Данная модель также является аппаратно-зависимой.

Диапазон представления цветов в CMYK уже, чем в RGB (рис. 45), поэтому при преобразовании данных из RGB в CMYK происходит потеря цветовой информации. Многие цвета, которые видны на мониторе, не могут быть воспроизведены красками на фотоотпечатке и наоборот.

Рис. 42. Субтрактивная цветовая модель CMYK

Цветовые модели CIE (от фр. Commission Internationale de l’Eclairage –Международная комиссия по освещению) основаны на восприятии цвета человеком и используются для того, чтобы определять так называемые аппаратно независимые цвета, которые могут правильно воспроизводиться устройствами любого типа: фотоаппаратами, сканерами, мониторами, принтерами и др. Эти модели получили широкое распространение благодаря использованию их на компьютерах и широкому диапазону описываемых цветов. Наиболее распространены следующие модели: CIE XYZ и CIE Lab.

Цветовая модель CIE XYZ (базовая цветовая модель) разработана в 1931 году. Эта система часто представляется в виде двухмерного графика (рис. 43). Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси Х координатной плоскости (горизонтально), а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y (вертикально). При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере того, как вы перемещаетесь по координатной плоскости влево. В этой модели не учитывается яркость.

Рис. 43. Диаграмма цветности CIE XYZ

Цветовая модель CIE L*a*b* представляет собой усовершенствованную цветовую модель CIE XYZ. CIE L*a*b* (L* – от англ. luminance, light – светлота, a* – величина красной/зеленой составляющей, b* – величина желтой/синей составляющей, * означают разработку системы специалистами CIE) – основана на теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов «красный/зеленый» и «желтый/синий» можно воспользоваться одними и теми же осями координат. В этой трехмерной модели воспринимаемые человеком цветовые различия зависят от расстояний, с которых производятся колометрические измерения. Ось а проходит от зеленого (-а ) до красного (+а ), а ось b – от синего (-b ) до желтого (+b ). Яркость (L ) у трехмерной модели возрастает в направлении снизу вверх (рис. 44). Цвета представляются числовыми значениями. По сравнению с цветовой моделью XYZ цвета CIE Lab более совместимы с цветами, воспринимаемыми человеческим глазом. В модели CIE Lab цветовая яркость (L), цветовой тон и насыщенность (a, b ) могут рассматриваться по отдельности. В результате общий цвет изображения можно изменять без изменения самого изображения или его яркости. CIE L*a*b* это универсальная аппаратно-независимая цветовая модель, применяется для математических расчетов, производимых компьютерами при работе с цветом и используется при преобразовании между другими аппаратно зависимыми моделями. Например, при преобразовании из RGB в CMYK или из CMYK в RGB.

Данные RGB и CMYK являются аппаратными данными, не несущими информации о цветовых ощущениях без привязки к конкретному аппарату. При преобразовании мы определяем для значений модели RGB или CMYK, реализованной в данном конкретном аппарате, цветовые координаты в цветовой координатной системе CIE L*a*b*. Преобразование цвета из одного цветового пространства в другое влечет за собой потерю цветовой информации. Необходимо четко различать цветовые модели и цветовые координатные системы: в первом случае речь идет о способе воспроизведения цветовых ощущений, а во втором – об измерении этих ощущений.

Рис. 44. Диаграмма цветности CIE Lab: L – яркость;
a – от зеленого до красного; b – от синего до желтого

Цветовой охват (от англ. color gamut) – это диапазон цветов, который может различать человек или воспроизводить устройство независимо от механизма получения цвета (излучения или отражения). Человеческий глаз, цветная фотопленка, цифровые фотоаппараты, сканеры, компьютерные мониторы, цветные принтеры имеют разный цветовой охват (рис. 45). Ограниченность цветового охвата объясняется тем, что с помощью аддитивного (RGB) или субтрактивного (CMYK) синтеза принципиально невозможно получить все цвета видимого спектра. В частности, некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воспроизведены на экране монитора.

