Очень часто у людей, напрямую не связанных с полиграфическим дизайном, возникают вопросы "Что такое CMYK?", "Что такое Pantone?" и "почему нельзя использовать ничего, кроме CMYK?".

В этой статье постараемся немного разобраться, что такое цветовые пространства CMYK, RGB, LAB, HSB и как использовать краски Pantone в макетах.

Цветовая модель

CMY(K), RGB, Lab, HSB - это цветовая модель. Цветовая модель - термин, обозначающий абстрактную модель описания представления цветов в виде кортежей чисел, обычно из трёх или четырёх значений, называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами. Вместе с методом интерпретации этих данных множество цветов цветовой модели определяет цветовое пространство.

RGB - аббревиатура английских слов Red, Green, Blue - красный, зелёный, синий. Аддитивная (Add, англ. - добавлять) цветовая модель, как правило, служащая для вывода изображения на экраны мониторов и другие электронные устройства. Как видно из названия – состоит из синего, красного и зеленого цветов, которые образуют все промежуточные. Обладает большим цветовым охватом.

Главное, что нужно понимать, это то, что аддитивная цветовая модель предполагает, что вся палитра цветов складывается из светящихся точек. То есть на бумаге, например, невозможно отобразить цвет в цветовой модели RGB, поскольку бумага цвет поглощает, а не светится сама по себе. Итоговый цвет можно получить, прибавляя к исходномой черной (несветящейся) поверхности проценты от каждого из ключевых цветов.

CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, Key color - субтрактивная (subtract, англ. - вычитать) схема формирования цвета, используемая в полиграфии для стандартной триадной печати. Обладает меньшим, в сравнении с RGB, цветовым охватом.

CMYK называют субстрактивной моделью потому, что бумага и прочие печатные материалы являются поверхностями, отражающими свет. Удобнее считать, какое количество света отразилось от той или иной поверхности, нежели сколько поглотилось. Таким образом, если вычесть из белого три первичных цвета - RGB, мы получим тройку дополнительных цветов CMY. «Субтрактивный» означает «вычитаемый» - из белого вычитаются первичные цвета.

Key Color (черный) используется в этой цветовой модели в качестве замены смешению в равных пропорциях красок триады CMY. Дело в том, что только в идеальном варианте при смешении красок триады получается чистый черный цвет. На практике же он получится, скорее, грязно-коричневым - в результате внешних условий, условий впитываемости краски материалом и неидеальности красителей. К тому же, возрастает риск неприводки в элементах, напечатанных черным цветом, а также переувлажнения материала (бумаги).

В цветовом пространстве Lab значение светлоты отделено от значения хроматической составляющей цвета (тон, насыщенность). Светлота задана координатой L (изменяется от 0 до 100, то есть от самого темного до самого светлого), хроматическая составляющая - двумя декартовыми координатами a и b. Первая обозначает положение цвета в диапазоне от зеленого до пурпурного, вторая - от синего до желтого.

В отличие от цветовых пространств RGB или CMYK, которые являются, по сути, набором аппаратных данных для воспроизведения цвета на бумаге или на экране монитора (цвет может зависеть от типа печатной машины, марки красок, влажности воздуха на производстве или производителя монитора и его настроек), Lab однозначно определяет цвет. Поэтому Lab нашел широкое применение в программном обеспечении для обработки изображений в качестве промежуточного цветового пространства, через которое происходит конвертирование данных между другими цветовыми пространствами (например, из RGB сканера в CMYK печатного процесса). При этом особые свойства Lab сделали редактирование в этом пространстве мощным инструментом цветокоррекции.

Благодаря характеру определения цвета в Lab появляется возможность отдельно воздействовать на яркость, контраст изображения и на его цвет. Во многих случаях это позволяет ускорить обработку изображений, например, при допечатной подготовке. Lab предоставляет возможность избирательного воздействия на отдельные цвета в изображении, усилиения цветового контраста, незаменимыми являются и возможности, которые это цветовое пространство предоставляет для борьбы с шумом на цифровых фотографиях.

HSB - модель, которая в принципе является аналогом RGB, она основана на её цветах, но отличается системой координат.

Любой цвет в этой модели характеризуется тоном (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Тон - это собственно цвет. Насыщенность - процент добавленной к цвету белой краски. Яркость - процент добавленной чёрной краски. Итак, HSB - трёхканальная цветовая модель. Любой цвет в HSB получается добавлением к основному спектру чёрной или белой, т.е. фактически серой краски. Модель HSB не является строгой математической моделью. Описание цветов в ней не соответствует цветам, воспринимаемых глазом. Дело в том, что глаз воспринимает цвета, как имеющие различную яркость. Например, спектральный зелёный имеет большую яркость, чем спектральный синий. В HSB все цвета основного спектра (канала тона) считаются обладающими 100%-й яркостью. На самом деле это не соответствует действительности.

Хотя модель HSB декларирована как аппаратно-независимая, на самом деле в её основе лежит RGB. В любом случае HSB конвертируется в RGB для отображения на мониторе и в CMYK для печати,а любая конвертация не обходится без потерь.

Стандартный набор красок

В стандартном случае полиграфическая печать осуществляется голубой, пурпурной, желтой и черной красками, что, собственно и составляет палитру CMYK. Макеты, подготовленные для печати, должны быть в этом пространстве, поскольку в процессе подготовки фотоформ растровый процессор однозначно трактует любой цвет как составляющую CMYK. Соответственно, RGB-рисунок, который на экране смотрится очень красиво и ярко, на конечной продукции будет выглядеть совсем не так, а, скорее, серым и бледным. Цветовой охват CMYK меньше, чем RGB, поэтому все изображения, подготавливаемые для полиграфической печати, требуют цветокоррекции и правильной конвертации в цветовой пространство CMYK!. В частности, если вы пользуетесь Adobe Photoshop для обработки растровых изображений, следует пользоваться командой Convert to Profile из меню Edit.

Печать дополнительными красками

В связи с тем, что для воспроизведения очень ярких, "ядовитых" цветов цветового охвата CMYK недостаточно, в отдельных случаях используется печать CMYK + дополнительные (SPOT) краски . Дополнительные краски обычно называют Pantone , хотя это не совсем верно (каталог Pantone описывает все цвета, как входящие в CMYK, так и не содержащиеся в нем) - правильно называть такие цвета SPOT (плашечные), в отличие от смесевых, то есть CMYK.

