Цветовой и динамический диапазоны

Для эффективной организации передачи информации между различными устрой- ствами,  входящими  в  состав  издательских  систем,  важно  понимать  разницу  между

цветовым и динамическим диапазонами.

Цветовой диапазон — диапазон цветов, которые могут восприниматься или вос-

производиться наблюдателем или приемным устройством.

Динамический диапазон характеризует различие между наиболее светлым и наи-

более темным элементами в изображении или в поле зрения.

Человеческое зрение имеет широчайший цветовой и динамический диапазон. Глаз

человека способен различать градации миллионных долей яркости.

Компьютерные устройства имеют сравнительно узкие цветовой и динамический

диапазоны. Кроме того, имеются различия в характеристиках разных устройств. Например, цветовые и динамические диапазоны сканеров и мониторов шире, чем соответствующие диапазоны принтеров.

В совокупности цветовой и динамический диапазоны определяют область воспри-

нимаемых нами цветов и области цветов (цветовое пространство), в которых работают устройства ввода, вывода и обработки изображений. Для представления этих областей используются два способа:

1. В виде различных цветовых моделей.

2. С помощью набора цветов (палитр), доступных в системах соответствия цветов. Для каждой из таких систем - DIC, DuPont®, FOCOLTONE®, PANTO-NE®, TOYO и TRUMATCH®, — определены специальные цвета, которые можно выбирать по каталогам образцов. За исключением плашечных цветов палитры PANTONE®, эти системы подстановки цветов связываются с цветовыми моделями. Системы DIC и TOYO базируются на совместном использовании основных цветов и специальных красителей.

цветовые модели;

системы соответствия цветов; системы управления цветами.

Их обилие и внешняя схожесть могут смутить не только новичка в области обра-

ботки компьютерных изображений. Далее будет дано последовательное разъяснения смысла и назначения этих терминов.

Для характеристики цвета используются следующие атрибуты.

1. Цветовой тон. Его можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого — например, зеленый от красного, желтого и других.

2. Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения.

Выражает количество воспринимаемого света.

3. Насыщенность или чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному цвету добавить в определенной пропорции белый цвет  (у художников это  называется "разбелом"), то получится светлый бледно-красный цвет.

Укачанные  три  атрибута  позволяют  описать  все  цвета  и  оттенки.  То,  что  атрибутов

именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета. Далее мы увидим, что имеются и другие трехмерные системы описания цвета.

Мы попытались объяснить цвет с помощью длин волн и спектра. Как оказывается, это неполное представление о цвете, а вообще говоря, оно неправильное. Во-первых, глаз

человека - это не спектрометр. Зрительная система человека, скорее всего, регистрирует на длину волны и спектр, а формирует ощущения другим способом. Во-вторых, без учета

особенностей человеческого восприятия невозможно объяснить смешение цветов. Например, белый цвет действительно можно представить равномерным спектром смеси

бесконечного множества монохроматических цветов. Однако тот же белый цвет можно создать смесью всего двух специально подобранных монохроматических цветов (такие

цвета называются взаимно дополнительными), Во всяком случае, человек воспринимает эту  смесь  как  белый  цвет.  А  можно  получить  белый  цвет,  смешав  три  нам  более

монохроматических излучений. Излучения, различные по спектру, но дающие один и тот же цвет, называются метамерными.

Необходимо также уточнить, что понимается под цветовым тоном. Рассмотрим два примера спектра (рис. 6.13).

Рис. 6.13. Спектры: а - в сплошном спектре имеется явное преобладание одной составляющей: б - в дискретном спектре две составляющие с одинаковой интенсивностью

Анализ спектра, изображенного на рис. 6.13 (a), позволяет утверждать, что излучение имеет светло-зеленый цвет, поскольку четко выделяется одна спектральная линия на фоне равномерного спектра белого. А какой цвет (цветовой тон) cooтвeтствует спектру варианта (б)? Здесь нельзя в спектре преобладающую составляющую, поскольку присутствуют красная и зеленая линии одинаковой интенсивности. По законам смешения цветов, это может дать оттенок желтого цвета — однако в спектре нет соответствующей линии монохроматического желтого. Поэтому, под цветовым тоном следует понимать цвет монохроматического излучения, соответствующего суммарному цвету смеси. Впрочем, как именно соответствующего" — это также требует уточнения.