Отображение цветового охвата – это технология коррекции цвета в различных устройствах, при которой изображение, видимое человеком, будет максимально близко к изображению, воспроизводимому на устройствах с другими диапазонами воспроизведения цвета. Например, цветовой охват цветного принтера (CMYK), меньше, чем диапазон цветов, воспроизводимых на мониторе (RGB). Видимый на экране живой зеленый цвет при печати становится менее ярким и насыщенным. Это происходит из-за того, что изображение на экране содержит цвета, которые невозможно воспроизвести в пространстве CMYK (рис. 45).

Рис. 45. Цветовой охват разных устройств (диаграмма цветности CIE)

Задача достоверной передачи цвета сводится к построению профилей устройств. Для профилей устройств был разработан универсальный формат, получивший название ICC. Каждое устройство, задействованное в полиграфическом процессе (фотоаппарат, сканер, монитор, принтер и т.д.) имеет свою таблицу цветовых описаний – ICC-профиль . При профилировании устройств их уникальные цветовые диапазоны сравниваются со стандартным эталонным пространством. Эти профили могут быть интегрированы в файл изображения.

Типы профилей:

Входной (или исходный). Описывает цветовое пространство устройства регистрации изображения (цифровой аппарат, сканер);

Профиль отображения . Описывает цветовое пространство конкретного монитора.

Выходной (или целевой). Описывает цветовое пространство воспроизводящего устройства (принтер, плоттер, печатный станок и др.)

Преобразование цветовых охватов выполняет система управления цветом CMS (от англ. color management systems). Ее основная функция – следить за наилучшей передачей цветов всеми устройствами, используемыми в технологической цепочке. CMS стремится создать аппаратно независимые цвета и использовать для преобразования базовую цветовую модель CIE XYZ.

Заключение

В лекции рассмотрены предмет и задачи курса «Аудиовизуальные технологии обучения», определено его место в педагогической подготовке будущих учителей. Мы познакомились с основными понятиями курса, получили общие представления о истории становления, современном состоянии и тенденциях развития аудиовизуальных технологий обучения.

Следующая лекция будет посвящена современным аудиовизуальным технологиям.

Перевод

Я собираюсь совершить экскурс в историю науки о человеческом восприятии, которая привела к созданию современных видеостандартов. Также я попытаюсь объяснить часто используемую терминологию. Кроме того, я вкратце расскажу, почему типичный процесс создания игры со временем будет всё больше и больше напоминать процесс, используемый в киноиндустрии.

Пионеры исследований цветовосприятия

Сегодня мы знаем, что сетчатка человеческого глаза содержит три разных типа фоторецепторных клеток, называемых колбочками. Каждый из трёх типов колбочек содержит белок из семейства белков опсинов, который поглощает свет в различных частях спектра:

Поглощение света опсинами

Колбочки соответствуют красной, зелёной и синей частям спектра и часто называются длинными (L), средними (M) и короткими (S) согласно длинам волн, к которым они наиболее чувствительны.

Одной из первых научных работ о взаимодействии света и сетчатки был трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Исаака Ньютона, написанный между 1670-1675 гг. У Ньютона была теория, что свет с различными длинами волн приводил к резонансу сетчатки с теми же частотами; эти колебания затем передавались через оптический нерв в «сенсориум».

«Лучи света, падая на дно глаза, возбуждают колебания в сетчатке, которые распространяются по волокнам оптических нервов в мозг, создавая чувство зрения. Разные типы лучей создают колебания разной силы, которые согласно своей силе возбуждают ощущения разных цветов…»

Больше чем через сотню лет Томас Юнг пришёл к выводу, что так как частота резонанса - это свойство, зависящее от системы, то чтобы поглотить свет всех частот, в сетчатке должно быть бесконечное количество разных резонансных систем. Юнг посчитал это маловероятным, и рассудил, что количество ограничено одной системой для красного, жёлтого и синего. Эти цвета традиционно использовались в субтрактивном смешивании красок. По его собственным словам :

Поскольку по причинам, указанным Ньютоном, возможно, что движение сетчатки имеет скорее колебательную, чем волновую природу, частота колебаний должна зависеть от строения её вещества. Так как почти невозможно полагать, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесконечное количество частиц, каждая из которых способна колебаться в идеальном согласии с любой возможной волной, становится необходимым предположить, что количество ограничено, например, тремя основными цветами: красным, жёлтым и синим…

Предположение Юнга относительно сетчатки было неверным, но он сделал правильный вывод: в глазе существует конечное количество типов клеток.