Физически это означает, что вместо четырех печатных секций со стандартными CMYK-цветами используется большее их количество. Если печатных секций всего четыре, организовывается дополнительный прогон, при котором в уже готовое изделие впечатываются дополнительные цвета.

Существуют печатные машины с пятью печатными секциями, поэтому печать всех цветов происходит за один прогон, что, несомненно, улучшает качество приводки цвета в готовом изделии. В случае печати в 4 CMYK-секциях и дополнительным прогоном через печатную машину с плашечными красками цветосовпадение может страдать. Особенно это будет заметно на машинах с менее чем 4 печатными секциями - наверняка не раз вы видели рекламные листовки, где за края, к примеру, красивых ярко-красных букв может немного выступать желтая рамочка, которая есть ни что иное, как желтая краска из раскладки данного красивого красного цвета.

Подготовка макетов для полиграфии

Если вы готовите макет для печати в типографии и вами не оговорена возможность печати дополнительными (SPOT) красками, готовьте макет в цветовом пространстве CMYK, какими бы привлекательными вам не казались цвета в палитрах Pantone. Дело в том, что для имитации цвета Pantone на экране используются цвета, выходящие за пределы цветового пространства CMYK. Соответственно, все ваши SPOT-краски будут автоматически переведены в CMYK и результат будет совсем не таким, как вы ожидаете.

Если в вашем макете (при договоренности об использовании триады) все-таки есть не CMYK краски, будьте готовы к тому, что макет вам вернут и попросят переделать.

При составлении статьи за основу были взяты материалы с citypress72.ru и masters.donntu.edu.ua/

Восприятие цвета зависит от физических свойств света, то есть электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Эта проблема чрезвычайно широка, сложна и интересна. Мы рассмотрим наиболее важные понятия, основы связанных с цветом физических явлений, систем представления цвета и преобразований между ними.

Зрительная система человека воспринимает электромагнитную энергию с длинам волн от 400 до 700 нм как видимый свет (1 нм = 10 -9 м). Свет принимается либо непосредственно от источника, например электрической лампочки, либо косвенно при отражении от поверхности объекта или преломлении в нем.

Источник или объект является ахроматическим, если наблюдаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах. Ахроматический источник кажется белым, а отраженный или преломленный ахроматический свет — белым, черным или серым. Белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными — менее 3%. Промежуточные значения дают различные оттенки серого. Интенсивность отраженного света удобно рассматривать в диапазоне от 0 до 1, где 0 соответствует черному, 1 — белому, а промежуточные значения — серому цвету.

Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим (основное значение имеют слова «воспринимаемый» и «произвольные»). Некоторые смеси хроматических цветов могут восприниматься как ахроматические цвета). Если длины волн сконцентрированы у верхнего края видимого спектра, то свет кажется красным или красноватым, то есть доминирующая длина волны лежит в красной области видимого спектра. Если длины волн сконцентрированы в нижней части видимого спектра, то свет кажется синим или голубоватым, то есть доминирующая длина волны лежит в синей части спектра. Однако сама по себе электромагнитная энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Ощущение цвета возникает в результате преобразования физических явлений в глазу и мозге человека. Цвет объекта зависит от распределения длин волн источника света и от физических свойств объекта. Объект кажется цветным, если он отражает или пропускает свет лишь в узком диапазоне длин волн и поглощает все остальные. При взаимодействии цветов падающего и отраженного или пропущенного света могут получиться самые неожиданные результаты. Например, при отражении зеленого света от белого объекта и свет, и объект кажутся зелеными, а если зеленым светом освещается красный объект, то он будет черным, так как от него свет вообще не отражается.

Хотя трудно определить различие между светлотой и яркостью, светлота обычно считается свойством несветящихся или отражающих объектов и изменяется от черного до белого, а яркость является свойством самосветящихся или излучающих объектов и изменяется в диапазоне от низкой до высокой.

Светлота или яркость объекта зависит от относительной чувствительности глаза к разным длинам волн. Из видно, что при дневном свете чувствительность глаза максимальна при длине волны порядка 550 нм, а на краях видимого диапазона спектра она резко падает. Кривая на называется функцией спектральной чувствительности глаза. Это мера световой энергии или интенсивности с учетом свойств глаза.

Психофизиологическое представление света определяется цветовым тоном, насыщенностью и светлотой. Цветовой тон позволяет различать цвета, а насыщенность — определять степень ослабления (разбавления) данного цвета белым цветом. У чистого цвета она равна 100% и уменьшается по мере добавления белого. Насыщенность ахроматического цвета составляет 0%, а его светлота равна интенсивности этого света.

Психофизическими эквивалентами цветового тона, насыщенности и светлоты являются доминирующая длина волны, чистота и яркость. Электромагнитная энергия одной длины волны в видимом спектре дает монохроматический цвет. На изображено распределение энергии монохроматического света с длиной волны 525 нм, а на — для белого света с энергией E 2 и одной доминирующей длины волны 525 нм с энергией E 1 . На цвет определяется доминирующей длиной волны, а чистота — отношением E 1 и E 2 . Значение E 2 — это степень разбавления чистого цвета с длиной волны 525 нм белым: если E 2 приближается к нулю, то чистота цвета приближается к 100%, а если E 2 приближается к E 1 , то свет становится близким к белому и его чистота стремится к нулю. Яркость пропорциональна энергии света и рассматривается как интенсивность на единицу площади.

Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света служит предположение о том, что в центральной части сетчатки находятся три типа чувствительных к цвету колбочек. Первый воспринимает длины волн, лежащие в середине видимого спектра, то есть зеленый цвет; второй — длины волн у верхнего края видимого спектра, то есть красный цвет; третий — короткие волны нижней части спектра, то есть синий. Относительная чувствительность глаза () максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости (энергия в единицу времени), то свет кажется белым. Естественный белый свет содержит все длины волн видимого спектра; однако ощущение белого света можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Это возможно благодаря физиологическим особенностям глаза, содержащего три типа колбочек. Такие три цвета называются основными.