Наука,  которая  изучает  цвет  и  его  измерения,  называется  колориметрией.  Она

описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком. Одними из основных законов колориметрии являются законы смешивания цветов. Эти законы в наиболее полном виде были сформулированы в 1853 году немецким математиком Германом Грассманом.

1. Цвет - трехмерен, для его описания необходимы три компонента. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно-независимых совокупностей из трех цветов.

Другими словами, для любого заданного цвета (Ц) можно записать такое цветовое

уравнение, которое выражает линейную зависимость цветов:

Ц=к1Ц1+ к2Ц2 + к3Ц3,

где Ц1, Ц2 ,Ц3 - некоторые базисные, линейно-независимые цвета, коэффициенты к1, к2 и к3 указывают количество соответствующего смешиваемого цвета, Линейная независимость цветоа Ц1, Ц2, Ц3 означает, что ни один из них не может быть выражен взвешен ной суммой (линейной комбинацией) двух других. Первый закон можно трактовать и в более широком смысле, а именно, в смысле трехмерности цвета. Необязательно для описания цвета использовать смесь других цветом можно применять и другие компоненты, но их обязательно должно быть три.

2. Если в смеси трех цветовых компонентов один меняется непрерывно, в то время как два других остаются постоянными, цвет смеси также изменяете непрерывно.

3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонентов и не зависит от их  спектральных  составов.  Смысл  третьего  закона  становится  более  понятным,  если

учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонентов) может быть  получен  разными  способами.  Например,  смешиваемый  компонент  может  быть

получен, в свою очередь, смешиванием  других компонентов.

На  теоретической  базе  этих  законов  существуют  все  современные  цветовые

модели.

Типы цветовых моделей

Большинство графических пакетов позволяют оперировать широким кругом цве-

товых моделей, часть из которых создана для специальных целей, а другая - для особых типов красок. Перечислим их:

• CMY;

• CMYK;

• RGB;

• HSB;

• HLS;

• Lab;

• YIQ;

• YCC.

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.

Перед тем как перейти к непосредственному рассмотрению конкретных цветовых моделей, уделим немного внимания общим физическим закономерностям, свойственным природе цвета.

Эта модель используется для описания цветов, которые могут быть получены с

помощью устройств, основанных на принципе излучения. В качестве основных цветов берется красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Другие цвета и оттенки могут быть получены смешиванием определенного количества любого из основных цветов.

Аддитивные цветовые модели

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 (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практи- чески 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. На рис. 6.14 приведена схема получения новых цветов на базе двух первичных путем использования источников зеленого и красного цветов, интенсивностью каждого из которых можно управлять с помощью фильтра. Можно увидеть, что равные пропорции первичных цветов дают желтый цвет (1, 2); снижение в смеси интенсивности зеленого цвета при той же интенсивности красного позволяет синтезировать оранжевый цвет (3, 4); подобные колометрические схемы позволяют создать желтый и оранжевый цвета в виде геометрического места цветовых точек — локуса (2,4). Однако таким способом нельзя получить некоторые цвета, например голубой, для создания которого требуется наличие третьего первичного цвета — синего.

Рис. 6.14. Аддитивный синтез новых цветов на базе разного процентного соотношения двух первичных цветов - красного и зеленого.

Аддитивные цвета нашли широкое применение в системах освещения, видеосисте- мах, устройствах записи на фотопленку, мониторах, сканерах и цифровых камерах.