В 1850 году Герман Гельмгольц первым получил экспериментальное доказательство теории Юнга. Гельмгольц попросил испытуемого сопоставить цвета различных образцов источников света, регулируя яркость нескольких монохромных источников света. Он пришёл к выводу, что для сопоставления всех образцов необходимо и достаточно трёх источников света: в красной, зелёной и синей части спектра.

Рождение современной колориметрии

Перенесёмся в начало 1930-х. К тому времени научное сообщество имело достаточно хорошее представление о внутренней работе глаза. (Хотя потребовалось ещё 20 лет, чтобы Джорджу Уолду удалось экспериментально подтвердить присутствие и функции родопсинов в колбочках сетчатки. Это открытие привело его к Нобелевской премии по медицине в 1967 году.) Commission Internationale de L"Eclairage (Международная комиссия по освещению), CIE, поставила задачу по созданию исчерпывающей количественной оценки восприятия цвета человеком. Количественная оценка была основана на экспериментальных данных, собранных Уильямом Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом при параметрах, схожих с выбранными впервые Германом Гельмгольцем. Базовыми настройками были выбраны 435,8 нм для синего цвета, 546,1 нм для зелёного и 700 нм для красного.

Экспериментальная установка Джона Гилда, три ручки регулируют основные цвета

Из-за значительного наложения чувствительности колбочек M и L невозможно было сопоставить некоторые длины волн с сине-зелёной частью спектра. Для «сопоставления» этих цветов в качестве точки отсчёта нужно было добавить немного основного красного цвета:

Если мы на мгновение представим, что все основные цвета вносят отрицательный вклад, то уравнение можно переписать так:

Результатом экспериментов стала таблица RGB-триад для каждой длины волны, что отображалось на графике следующим образом:

Функции сопоставления цветов RGB по CIE 1931

Разумеется, цвета с отрицательным красным компонентом невозможно отобразить с помощью основных цветов CIE.

Теперь мы можем найти трихромные коэффициенты для света распределения спектральной интенсивности S как следующее внутреннее произведение:

Может казаться очевидным, что чувствительность к различным длинам волн можно проинтегрировать таким образом, но на самом деле она зависит от физической чувствительности глаза, линейной по отношению к чувствительности к длинам волн. Это было эмпирически подтверждено в 1853 году Германом Грассманом, и представленные выше интегралы в современной формулировке известны нам как закон Грассмана.

Термин «цветовое пространство» возник потому, что основные цвета (красный, зелёный и синий) можно считать базисом векторного пространства. В этом пространстве различные цвета, воспринимаемые человеком, представлены лучами, исходящими из источника. Современное определение векторного пространства введено в 1888 году Джузеппе Пеано, но более чем за 30 лет до этого Джеймс Клерк Максвелл уже использовал только зародившиеся теории того, что позже стало линейной алгеброй, для формального описания трихроматической цветовой системы.

CIE решила, что для упрощения вычислений будет более удобно работать с цветовым пространством, в которой коэффициенты основных цветов всегда положительны. Три новых основных цвета выражались в координатах цветового пространства RGB следующим образом:

Этот новый набор основных цветов невозможно реализовать в физическом мире. Это просто математический инструмент, упрощающий работу с цветовым пространством. Кроме того, чтобы коэффициенты основных цветов всегда были положительными, новое пространство скомпоновано таким образом, что коэффициент цвета Y соответствует воспринимаемой яркости. Этот компонент известен как яркость CIE (подробнее о ней можно почитать в замечательной статье Color FAQ Чарльза Пойнтона (Charles Poynton)).