В машинной графике применяются две системы смешения основных цветов: аддитивная — красный, зеленый, синий (RGB) и субтрактивная — голубой, пурпурный, желтый (CMY) (). Цвета одной системы являются дополнительными к другой: голубой — к красному, пурпурный — к зеленому, желтый — к синему. Дополнительный цвет — это разность белого и данного цвета: голубой это белый минус красный, пурпурный — белый минус зеленый, желтый — белый минус синий. Хотя красный можно считать дополнительным к голубому, по традиции красный, зеленый и синий считаются основными цветами, а голубой, пурпурный, желтый — их дополнениями. Интересно, что в спектре радуги или призмы пурпурного цвета нет, то есть он порождается зрительной системой человека.

Для отражающих поверхностей, например типографских красок, пленок и несветящихся экранов применяется субтрактивная система CMY. В субтрактивных системах из спектра белого цвета вычитаются длины волны дополнительного цвета. Например, при отражении или пропускании света сквозь пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра. Если получившийся свет отражается или преломляется в желтом объекте, то поглощается синяя часть спектра и остается только красный цвет. После его отражения или преломления в голубом объекте цвет становится черным, так как при этом исключается весь видимый спектр. По такому принципу работают фотофильтры.

Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся поверхностей, например экранов ЭЛТ или цветных ламп. Достаточно провести очень простой опыт, чтобы убедиться, что минимальное количество цветов для уравнения (составления) практически всех цветов видимого спектра равно трем. Пусть на некоторый фон падает произвольный монохроматический контрольный свет. Наблюдатель пытается опытным путем уравнять на фоне рядом с контрольным светом его цветовой фон, насыщенность и светлоту при помощи монохроматических потоков света разной интенсивности. Если используется только один инструментальный (уравнивающий) цвет, то длина волны у него должна быть такой же, как у контрольного. С помощью одного монохроматического инструментального потока света можно уравнять лишь один цвет. Однако, если не принимать в расчет цветовой тон и насыщенность контрольного света, можно уравнять цвета по светлоте. Эта процедура называется фотометрией.

Таким способом создаются монохроматические репродукции цветных изображений. Если в распоряжении наблюдателя есть два монохроматических источника, то он может уравнять большее количество контрольных образцов, но не все. Добавляя третий инструментальный цвет, можно получить почти все контрольные варианты, при условии, что эти три цвета достаточно широко распределены по спектру и ни один из них не является линейной комбинацией других, то есть что это основные цвета. Хороший выбор — когда первый цвет лежит в области спектра с большими длинами волн (красный), второй — со средними (зеленый) и третий — с меньшими длинами волн (синий). Объединение этих трех цветов для уравнивания монохроматического контрольного цвета математически выражается как C = rR + gG + bB, где C — цвет контрольного света; R, G, B — красный, зеленый и синий инструментальные потоки света; r, g, b — относительные количества потоков света R, G, B со значениями в диапазоне от 0 до 1.

Однако сложением трех основных цветов можно уравнять не все контрольные цвета. Например, для получения сине-зеленого цвета наблюдатель объединяет синий и зеленый потоки света, но их сумма выглядит светлее, чем образец. Если же с целью сделать его темнее добавить красный, то результат будет светлее, потому что световые энергии складываются. Это наводит наблюдателя на мысль: добавить красный свет в образец, чтобы сделать его светлее. Такое предположение действительно срабатывает, и уравнивание завершается. Математически добавление красного света к контрольному соответствует вычитанию его из двух других уравнивающих потоков света. Конечно, физически это невозможно, потому что отрицательной интенсивности света не существует. Математически это записывается как C + rR = gG + bB или C = -rR + gG + bB.

На показаны функции r, g, b уравнения по цвету для монохроматических потоков света с длинами волн 436, 546 и 700 нм. С их помощью можно уравнять все длины волн видимого спектра. Обратите внимание, что при всех длинах волн, кроме окрестности 700 нм, одна из функций всегда отрицательна. Это соответствует добавлению инструментального света к контрольному. Изучением этих функций занимается колориметрия.

Наблюдатель также замечает, что при удвоении интенсивности контрольного света интенсивность каждого инструментального потока света также удваивается, то есть 2C = 2rR + 2gG + 2bB. Наконец, оказывается, что один и тот же контрольный свет уравнивается двумя разными способами, причем значения r, g и b могут быть неодинаковыми. Инструментальные цвета для двух разных наборов r, g и b называются метамерами друг друга. Технически это означает, что контрольный свет можно уравнять различными составными источниками с неодинаковым спектральным распределением энергии. На изображены два сильно отличающихся спектральных распределения коэффициента отражения, которые дают одинаковый средне-серый цвет.

Результаты проведенных опытов обобщаются в законах Грассмана:

• глаз реагирует на три различных стимула, что подтверждает трехмерность природы цвета. В качестве стимулов можно рассматривать, например, доминирующую длину волны (цветовой фон), чистоту (насыщенность) и яркость (светлоту) или красный, зеленый и синий цвета;
• четыре цвета всегда линейно зависимы, то есть cC = rR + gG + bB, где c, r, g, b <> 0. Следовательно, для смеси двух цветов (cC) 1 и (cC) 2 имеет место равенство (cC) 1 + (cC) 2 = (rR) 1 + (rR) 2 + (gG) 1 + (gG) 2 - (bB) 1 + (bВ) 2 . Если цвет C 1 равен цвету C и цвет C 2 равен цвету C, то цвет C 1 равен цвету C 2 независимо от структуры спектров энергии C, C 1 , C 2 ;
• если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие остаются постоянными, то цвет смеси будет меняться непрерывно, то есть трехмерное цветовое пространство непрерывно.

Из опытов, подобных данному, известно, что зрительная система способна различать примерно 350000 цветов. Если цвета различаются только по тонам, то в сине-желтой части спектра различными оказываются цвета, у которых доминирующие длины волн отличаются на 1 нм, в то время как у краев спектра — на 10 нм. Четко различимы примерно 128 цветовых тонов. Если меняется только насыщенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов. Существует 16 степеней насыщенности желтого и 23 — красно-фиолетового цвета.

