Цвет и способы его описания.

8.7.1. Понятие цвета и его характеристики.[9]⁾

Цвет чрезвычайно важен в компьютерной графике как средство усиления зритель­ного впечатления и повышения информационной насыщенности изображения. Ощущение цвета формируется человеческим мозгом в результате анализа светового потока, попадающего на сетчатку глаза от излучающих или отражающих объектов.

Световой поток формируется излучениями, представляющими собой комбинации трех «чистых» спектральный цветов — красного, зеленого и синего. Для излучающих объектов характерно аддитивное цветовоспроизведение (световые излучения суммируются), а для отражающих объектов — субтрактивное(световые излучения вычитаются). Примером объекта пер­вого типа является электронно-лучевая трубка монитора, а второго типа — полигра­фический отпечаток.

Физические характеристики светового потока определяются параметрами мощ­ности, яркостииосвещенности. Визуальные параметры ощущения цвета характеризуются светлотой, то есть различимостью участков, сильнее или слабее отражающих свет.

Для точного цветовоспроизведения изображения на экране монитора важным явля­ется понятие цветовой температуры. В классической физике считается, что любое тело с температурой, отличной от 0 градусов по шкале Кельвина, испускает излучение. С повышением температуры спектр излучения смещается от инфракрасного диапазона до ультрафиолетового, проходя через оптический. Стандартные значения цветовых температур используют в качестве всеобщего эта­лона, обеспечивающего одинаковое цветовоспроизведение на разных излучающих устройствах.

Насыщенностьцвета показывает, насколько данный цвет отличается от монохрома­тического («чистого») излучения того же цветового тона. Ахроматические цвета (белый, серый, черный) характеризуются только светлотой, а хроматические имеют параметры насыщенности, светлотыицветового тона.

Способы описания цвета.

Цвета в природе образуются различным образом. С одной стороны, световые источники (Солнце, лампочки, экраны компьютеров и телевизоров) излучают свет различных длин волн, воспринимаемый глазом как цветной, с другой стороны, попадая на поверхность несветящихся предметов, свет частично поглощается, а частично отражается, и это отраженное излучение воспринимается нами как окраска предметов. Таким образом, цвет любого объекта возникает в результате либо излучения им света, либо отражения, что приводит к различным способам его описания.

В компьютерной графике при работе с цветом используются такие понятия как цветове разрешение (другое название — глубина цвета) и цветовая модель. Цветовое разрешение определяет метод кодирования цветовой информации, от которого зависит общее количество цветов, одновременно отображаемых на экране монитора. Цвет каждого пиксела растрового изображения задаётся с помощью комбинации бит определенной разрядности. Чем выше разрядность, тем большее количество цветовых оттенков можно получить. Для черно-белого изображения достаточно двух бит, восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 цветовых градаций. Два байта (16 бит) определяют 65536 цветов (режим High Color), а при 24-разрядном (3 байта) способе кодирования обеспечивается формирование более 16,7 миллионов различных цветовых оттенков (режим True Color). Более эффективным по скорости работы оказывается хранение цветовой информации в 32 разрядах (24 бита — цвет и 8 бит — альфа-канал), так как значения разрядностей современных процессоров, шин и интерфейсов кратны именно 32 (режим также называется True Color). Под альфа-каналом понимается степень прозрачности цвета, часто используемая в трехмерной компьютерной графике.

Практически все цветовые оттенки образуются смешением трёх цветов, называемых основными. Значит, любой оттенок можно разделить на эти составляющие его основные компоненты. В компьютерной графике применяется несколько таких способов разделения, которые и называются цветовыми моделями.

В середине XIX века немецкий ученый Герман Грассман сформулировал три закона цветообразования (аддитивного синтеза цвета):

Первый закон —закон трёхмерности. Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими его основными цветами, если они являются линейно независимыми. Линейная независимость заключается в невозможности получения любого из этих трех цветов путём сложения двух остальных.

Второй закон — закон непрерывности. При непрерывном изменении светового излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий к нему по оттенку другой цвет.

Третий закон — закон аддитивности. Цвет смеси световых излучений зависит только от цвета этих излучений и не зависит от их спектрального состава.

Из законов Грассмана следует, что цвет можно выразить точкой в трехмерном пространстве, которое для геометрического изображения цвета принято называть цветовым пространством. В нем каждому цвету будет соответствовать определенная точка, а каждой точке пространства — соответствующий цвет.

Цветовая палитра.

Электронная цветовая палитра в компьютерной графике по предназначению подобна палитре художника, но включает в себя гораздо большее число цветов. Это своеобразная таблица данных, в ячейках которой содержится информация о кодировке различных цветовых тонов. Конкретная цветовая палитра соотносится с определенной цветовой моделью, так как её цвета создаются на основе цветового пространства этой модели. При этом палитра, в отличие от модели, может содержать лишь ограниченный набор цветов, называемых стандартными. Программы создания и обработки компьютерной графики предоставляют на выбор, как правило, несколько цветовых палитр для различных цветовых моделей.