Чтобы упростить визуализацию итогового цветового пространства, мы выполним последнее преобразование. Разделив каждый компонент на сумму компонентов мы получим безразмерную величину цвета, не зависящую от его яркости:

Координаты x и y известны как координаты цветности, и вместе с яркостью Y CIE они составляют цветовое пространство xyY CIE. Если мы расположим на графике координаты цветности всех цветов с заданной яркостью, у нас получится следующая диаграмма, которая вам наверно знакома:

Диаграмма xyY CIE 1931

И последнее, что нужно узнать - что считается белым цветом цветового пространства. В такой системе отображения белый цвет - это координаты x и y цвета, которые получаются, когда все коэффициенты основных цветов RGB равны между собой.

С течением времени появилось несколько новых цветовых пространств, которые в различных аспектах вносили улучшения в пространства CIE 1931. Несмотря на это, система xyY CIE остаётся самым популярным цветовым пространством, описывающим свойства устройств отображения.

Передаточные функции

Прежде чем рассматривать видеостандарты, необходимо ввести и объяснить ещё две концепции.

Оптико-электронная передаточная функция

Оптико-электронная передаточная функция (optical-electronic transfer function, OETF) определяет то, как линейный свет, фиксируемый устройством (камерой) должен кодироваться в сигнале, т.е. это функция формы:

Раньше V был аналоговым сигналом, но сейчас, разумеется, он имеет цифровое кодирование. Обычно разработчики игр редко сталкиваются с OETF. Один из примеров, в котором функция будет важна: необходимость сочетания в игре видеозаписи с компьютерной графикой. В этом случае необходимо знать, с какой OETF было записано видео, чтобы восстановить линейный свет и правильно смешать его с компьютерным изображением.

Электронно-оптическая передаточная функция

Электронно-оптическая передаточная функция (electronic-optical transfer, EOTF) выполняет противоположную OETF задачу, т.е. она определяет, как сигнал будет преобразован в линейный свет:

Эта функция более важна для разработчиков игр, потому что она определяет, как созданный ими контент будет отображаться экранах телевизоров и мониторов пользователей.

Отношение между EOTF и OETF

Понятия EOTF и OETF хоть и взаимосвязаны, но служат разным целям. OETF нужна для представления захваченной сцены, из которого мы потом можем реконструировать исходное линейное освещение (это представление концептуально является буфером кадра HDR (High Dynamic Range) обычной игры). Что происходит на этапах производства обычного фильма:

Захват данных сцены
Инвертирование OETF для восстановления значений линейного освещения
Цветокоррекция
Мастеринг под различные целевые форматы (DCI-P3, Rec. 709, HDR10, Dolby Vision и т.д.):
- Уменьшение динамического диапазона материала для соответствия динамическому диапазону целевого формата (тональная компрессия)
- Преобразование в цветовой пространство целевого формата
- Инвертирование EOTF для материала (при использовании EOTF в устройстве отображения изображение восстанавливается как нужно).

Подробное обсуждение этого техпроцесса не войдёт в нашу статью, но я рекомендую изучить подробное формализованное описание рабочего процесса ACES (Academy Color Encoding System).

До текущего момента стандартный техпроцесс игры выглядел следующим образом:

Рендеринг
Буфер кадра HDR
Тональная коррекция
Инвертирование EOTF для предполагаемого устройства отображения (обычно sRGB)
Цветокоррекция

В большинстве игровых движков используется метод цветокоррекции, популяризованный презентацией Нэти Хофмана (Naty Hoffman) «Color Enhancement for Videogames» с Siggraph 2010. Этот метод был практичен, когда использовался только целевой SDR (Standard Dynamic Range), и он позволял использовать для цветокоррекции ПО, уже установленное на компьютерах большинства художников, например Adobe Photoshop.

Стандартный рабочий процесс цветокоррекции SDR (изображение принадлежит Джонатану Блоу (Jonathan Blow))

После внедрения HDR большинство игр начало двигаться к техпроцессу, похожему на используемый в производстве фильмов. Даже при отсутствии HDR схожий с кинематографическим техпроцесс позволял оптимизировать работу. Выполнение цветокоррекции в HDR означает, что у вас есть целый динамический диапазон сцены. Кроме того, становятся возможными некоторые эффекты, которые раньше были недоступны.

Теперь мы готовы рассмотреть различные стандарты, используемые в настоящее время для описания форматов телевизоров.