Трехмерная природа света позволяет отобразить значение каждого из стимулов на оси ортогональной системы (). При этом получается трехкомпонентное цветовое пространство. Любой цвет C можно представить как вектор c составляющими rR, gG и bB. Подробное описание трехмерного цветового пространства дано в работе Мейера. Пересечение вектора C с единичной плоскостью дает относительные веса его красной, зеленой и синей компонент. Они называются значениями или координатами цветности: r" = r/(r + g + b), g" = g/(r + g + b), b" = b/(r + g + b).

Следовательно, r" + g" + b" = 1. Проецируя единичную плоскость, получаем цветовой график (). Он явно отображает функциональную связь двух цветов и неявно — связь с третьим, например b" = 1 - r" - g". Если функции уравнивания по цвету () перенести в трехмерное пространство, то результат не будет целиком лежать в положительном октанте. В проекции на плоскость также будут присутствовать отрицательные значения, а это осложняет математические расчеты.

В 1931 г. в Англии состоялось заседание Международной комиссии по освещению (МКО) (Commission International de l"Eclairage), на котором обсуждались международные стандарты определения и измерения цветов. В качестве стандарта был выбран двумерный цветовой график МКО 1931 г. и набор из трех функций реакции глаза, позволяющий исключить отрицательные величины и более удобный для обработки. Основные цвета МКО получены из стандартных функций реакции глаза ().

Гипотетические основные цвета МКО обозначаются X, Y, Z . На самом деле они не существуют, так как без отрицательной части они не могут соответствовать реальному физическому свету. Треугольник XYZ был выбран так, чтобы в него входил весь видимый спектр. Координаты цветности МКО таковы: x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z), z = Z/(X + Y + Z) и x + y + z = 1 (*). При проекции треугольника XYZ на плоскость xy получается цветовой график МКО. Координаты цветности x и y представляют собой относительные количества трех основных цветов XYZ, требуемые для составления любого цвета. Однако они не задают яркость (интенсивность) результирующего цвета. Яркость определяется координатой Y, а X и Z подбираются в соответствующем масштабе. При таком соглашении (x, y, Y) определяют как цветность, так и яркость. Обратное преобразование координат цветности в координаты цвета XYZ имеет вид: X = x * (Y/y), Y = Y, Z = (1 - x - y) * (Y/y) (**).

Комиссия решила ориентировать треугольник XYZ таким образом, чтобы равные количества гипотетических основных цветов XYZ в сумме давали белый.

Цветовой график МКО 1931 г. показан на . Контур, напоминающий крыло, это геометрическое место точек всех видимых длин волн, то есть линия спектральных цветностей. Числа на контуре соответствуют длине волны в данной точке. Красный находится в нижнем правом углу, зеленый — вверху, а синий — в левом нижнем углу графика. Отрезок, соединяющий концы кривой, называется линией пурпурных цветностей. Кривая внутри контура соответствует цвету абсолютно черного тела при нагревании от 1000 o K до бесконечности. Пунктиром обозначена температура, а также направления, вдоль которых глаз хуже всего различает изменение цвета. Опорный белый — это точка равных энергий E(x = 0.333, y = 0.333), а стандартные источники МКО — A(0.448, 0.408), B(0.349, 0.352), C(0.310, 0.316), D 6500 (0.313, 0.329). Источник A аппроксимирует теплый цвет газонаполненной лампы накаливания с вольфрамовой нитью при 2856 o K. Он намного «краснее» остальных. Источник B соответствует солнечному свету в полдень, а C — полуденному освещению при сплошной облачности. Источник C принят в качестве опорного белого цвета Национальным комитетом по телевизионным стандартам (NTSC). Источник D 6500 , соответствующий излучению абсолютно черного тела при 6504 o K, несколько зеленее. Он применяется в качестве опорного белого цвета во многих телемониторах.

Как видно , цветовой график очень удобен. Чтобы получить дополнительный цвет, нужно продолжить прямую, проходящую через данный цвет и опорный белый, до пересечения с другой стороной кривой. Например, дополнительным к красно-оранжевому цвету C 4 (l = 610 нм) является сине-зеленый цвет C 5 (l = 491 нм). При сложении в определенной пропорции цвета и его дополнения получается белый. Для того чтобы найти доминирующую длину волны цвета, нужно продолжить прямую, проходящую через опорный белый и данный цвет, до пересечения с линией спектральных цветностей. Например, на доминирующая длина волны цвета C 6 равна 570 нм, то есть она желто-зеленая. Если прямая пересекает линию пурпурных цветностей, то у этого цвета нет доминирующей длины волны в видимой части спектра. В этом случае она определяется как дополнительная доминирующая длина волны с индексом «c», то есть прямая продолжается от цвета через опорный белый в обратном направлении. Например, доминирующая длина волны цвета C 7 на равна 500 нм.

Чистые или полностью (на 100%) насыщенные цвета лежат на линии спектральных цветностей. Опорный белый считается полностью разбавленным, то есть его чистота равна 0%. Чтобы вычислить чистоту промежуточных цветов, надо найти отношение расстояния от опорного белого до данного цвета к расстоянию от опорного белого до линии спектральных или пурпурных цветностей. Например, чистота цвета C 6 на равна a/(a + b), а C 7 равна c/(c + d).

Координаты цветности МКО для смеси двух цветов определяются по законам Грассмана сложением основных цветов. Смесь цветов C 1 (x 1 , y 1 , z 1) и C 2 (x 2 , y 2 , z 2) является C 12 = (x 1 + x 2) + (y 1 + y 2) + (z 1 + z 2).

Пользуясь вышеприведенными уравнениями (*) и (**) и введя обозначения T 1 = Y 1 /y 1 , T 2 = Y 2 /y 2 , получаем координаты цветности смеси: x 12 = (x 1 T 1 + x 2 T 2)/(T 1 + T 2), y 12 = (y 1 T 1 + y 2 T 2)/(T 1 + T 2), Y 12 = Y 1 + Y 2 . Этим способом можно сложить и большее количество цветов, если последовательно добавлять в смесь новые цвета.

На изображен график цветности МКО с названиями обычных воспринимаемых цветов. В надписях на маленьким буквам в сокращенных названиях цветов соответствует суффикс «-оват», например yG это желтовато -зеленый (yellowish -green). Каждый цвет на своем участке меняет насыщенность или чистоту от почти нулевой около источника (пастельный цвет) до полной (сочной) у линии спектральных цветностей. Обратите внимание, что оттенки зеленого занимают почти всю верхнюю часть графика, а красные и синие собраны внизу у линии пурпурных цветностей. Поэтому равные площади и расстояния на графике не соответствуют одинаковым различиям восприятия. Для того чтобы исправить этот недостаток, было предложено несколько преобразований этого графика.