Состав цветовых палитр модели RGB(см. подробнее пп 8.8.1) непосредственно зависит от выбранного цветового разрешения. При 8-разрядном кодировании цветовая палитра называется индексной, т.к. каждому цветовому оттенку ставится в соответствие число (от 0 до 255), задающее не цвет пиксела, а индекс (номер) этого цвета в палитре. Таким образом, к файлу цветного изображения, созданного в индексной палитре, должна быть приложена сама эта палитра, иначе любая программа обработки компьютерной графики не сможет правильно воспроизводить на экране цветовые оттенки элементов этого изображения. В режимах High Color и True Color цветовые палитры не используются (так называемые непалитровые режимы), а применяется непосредственное кодирование основных цветовых составляющих каждого пиксела.

Изображения, подготавливаемые для публикации в Internet, принято создавать в так называемой безопасной палитре цветов. Так как файлы изображений в Web-графике должны иметь достаточно малый размер, необходимо было отказаться от включения в их состав индексной палитры. Для этого была принята единая фиксированная палитра, названная «безопасной», то есть обеспечивающей правильное цветовое отображение в любых поддерживающих её программах и устройствах вывода. Безопасная палитра содержит всего 216 цветов, что связано с ограничениями, накладываемыми требованиями совместимости с компьютерами, не относящимися к классу IBM PC.

Системы управления цветом.

При создании и обработке элементов компьютерной графики необходимо стремиться к тому, чтобы изображение выглядело практически одинаково на всех стадиях этого процесса, на любом устройстве отображения и при любом методе визуализация (аддитивном или субтрактивном). Для такого согласования на всех стадиях обработки в компьютерной графике применяют системы управления цветом (Color Management System — CMS). Такие системы содержат набор объективных параметров, обязательных для всех устройств, участвующих в обмене цветовыми данными. К таким параметрам относятся:

§ Цветовая гамма. Каждый тип устройств отображения имеет свою цветовую гамму, область которой всегда меньше, чем цветовой охват практически любой цветовой модели. CMS управляет преобразованием цвета между различными моделями с учетом цветовой гаммы конкретных устройств;

§ Профиль. Для согласования отображения цветов различные устройства должны иметь свой собственный профиль, описывающий различия в представлении цвета между конкретным устрой­ством и определенной цветовой моделью;

§ Калибровка. Даже устройства одной модели от одного производителя могут иметь отличия в реализации своего профиля, обусловленные допусками при изготовлении компонентов, условиями эксплуатации, внешними помехами и т.д. Поэтому CMS, как правило, включает в себя средства калибровки, т.е. настройки конкретного экземпляра в соответствии с требованиями профиля. Средства калибровки могут быть аппаратно-программными или чисто программными. Сам процесс калибровки может выполняться автоматически при выходе параметров за допустимые пределы.

Не существует идеальной системы управления цветом, одинаково пригодной для всех устройств и одинаково работающей на всех аппаратных платформах и во всех программных средах. Наиболее эффективными являются CMS, реализуемые на уровне операционных систем.

8.8.Модели цветообразования.[10]⁾

В компьютерной графике применяются цветовые модели RGB, CMYK, HSBиCIE Lab. Рассмотрим их более подробно.

Цветовая модель RGB.

Цветовая модель RGB (Рис. 8.3.) является аддитивной, т.е. в ней любой цвет представляет собой сочетание в различных пропорциях трех основных цветов — красного (Red), зелёного (Green) и синего (Blue). Модель является основной при создании и обработке графических изображений, предназначенных для их воспроизведения в проходящем свете, например в проекторах, на экранах мониторов или телевизоров.

Если представить модель RGB в трехмерной системе координат в виде куба, у которого любая координата отражает вклад каждой основной составляющей в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения, то внутри этого куба и будут располагаться все оттенки, образующие цветовое пространство модели.

Начало координатной системы, где все составляющие равны нулю, соответствует черному цвету (излучение отсутствует). Вершина куба, где все составляющие имеют максимальное значение, образует белый цвет. На диагонали между черным и белым цветами, где все три составляющих одинаковы и находятся в диапазоне от нуля до максимального значения, располагаются все серые оттенки (обычно 256 градаций). Три вершины куба дают чистые исходные цвета, а остальные три отражают их парные смешения.

Цветовая модель CMYK.

Несветящиеся объекты поглощают часть спектра белого света, отражая цвета, определяющие окраску этих объектов. Цвета, которые образуются из белого света путем вычитания из него определенных участков спектра, называются субтрактивными. Для их описания используется модель CMY (Cyan—голубой, Magenta — пурпурный (малиновый), Yellow— желтый) (рис. 8.4.). Основные цвета этой модели образуются путем вычитания из белого цвета основных аддитивных цветов модели RGB:

§ голубой = белый – красный = = зеленый + синий;

§ пурпурный = белый – зеленый = = красный + синий;

§ желтый = белый – синий = = красный + зеленый.