Видеостандарты

Rec. 709

Большинство стандартов, относящихся к вещанию видеосигналов, выпущено Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), органом ООН, в основном занимающимся информационными технологиями.

Рекомендация ITU-R BT.709 , которую чаще называют Rec. 709 - это стандарт, описывающий свойства HDTV. Первая версия стандарта была выпущена в 1990 году, последняя - в июне 2015 года. В стандарте описываются такие параметры, как соотношения сторон, разрешения, частота кадров. С этими характеристиками знакомо большинство людей, поэтому я не буду рассматривать их и сосредоточусь на разделах стандарта, касающихся воспроизведения цвета и яркости.

В стандарте подробно описана цветность, ограниченная цветовым пространством xyY CIE. Красный, зелёный и синий источники освещения соответствующего стандарту дисплея должны быть выбраны таким образом, чтобы их отдельные координаты цветности были следующими:

Их относительная интенсивность должна быть настроена таким образом, чтобы белая точка имела цветность

(Эта белая точка также известна как CIE Standard Illuminant D65 и аналогична захвату координат цветности распределения спектральной интенсивности обычного дневного освещения.)

Свойства цветности можно визуально представить следующим образом:

Охват Rec. 709

Область схемы цветности, ограниченная треугольником, созданным основными цветами заданной системы отображения, называется охватом.

Теперь мы переходим к части стандарта, посвящённой яркости, и здесь всё становится немного сложнее. В стандарте указано, что «Общая оптико-электронная передаточная характеристика в источнике» равна:

Здесь есть две проблемы:

Не существует спецификации о том, чему соответствует физическая яркость L = 1
Несмотря на то, что это стандарт вещания видео, в нём не указана EOTF

Так получилось исторически, потому что считалось, что устройство отображения, т.е. телевизор потребителя и есть EOTF. На практике это осуществлялось корректировкой диапазона захваченной яркости в вышеприведённой OETF, чтобы изображение выглядело хорошо на эталонном мониторе со следующей EOTF:

Где L = 1 соответствует яркость примерно 100 кд / м² (единицу кд / м² в этой отрасли называют «нит»). Это подтверждается ITU в последних версиях стандарта следующим комментарием:

В стандартной производственной практике функция кодирования источников изображения регулируется таким образом, чтобы конечное изображение имело требуемый вид, соответствующий видимому на эталонном мониторе. В качестве эталонной принимается функция декодирования из Рекомендации ITU-R BT.1886. Эталонная среда просмотра указана в Рекомендации ITU-R BT.2035.

Rec. 1886 - это результат работ по документации характеристик ЭЛТ-мониторов (стандарт опубликован в 2011 году), т.е. является формализацией существующей практики.

Кладбище слонов ЭЛТ

Нелинейность яркости как функции приложенного напряжения привела к тому, как физически устроены ЭЛТ-мониторы. По чистой случайности эта нелинейность (очень) приблизительно является инвертированной нелинейностью восприятия яркости человеком. Когда мы перешли к цифровому представлению сигналов, это привело к удачному эффекту равномерного распределения ошибки дискретизации по всему диапазону яркости.

Rec. 709 рассчитана на использование 8-битного или 10-битного кодирования. В большинстве контента используется 8-битное кодирование. Для него в стандарте указано, что распределение диапазона яркости сигнала должно распределяться в кодах 16-235.

HDR10

Что касается HDR-видео, то в нём есть два основных соперника: Dolby Vision и HDR10. В этой статье я сосредоточусь на HDR10, потому что это открытый стандарт, который быстрее стал популярным. Этот стандарт выбран для Xbox One S и PS4.

Мы снова начнём с рассмотрения используемой в HDR10 части цветности цветового пространства, определённой в Рекомендации ITU-R BT.2020 (UHDTV). В ней указаны следующие координаты цветности основных цветов:

И снова в качестве белой точки используется D65. При визуализации на схеме xy Rec. 2020 выглядит следующим образом:

Охват Rec. 2020

Очевидно заметно, что охват этого цветового пространства значительно больше, чем у Rec. 709.