Цветное телевидение, кино, многокрасочная типографская печать и т. д. не покрывают весь диапазон или охват цветов видимого спектра. Цветовой охват, который можно воспроизвести в аддитивной системе — это треугольник на графике МКО с вершинами в основных цветах RGB. Любой цвет внутри треугольника можно получить из основных цветов. На и в таблице показан цветовой охват для основных цветов RGB при обычном мониторе на ЭЛТ и в стандарте NTSC. Для сравнения изображена также субтрактивная цветовая система CMY, приведенная к координатам МКО, которая применяется в цветном кино. Обратите внимание, что ее охват не имеет треугольной формы и что он шире, чем охват у цветного монитора; то есть некоторые цвета, полученные на кинопленке, нельзя воспроизвести на телеэкране. Кроме того, показаны основные цвета МКО XYZ, лежащие на линии спектральных цветностей: красный — 700 нм, зеленый — 543.1 нм, синий — 435.8 нм. С их помощью были получены уравнивающие функции на .

Цветовой график системы XYZ

Рисунок 52 - Цветовой график системы XYZ

Точка Е - равноинтенсивный (равностимульный) белый цвет. Точки А и В - некоторые цвета.

§ Преобладающая длина волны (λ d) на цветовом графике системы XYZ

Чтобы определить преобладающую длину волныλ d для некоторого заданного цвета А,необходимо из точки Е через точку цвета провести луч до пересечения с границей поля реальных цветов. Для нахождения длины волны дополнительного цвета λ с, луч проводят в противоположную сторону, так же до пересечения с границей поля реальных цветов.

Отметим важные особенности пурпурных цветов :

(1) Если точка λ с принадлежит линии пурпурных цветов, то для такого цвета дополнительного не существует

(2) Пурпурные цвета являются сложными (представляют собой смесью красных и фиолетовых цветов), поэтому их характеризуют особым образом. Для нахождения λ d луч направляют не к линии пурпурных цветов, а в противоположную сторону, в сторону спектрального локуса. При этом, рядом с найденным числом ставится знак « / » или «–». Например, для точки В: «λ d = – 506 нм» или «λ d / = 506 нм».

§ Колориметрическая чистота (P К) на цветовом графике системы XYZ

Колориметрическая чистота некоторого цвета А (см. рисунок 9.7) определяется его удаленностью от точке белого цвета Е: чем точка А ближе к точке Е, тем чистота меньше , и наоборот, чем точка А ближе к спектральному локусу , тем чистота больше . По известным координатами цветности {x,y}, колориметрическая чистота вычисляется следующим образом:

- через координаты «х» (9.21)

- через координаты «y», (9.22)

где x l и y l - координаты спектрально - чистого цвета «λ d » того же тона, что и данный цвет (точка «преобладающей длины волны» для данного цвета»), для пурпурных цветов x λ и y λ берутся на линии пурпурных цветов;

x Е и y Е - координаты точки Е (так называемого «опорного белого цвета »),
обычно полагают x Е ≈y Е ≈1/3.

Итак, формула (9.21) или (9.22) позволяет выразить колориметрическую чистоту через координаты цветности. Для удобства вычислений, на цветовом графике обычно нанесены так называемые «линии равной условной чистоты» (другое название: «линии равной условной насыщенности »).

Условная насыщенность Р В вводится по формулам:

- через координаты «х» (9.23)

- через координаты «y» (9.24)

На рисунке 53Цветовой график системы XYZ с нанесенными линиями условной насыщенности

Сравнивая формулы для колориметрической чистоты (9.21) и (9.22) с формулами (9.23) и (9.24) для условной чистоты, получаем:

(9.25)

Рассмотрим два крайних случая использования формулы (9.25):

Для цветов, расположенных вблизи точки Е: Р в ≈ 0 Þ Р K ≈ 0.

Для цветов вблизи локуса: Р в ≈ 100%, y l /y ~1 Þ Р K ≈ 100%

Нетрудно заметить, что в приведенных примерах Р K ≈ Р в. Таким образом, для цветов с малой и с большой условной чистотой Р в колориметрическую чистоту цвета Р K можно приближено прировнять условной чистоте цвета.

§ Аддитивное сложение двух цветов на цветовом графике системы XYZ

Цвет аддитивной смеси двух излучений Ц лежит на отрезке, соединяющем точки смешиваемых цветов. Точка Ц разделяет отрезок Ц 1 Ц 2 на две части, длины которых обратно пропорциональны модулям смешиваемых цветов:

Рисунок 54 - Аддитивное сложение двух цветов на цветовом графике системы XYZ

«Первый цвет» Ц 1 → цветовой модуль «m 1»

«Второй цвет» Ц 2 → цветовой модуль «m 2 »

Ц = Ц 1 +Ц 2 – суммарный цвет:

Таким образом, чтобы получить цвет, обозначенный на цветовом графике точкой А, необходимо смешать спектрально-чистый цвет того же тона «l d » и белый цвет «Е» в соотношении:

Нахождение результата аддитивного смешивания двух цветов (в системе XYZ) (рисунок 54)

Отметим, что результат сложения нескольких цветов может быть найден и чисто аналитически, без использования цветового графика. Действительно, согласно свойствам цветовых векторов:

(9.26)

где X 1 , Y 1 , Z 1 - цветовые координаты первого из складываемых цветов (Ц 1),
X 2 , Y 2 , Z 2 - цветовые координаты второго из складываемых цветов (Ц 2),
X, Y , Z - цветовые координаты суммарного цвета (Ц= Ц 1 +Ц 2).

В нашем случае цвета заданы по-другому, своими координатами цветности : Ц 1 ®{x 1 , y 1 }, Ц 2 ®{x 2 , y 2 }. Поэтому перед тем как воспользоваться формулами (9.26), необходимо вычислить цветовые координаты {X i , Y i , Z i } для каждого из складываемых цветов, основываясь на знаниях об их «количестве».