Используемые  для  построения  RGB-модели  первичные,  или  аддитивные,  цвета

имеют еще одно название. Иногда, чтобы подчеркнуть тот факт, что при добавлении света интенсивность цвета увеличивается, эту модель называют добавляющей. Такое обилие терминов, используемых для описания RGB-модели, связано с тем, что она возникла задолго до появления компьютера и каждая область ее применения внесла свой вклад в терминологию.

.

Рис. 6.15. Представление RGB-модели в виде куба: 1 - схема модели; 2 - практическая реализация модели в пакете Corel PHOTO-PAINT

Рис. 6.16. Модель Т. Юта

RGB - модель

Вкратце история модели RGB такова. Томас Ют (1773-1829) взял три фонаря и

приспособил к ним красный, зеленый и синий светофильтры. Так были получены источники света соответствующих цветов. Направив на белый экран свет этих трех источников, ученый получил такое изображение (рис. 6.16). На экране свет от источников давал цветные круги. В местах пересечения кругов наблюдалось смешивание цветов. Желтый цвет давало смешивание красного и зеленого, голубой — смесь зеленого и синего, пурпурный — синего и красного, а белый цвет образовался смешением всех трех основных цветов. Некоторое время спустя, Джемс Максвелл (1831-1879) изготовил первый колориметр, с помощью которого человек мог сравнивать монохроматический цвет и цвет смешивания в заданной пропорции компонентов RGB. Регулируя яркость любого из смешиваемых компонентов, можно добиться уравнивания цветов смеси и монохроматического излучения. Это описывается следующим образом:

Ц = rR + gG +  bB ,

где r, g и b — количество соответствующих основных цветов. Эта модель используется для описания цветов, которые могут быть получены с помощью устройств, которые основаны на принципе излучения. В качестве основных цветов выбран красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Другие цвета й оттенки могут быть получены смешиванием определенного количества основных цветов.

Соотношение коэффициентов r, g и b Максвелл наглядно показал с помощью треугольника, со временем названного его именем. Треугольник Максвелла является равносторонним, в его вершинах располагаются основные цвета — R , G и В (рис. 6.17). Из заданной точки проводятся линии, перпендикулярные сторонам треугольника. Длина каждой линии и показывает соответствующую величину коэффициента г, g или b. Одинаковые значения r=g =b имеют место в центре треугольника и соответствуют белому цвету.  Следует  также  указать,  что  некоторые  цвета  отображаются  точками  вне

треугольника RGB, — это означает отрицательное значение соответствующего цветового коэффициента. Сумма коэффициентов равняется высоте треугольника, а при высоте, равной единице, составляет r +g+ b= 1.

В качестве основных цветов, Максвелл использовал излучения с такими длинами волн: 630, 528 и 457 им.

Рис. 6.17. Треугольник Максвелла

К настоящему времени система RGB — это официальный стандарт. Решением Международной Комиссии по Освещению — МКО (CIE — Commision International de VEclairage) в 1931 году были стандартизированы основные цвета, которые было рекомендовано использовать в качестве R, G и В. Это монохроматические цвета светового излучения с длинами волн соответственно:

R — 700 нм, G — 546.1 нм, В — 435.8 нм.

Красный  цвет  получается  с  помощью  лампы  накаливания  с  фильтром.  Для

получения чистых зеленых и синих цветов используется ртутная лампа. Также стандартизировано значение светового потока для каждого основного цвета.

Еще одним важным параметром для системы RGB является цвет, полученный после смешивания трех компонентов в равных количествах. Это белый цвет. Оказывается,

для того, чтобы смешиванием компонентов R,G, и B получить белый цвет, яркости соответствующих источников не должно быть равным, и должны находиться в пропорции

Рис. 6.18. Трехмерные координаты RGB

LR :L G :LB =1:4,5907:0,0601

Если расчеты цвета делаются для источников излучения с одинаковой яркостью, то

указанное соотношение яркостей можно учесть соответствующими масштабными коэффициентами.