Теперь мы переходим к разделу стандарта о яркости, и здесь снова всё становится более интересным. В своей кандидатской диссертации 1999 года “Contrast sensitivity of the human eye and its effect on image quality” («Контрастная чувствительность человеческого глаза и её влияние на качество изображения») Питер Бартен представил немного пугающее уравнение:

(Многие переменные этого уравнения сами по себе являются сложными уравнениями, например, яркость скрывается внутри уравнений, вычисляющих E и M).

Уравнение определяет, насколько чувствителен глаз к изменению контрастности при различной яркости, а различные параметры определяют условия просмотра и некоторые свойства наблюдателя. «Минимальная различаемая разница» (Just Noticeable Difference, JND) обратна уравнению Бартена, поэтому для дискретизации EOTF, чтобы избавиться от привязки к условиям просмотра, должно быть верно следующее:

Общество инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE) решило, что уравнение Бартена будет хорошей основой для новой EOTF. Результатом стало то, что мы сейчас называем SMPTE ST 2084 или Perceptual Quantizer (PQ).

PQ был создан выбором консервативных значений для параметров уравнения Бартена, т.е. ожидаемых типичных условий просмотра потребителем. Позже PQ был определён как дискретизация, которая при заданном диапазоне яркости и количестве сэмплов наиболее точно соответствует уравнению Бартена с выбранными параметрами.

Дискретизированные значения EOTF можно найти с помощью следующей рекуррентной формулы нахождения k < 1 . Последним значением дискретизации будет являться необходимая максимальная яркость:

Для максимальной яркости в 10 000 нит с использованием 12-битной дискретизации (которая используется в Dolby Vision) результат выглядит следующим образом:

EOTF PQ

Как можно заметить, дискретизация не занимает весь диапазон яркости.

В стандарте HDR10 тоже используется EOTF PQ, но с 10-битной дискретизацией. Этого недостаточно, чтобы оставаться ниже порога Бартена в диапазоне яркости в 10 000 нит, но стандарт позволяет встраивать в сигнал метаданные для динамической регуляции пиковой яркости. Вот как 10-битная дискретизация PQ выглядит для разных диапазонов яркости:

Разные EOTF HDR10

Но даже так яркость немного выше порога Бартена. Однако ситуация не настолько плоха, как это может показаться из графика, потому что:

Кривая логарифмическая, поэтому относительная погрешность на самом деле не так велика
Не стоит забывать, что параметры, взятые для создания порога Бартена, выбраны консервативно.

На момент написания статьи телевизоры с HDR10, представленные на рынке, обычно имеют пиковую яркость 1000-1500 нит, и для них достаточно 10 бит. Стоит также заметить, что изготовители телевизоров могут сами решать, что им делать с яркостями выше диапазона, который они могут отображать. Некоторые придерживаются подхода с жёсткой обрезкой, другие - с более мягкой.

Вот пример того, как выглядит 8-битная дискретизация Rec. 709 с пиковой яркостью 100 нит:

EOTF Rec. 709 (16-235)

Как можно видеть, мы намного выше порога Бартена, и, что важно, даже самые неразборчивые покупатели будут настраивать свои телевизоры на значительно большие 100 нит пиковые яркости (обычно на 250-400 нит), что поднимет кривую Rec. 709 ещё выше.

В заключение

Одно из самых больших различий между Rec. 709 и HDR в том, что яркость последнего указывается в абсолютных значениях. Теоретически это означает, что контент, предназначенный для HDR, будет выглядеть одинаково на всех совместимых телевизорах. По крайней мере, до их пиковой яркости.

Существует популярное заблуждение, что HDR-контент в целом будет ярче, но в общем случае это не так. HDR-фильмы чаще всего будут изготавливаться таким образом, чтобы средний уровень яркости изображения был тем же, что и для Rec. 709, но так, чтобы самые яркие участки изображения были более яркими и детальными, а значит, средние тона и тени будут более тёмными. В сочетании с абсолютными значениями яркости HDR это означает, что для оптимального просмотра HDR нужны хорошие условия: при ярком освещении зрачок сужается, а значит, детали на тёмных участках изображения будет сложнее разглядеть.

Теги:

Добавить метки