Для простоты, предположим, что количества складываемых цветов заданы посредствам указания из цветовых модулей: Ц 1 ® m 1 , Ц 2 ®m 2 . Используя последовательно формулы (9.15) и (9.26) получаем:

(9.27)

где {x, y} - искомые координаты цветности суммарного цвета Ц.

4.3 Основы количественной колориметрии. Цветовой график МКО

Количественно оценивать любой цвет можно, исходя из явления смешения цветов. Все существующие цвета могут быть получены путем смешения трех взаимно независимых цветов - красного, зеленого и синего , взятых в определенных количествах. Эти основные цвета обозначают начальными буквами английских названий таких цветов:

R - красный (red), G - зеленый (green), В - синий (blue).

Световые потоки при смешивании образуют белый цвет (при определенной яркости и длинах волн R , G и B ).

C количественной точки зрения основные независимые цвета являются единичными.

Рисунок 55 – Гипсовая призма с полями сравнения

(простейший измерительный прибор)

Поля сравнения цветности и яркости - грани условной

белой призмы, освещенные монохроматическим цветным

излучением - Ц и тремя взаимно независимыми излучениями красного - R , зеленого - G и синего - B цветов

На рис. 55 показана гипсовая призма, грани которой условно названы полями сравнения (это простейший светоизмерительный прибор).

Одно из полей, освещенное каким-либо хроматическим цветом, обозначим буквой Ц , а второе - тремя основными цветами R, G, B.

Белый гипс неизбирательно отражает белый свет, поэтому первое поле сравнения будет иметь такой же цвет, как и освещающий его светопоток Ц , и будет иметь яркость, определяемую величиной светового потока, отраженного от этого поля сравнения.

Второе поле сравнения, освещенное цветами R, G, B , должно быть неотличимо от первого как по цветности (цветовой тон и чистота цвета), так и по яркости.

Условие тождественности обоих полей сравнения математически выражается формулой (см. рис 55, а):

Оба поля имеют одинаковую цветность и яркость, значит, и световые потоки, освещающие их, равны по величине и цветности.

Формула (1) - это цветовое уравнение, которое показывает, что для получения цвета, тождественного с цветом Ц, надо смешать

r" единиц красного цвета R, g" единиц зеленого цвета G" и b" единиц синего цвета B . Таким образом, r", g" и b" - это коэффициенты цветового уравнения , показывающие, сколько единиц каждого из основных цветов надо взять, чтобы получить данный цвет Ц. Эти коэффициенты называют координатами цвета (r", g", b" ). Произведения r"R, g"G, b"B являются составляющими цвета Ц и называются цветовыми составляющими.

Опыты смешения цветов показывают, что для целого ряда цветов Ц для получения равенства обоих полей сравнения по цветности и яркости к цвету Ц, освещающему одно из полей сравнения, необходимо добавить еще некоторое количество одного из основных цветов (см.рис. 55, б ).

Например, для одного из таких цветов Ц цветовое уравнение будет иметь вид:

Для каждого из таких цветов Ц тождественность полей сравнения получается только при одном определенном соотношении между r", g", b" , причем к одним из цветов Ц для получения цветового равенства полей сравнения необходимо прибавить определенное количество цвета R , к другим - цвета G , к третьим - цвета B .

Перенесем цветовую составляющую g"G (2) в правую часть

тождества:

При такой форме записи цветового уравнения одной из цветовых составляющих условно приписывается отрицательное значение.

Основные цвета R , G , B в принятой системе определения цветов являются постоянными , поэтому заданный цвет Ц определяется полностью (по цветности и яркости) координатами цвета r", g", b", являющимися переменными величинами .

Во многих случаях практика требует лишь качественной характеристики цвета излучения источника света или светового потока, отраженного от поверхности предмета. В этом случае удобно пользоваться относительными значениями координат цвета, являющимися отношением каждой из координат цвета r", g" и b" к их сумме r"+g"+b" .

Относительные значения координат цвета носят название координат цветности и обозначаются r, g, b:

Итак, качественная характеристика цвета (цветность) определяется тремя координатами цветности r, g, b, в сумме равными единице.

Исходя из этого любой цвет может быть изображен графически.

Как известно, алгебраическая сумма, т. е. с учетом знака (рис. 56) перпендикуляров,опущенных из любой точки, находящейся внутри или вне равностороннего треугольника, на его стороны, равна его высоте.

Возьмем высоту равностороннего треугольника, равную единице. Тогда сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри или вне его на его стороны, будет равна единице. Поскольку сумма координат цветности также равна единице, то каждый из перпендикуляров, опущенных из точки внутри (вне) равностороннего треугольника на его стороны, может представлять одну из координат цветности (см. рис. 53).

Рисунок 56 – Графическое изображение представления цвета с помощью треугольной модели

Изображение цвета с помощью цветового треугольника, в вершинах которого расположены основные цвета R , G , B

Исходя из этого любой цвет может быть изображен точкой внутри (или вне) равностороннего треугольника, имеющего высоту, равную единице.

В вершинах такого цветового треугольника расположены основные цвета R, G, B.

Все цвета, которые могут быть получены непосредственным смешением трех основных цветов R, G, B в соответствии с уравнением (1) размещаются внутри цветового треугольника), (рис. а ). Перпендикуляры, опущенные из точки Ц , которая изображена внутри треугольника, на его стороны, равны соответствующим координатам цветности и в сумме - единице.

Перпендикуляр, опущенный на сторону, лежащую против той вершины треугольника, где расположен цвет R , дает координату цветности r . Остальные перпендикуляры, опущенные на стороны треугольника, расположенные против вершин, в которых находятся цвета G и В , дают координаты цветности g и b . В этом случае все три координаты цветности r, g и b - п о л о ж и т е л ь н ы.

Те цвета, которые не могут быть получены непосредственным смешением цветов R, G и B, располагаются вне цветового треугольника (см. рис. 3, б ). В этом случае перпендикуляры, опущенные из точки цвета Ц на стороны треугольника, также равны соответствующим координатам цветности и в сумме - единице.

Однако, в отличие от варианта а), в варианте б) одна из координат цветности (-r ) о т р и ц а т е л ь н а. Этот случай соответствует уравнению (3).