Таким образом, при смешении максимальных значений всех трех компонентов должен получиться черный цвет. При полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) образуется белый цвет (белая бумага). Смешение равных значений трех компонентов даёт оттенки серого цвета. Модель CMY является основной в полиграфической деятельности. При печати красками основных цветов этой модели большая часть видимого цветового спектра может быть репродуцирована на бумаге.

Однако реальные цвета красок из-за наличия в них примесей не полностью соответствуют теоретическим, что осложняет задачу получения чистого черного цвета. Поэтому в число основных полиграфических красок (и в модель CMY) была внесена черная краска, что привело к появлению в название модели буквы К — CMYK (от англ. blacK — черный). Как и для модели RGBколичество каждого основного компонента в цветовом оттенке модели CMYK может быть выражено в процентном соотношении или в градациях от 0 до 255.

Для печати на полиграфическом оборудовании цветное компьютерное изображение предварительно разделяется на составляющие его части, содержащие основные компоненты модели CMYK. Этот процесс называют цветоделением. В итоге получается четыре отдельных цветоделённых изображения оригинала, с которых затем в типографии методом наложения и печатается результирующее многоцветное изображение.

Цветовая модель HSB.

Цветовая модель HSB разработана с максимальным учетом особенностей восприя­тия цвета человеком. В ней цвет описывается тремя компонентами: тоном (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness).

Примечание.

Тон— это конкретный оттенок цвета. Насыщенность характеризует его интенсивность (чистоту). Яркость же зависит от доли черной составляющей в данном цвете. Встречается и другое обозначение системы HSB — HSL (Hue, Saturation, Light — тон, насыщен­ность, освещённость).

Модель HSB основана на цветах модели RGB, но имеет другую систему координат (рис. 8.5.). Любой цвет в ней задаётся вектором(А), выходящим из центрацветового круга, при этом сам центр соответствует белому цвету, а точки на окружности (В) — чистым цветам. Направление вектора определяет тон (цветовой оттенок) и задается в угловых градусах (от 0 до 360). Длина вектора определяет насыщенность цвета.

Все цвета цветового круга имеют максимальную яркость (100%) вне зависимости от тона. Уменьшение яркости цвета означает его затемнение. Чтобы отобразить это на модели, требуется новая координата. В результате получается цилиндр, который образуется из серии кругов с уменьшающейся яркостью, при этом самый нижний круг (С) будет соответствовать черному цвету.

Модель HSB ориентирована не на обработку готовых, а на создание новых компьютерных изображений, причем, как правило, с использованием элементов имитации инструментария и приемов работы художника. Модель поддерживается многими современными графическими редакторами, её цветовой охват перекры­вает все известные значения реальных цветов. После создания изображения его рекомендуется преобразовывать в другую цветовую модель в зависимости от дальнейшего способа использования, например, в RGB — при выводе на экран монитора, в CMYK — для печати на полиграфическом оборудовании.

Цветовая модель CIE Lab.

Модели RGB и CMYK являются аппаратно-зависимыми (в RGB значения базовых цветов определяются, как правило, качеством мониторов, в CMYK — особенностями печатного процесса и качеством реальных красок). При этом актуальной является задача описания цветов, не зависящего от аппаратуры, на которой эти цвета получены.

Примечание.

Цвет — это воспринимаемая характеристика, зависящая от наблюдателя и окружающих условий, поэтому дать полностью объективное его определение не представляется возможным.

Но если восприятие цвета зависит от наблюдателя и условий наблюдения, то, по крайней мере, можно стандартизировать эти условия. Международной Комиссией по Освещению (CIE — Communication Internationale de l'Eclairage) такие условия наблюдения цветов были стандартизированы, а также были проведены исследования цветового восприятия у большой группы людей, что привело в результате к экспериментальному определению базовых компонентов новой цветовой моделиCIE Lab. Эта модель аппаратно независима, поскольку описывает цвета так, как они воспринимаются человеком, точнее «стандартным наблюдателем CIE». В этой модели любой цвет однозначно определяется его светлотой L и двумя хроматическими компонентами— параметром а, изменяющимся в диапазоне от зеленого цвета до красного, и параметром b с диапазоном изменения от синего цвета до желтого. Яркость в Lab полностью отделена от цвета. Это делает модель удобной для регулирования контраста, резкости и других тоновых характеристик изображения.

Примечание.

Модель Labдовольно сложна для практического освоения, зато её ценность как аппаратно-независимой модели нашла свое практическое применение в графическом пакете Adobe Photoshop. Она служит ядром систем управления цветом и применяется как промежуточная (скрыто от пользователя) при каждом преобразовании других цветовых моделей.