Теперь  рассмотрим  другие  аспекты.  Цвет,  создаваемый  смешиванием  трех основных компонентов, можно представить вектором в трехмерной системе координат R,

G и В, изображенной на рис. 6.18. Черному цвету соответствует центр координат - точка (0,0,0).  Белый  цвет  выражен  максимальным  значением  компонентов.  Пусть  это

максимальное значение вдоль каждой оси равняется единице. Тогда белый цвет - это вектор (1,1,1). Точки,  которые лежат на диагонали куба от черного  к белому,  имеют

одинаковые значения координат: R1=G1=B1. Это градации серого - их можно считать белым цветом разной яркости. Следовательно, если все компоненты вектора (r ,g ,b) умножить на одинаковый коэффциент (k=0..1...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:

r' =

r  , r' =

r  , r' =  r  ,

r g b

r g b

r g b

то можно записать такое цветовое уравнение

Ц=r' R + g' G + b'  B.

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

Максвелла.

В ходе колориметрических экспериментов были определены коэффициенты (r' , g', b'),  это призма из белого гипса, грани которой освещаются источником света. На левую

грань направлен  источник  чистого  монохромотического  излучения,  а  правая  грань

освещается смесью трех источников RGB. Наблюдатель видит одновременно две грани, что позволяет фиксировать равенство цветов.

Результаты экспериментов можно изобразить графически (рис.6.19).

Как видим, коэффициенты r', g', b' могут быть и положительными, и отрицательными,  суммой  компонентов  R,G,B.  Но  как  отнять  то,  чего  нет?  Для

уравнивания  цвета  пришлось  прибавить  к  монохроматическому  излучению  один  из

компонентов  R,G или  B.  Например,  если монохромическое излучение для некоторого значения              разбавлялось красным, то это можно выразить так:

Ц( )+r’( )R=g’( )G+b’( )B

Как оказалось, ни один цвет монохромотического излучения не может быть

Рис. 6.19. Трехцветные коэффициенты смешивания RGB

представлен только положительными значениями коэффициентов смешивания. Это наглядно можно изобразить с помощью цветового графика, построенного на основе треугольника Максвелла (рис.6.20). Верхняя часть кривой линии соответствует чистым монохромотическим цветам, а нижняя линия - от 380 нм до 780 нм - представляет так называемые пурпурные цвета (смесь синего и красного), которые не являются монохромотическими. точки, которые лежат внутри контура кривой, соответствуют реальным цветам, а вне этого контура - нереальным цветам. Точки внутри треугольника

соответствуют положительным значениям коэффициентов r'  ,g'  ,b'  и представляют цвета,

которые можно получить смешиванием компонентов RGB.

Рис. 6.20. Цветовой график RGB

Таким  образом,  система  RGB  имеет  неполный  цветовой  охват  -  некоторые

насыщенные цвета не могут быть представлены смесью указанных трех компонентов. В первую очередь, это цвета от зеленого к синему, включая все оттенки голубого - они соответствуют левой части кривой цветового графика. Ещѐ раз подчеркнем, что речь здесь идет о насыщенных цветах, так как ненасыщенные голубые цвета получить можно смешиванием компонентов RGB. Несмотря на неполный охват, система RGB широко используется в данное время - в первую очередь, в цветных телевизорах и дисплеях компьютеров. Отсутствие некоторых оттенков цвета не слишком заметно.

Ещѐ одним фактором, способствующим популярности системы RGB, является ее

наглядность - основные цвета находятся в трех четко различимых участках видимого спектра. Кроме того, одна гипотеза, объясняющих цветовое зрение человека - трехкомпонентная теория - утверждает, что в зрительной системе человека есть три типа светочувствительных элементов.

Один тип элементов реагирует на зеленый, другой тип - на красный, а третий тип - на синий цвет.

Такая  гипотеза  высказывалась  ещѐ  Ломоносовым,  еѐ  обоснованием  занимались многие  ученый,  начиная  с  Т.Юнга.  Впрочем,  трехкомпонентная  теория  не  является

единственной теорией цветового зрения человека.