В первой трехцветной международной колориметрической системе определения цветов RGB, построенной по изложенным выше принципам, в качестве основных цветов были взяты следующие величины монохроматических излучений:

- R (красный) - 700 нм,

- G (зеленый) - 546,1 нм,

- B (синий) - 435,8 нм.

Красный цвет был получен с помощью лампы накаливания и красного светофильтра, зеленый и синий цвета - путем выделения излучений с длинами волн 546,1 и 435,8 нм из спектра излучений ртутной лампы.

Трехцветной колориметрической системой была названа такая система определения цвета, которая основана на возможности воспроизведения данного цвета путем аддитивного смешения трех основных цветов R , G , и B .

Световые потоки единичных основных цветов R , G , и B подобраны так, чтобы при их смешении в центре равностороннего цветового треугольника получался белый цвет.

На сторонах цветового треугольника располагаются цвета, получающиеся в результате смешения цветов R , G , и B , находящихся в вершинах треугольника. На биссектрисах треугольника располагаются цвета, получающиеся при смешении каждого из основных цветов с белым цветом, находящимся в центре. Для того чтобы нанести на цветовой треугольник положение всех остальных спектральных цветов, необходимо знать значение цветности (координат цветности r, g, и b ) для всех спектральных цветов. Эти значения были в свое время получены в результате лабораторных исследований, которые заключались в уравнивании цвета двух полей сравнения при освещении одного из них последовательно спектральными монохроматическими излучениями всей видимой области спектра через интервал 5 нм, а второго - комбинациями основных цветов R , G , и B .

На рис. 57 показан цветовой треугольник с линией спектральных цветов по данным этих исследований. Цифрами вдоль линии спектральных цветов указаны длины волн (в нм) соответствующих спектральных цветов.

Рисунок 57 – цветовой треугольник с линией спектральных цветов

Все спектральные цвета, кроме основных R , G , и B , расположены здесь вне цветового треугольника, и, следовательно, для каждого из них одна из координат цвета является отрицательной.

Такой график носит название цветового графика . На линии, соединяющей красный цвет с длиной волны 700 нм и фиолетовый цвет с длиной волны 400 нм, расположены неспектральные, чистые пурпурные, цвета.

Таким образом, цветности всех цветов располагаются на цветовом графике на площади, ограниченной кривой спектральных цветов (в форме вытянутого языка) и прямой линией пурпурных цветов. Зная координаты цветности r", g" и b" какого-либо цвета (излучаемого или отражаемого), можно рассчитать координаты цвета [см. формулу (4)] и нанести цвет Ц1 на цветовой график.

На прямой линии, соединяющей белый цвет Е (в геометрическом центре треугольника BGR ) с цветом Ц1 и продолженной до линии спектральных цветов, будут расположены цвета, получаемые при смешении в разных пропорциях спектрального цвета (с цветовым тоном λ1) и белого цвета Е. Одним из таких цветов и является цвет Ц1. Все цвета, расположенные на прямой линии λ1E , имеют одинаковый цветовой тон λ1, но отличаются друг от друга по чистоте (насыщенности) цвета, т. е. по степени разбавленности белым цветом.

На линии спектральных цветов насыщенность цветового тона равна 100 %.

Для цвета Ц1 чистота цвета больше 0 и меньше 100 %. Любой цвет, имеющий чистоту менее 100 % (т. е. не являющийся спектральным), может быть получен смешением какого угодно множества пар цветов. Цвета, расположенные на кривой спектральных цветов, являются 100 %-ми насыщенными цветами спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) и смесями соседних цветов между собой. Пурпурные чистые цвета также определяются как 100 %-е насыщенные.

Все плюсы рассмотренной цветовой системы (в виде цветового графика), ее наглядность, доступность не исключают, однако, основного ее недостатка - наличия в ней отрицательных координат цветности , что значительно усложняет цветовые расчеты. Геометрически это обусловлено тем, что цветовой треугольник, построенный на основе цветов R , G и B , неизбежно оказывается внутри линии спектральных и пурпурных цветов.

Не представляется возможным построить цветовую систему, в которой отсутствовали бы отрицательные координаты цветности, путем применения в качестве основных цветов любых монохроматическихизлучений .

Недостатки такой системы определения цветов давно заставили ученых в области колориметрии работать над созданием более совершенной системы, свободной от отрицательных координат цветности.

И в 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) приняла и утвердила новую колориметрическую систему определения цвета - XYZ . Эта система, как и предыдущая, построена на основе трех основных цветов, условно названных X , Y и Z и являющихся в этой системе единичными. Вся область существующих цветов заключена здесь в н у т р и прямоугольного треугольника, в вершинах которого расположены основные цвета X , Y и Z . Цветовой график в этой системе помещается таким образом, что все координаты цветности для существующих цветов оказываются положительными. Выражение основных цветов X , Y и Z через цвета R , G и B осуществляется путем ряда математических преобразований. Единицам X, Y и Z не следует придавать здесь никакого иного смысла, кроме расчетного . Выражения для X , Y и Z получаются путем преобразования уравнений в колориметрической системе RGB . Цветовое уравнение описывает процесс смешения цветов. Любой существующий цвет Ц выражается в системе XYZ следующим образом:

Рисунок 58 - Расположение основных цветов X , Y и Z на цветовом графике системы RGB

Здесь, как и в системе RGB , x", y", z" являются координатами цвета.

Координаты цветности X, Y и Z выражаются через координаты цвета:

На основании значений координат цветности r, g и b были вычислены координаты цветности в колориметрической системе XYZ для всех спектральных цветов .

Независимыми, как следует из равенства X + Y + Z = 1, являются только две из трех координат цветности.

Цветовой график в системе XYZ получается на основе откладывания по оси ординат одной из координат цветности, а по оси абсцисс - другой из них для всех спектральных и наиболее чистых пурпурных цветов.

В колориметрической системе XYZ общепринятым является цветовой график, по оси ординат которого откладываются координаты цветности Y (вертикальная ось), а по оси абсцисс - координаты цветности X (горизонтальная ось).

Поскольку X + Y + Z = 1, то, зная координаты цветности X и Y , можно получить значение третьей координаты цветности Z путем вычитания из единицы суммы значения координат X и Y . Поэтому в этом графике можно обходиться лишь двумя координатами X и Y, что упрощает расчеты и схему самого графика.

Таким образом, стандартный график МКО XYZ представляет собой прямоугольную координатную сетку с осями X и Y прямоугольного треугольника (который сам по себе чаще всего и не показан на графике). Прямоугольная сетка представляет собой часть поля этого прямоугольника. Сетка по осям ординат и абсцисс через одно деление (может быть меньше или больше) имеет обозначения членений осей Y и X как десятых долей единицы.

В нижнем левом углу, где пересекаются (сходятся) оси Y и Х , - нулевое значение шкал отсчета, далее по оси ординат Y идут (через 1 квадрат) членения от 0,1 до 0,8, а по оси абсцисс Х - членения от 0,1 до 0,7.

На поле координатной сетки нанесена знакомая нам кривая линия спектральных цветов(напоминающая язык), замыкаемая в основании (под углом к оси Х ) прямой линией пурпурных цветов. Попериметру контура цветового графика нанесены значения цветовых тонов (в нм) в следующей последовательности: фиолетовый -в левом нижнем углу, над ним - синий, голубой, зеленый (за вершиной графика справа), желто-зеленый, желтый, оранжевый,красный.

А на прямом нижнем участке - условные значения длин волн ряда пурпурных цветов (со знаком " : 500" –560" ) от красного до фиолетового. В верхней части графика, где происходит переход от голубого к зеленому и от зеленого к желто-зеленому, он растянут (интервалы между значениями цветовых тонов больше). В левой и правой его частях, ближе к основанию, график сжат (значения цветовых тонов очень близко расположены друг к другу).

В середине поля графика расположена точка белого цвета Е . На прямых линиях, соединяющих белый цвет (Е) со спектральными цветами (на кривой линии) и с пурпурными цветами (на прямой линии), располагаются цвета ненасыщенные,получающиеся от смешения спектральных или пурпурных цветов с белым .

График МКО (как и цветовые круги) не дает картины смешения спектральных и пурпурных цветов с черным и серыми различной светлоты. Это присуще двухмерным цветовым моделям. В этом их недостаток. Полноту картины смешения всех цветов (хроматических с ахроматическими) дают лишь трехмерные модели (см. тему 5).

Рисунок 59 - Цветовой график МКО. Для определения доминирующей длины

волны (нм) спектральных цветов или дополнительной длины волны пурпурных цветов вдоль линии спектральных цветностей указаны длины волн

монохроматического цвета.

В качестве точки отсчета используется точка цветности для стандартного излучения (А , В , С , D 65 МКО) или для равноэнергетического света (Е ). На графике точка С - цветность излучения С МКО (дневной свет); точка Р - цветность пигмента кадмия красного (длина волны 605 нм). Чистота цвета - частное от деления отрезка СР на всю длину линии (до точки 605)

На рис. П.1.14 показан график МКО 1931 г. Точка С (внутри его поля) обозначает цветность излучения и подразумевает спектральный состав дневного рассеянного солнечного света. Новые стандарты излучений, разработанные МКО позднее, ввели, помимо С - дневного света, дополнительные обозначения:

- А МКО - свет лампы накаливания с вольфрамовой нитью, мощностью 500 Вт;

- В МКО - дневной свет - прямой солнечный свет (его спектральный состав).

Дальнейшие уточнения привели к появлению обозначений D МКО - это различные фазы дневного света: D 55, D 65 (спектральный состав типичного дневного света в диапазоне 300–830 нм), D 75. На координатной сетке графика МКО обозначения могут располагаться в разных местах, на соответствующем расстоянии от точки Е - равноэнергетического света (смешение всех спектральных цветов - белый цвет).

Таким образом, в современных графиках МКО, являющихся наглядным и удобным графическим средством исследований в области колориметрии и определения (расчета) цветов, в качестве точки отсчета используются точки цветности для различных фаз дневного света (рассеянного), прямого солнечного света и искусственного света (лампы накаливания 500 Вт), обозначаемые, как указано выше, буквами - A, B, C , D 55, D 65, D 75.

Это позволяет рассчитывать изменения того или иного цвета (как чистого насыщенного, так и смешанного, разбеленного) в зависимости от различного естественного или искусственного освещения , .

Лекция 5. Системы цветов в компьютерной графике

· Цветовая модель RGB

· Цветовая модель CMYK

· Цветовая модель HSB

· Цветовая модель HSL

· Цветовая модель CIE Lab

· Индексированные цвета

· Преобразование цветовых моделей

5.1 Понятие цветовой модели

Мир, окружающий человека, воспринимается по большей части цветным. Цвет имеет не только информационную, но и эмоциональную составляю­щую. Человеческий глаз - очень тонкий инструмент, но, к сожалению, вос­приятие цвета субъективно. Очень трудно передать другому человеку свое ощущение цвета.

Вместе с тем для многих отраслей производства, в том числе для полигра­фии и компьютерных технологий, необходимы более объективные способы описания и обработки цвета.

Для описания цвета придуманы различные цветовые модели. Наиболее используемые делятся на три больших класса: аппаратно-зависимые (описывающие цвет применительно к конкретному устройству цветовоспроизведения, например, монитору, - RGB, CMYK), аппаратно-независимые (для однозначного описания информации о цвете - XYZ, Lab) и психологические (основывающиеся на особенностях человеческого восприятия - HSB, HSV, HSL) (рис. 60).

Рисунок 60 - Иерархия цветовых моделей

В графических редакторах для присвоения цветовых параметров объектам можно использовать несколько цветовых моделей в зависимости от задачи. Эти модели различаются по принципам описания единого цветового про­странства, существующего в объективном мире.

5.2 Цветовая модель RGB.

Множество цветов видны оттого, что объекты, их иизлучающие, светятся.

К таким цветам можно отнести, например, белый свет, цвета на экранах телевизора, монитора, кино, слайд-проектора и так далее. Цветов огромное количество, но из них выделено только три, которые считаются основными (первичными): это - красный, зеленый, синий.

При смешении двух основных цветов результирующий цвет осветляется: из смешения красного и зеленого получается желтый, из смешения зеленого и синего получается голубой, синий и красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, в результате образуется белый. Такие цвета называют­ся аддитивными .

Рисунок 61 – цветовая модель RGB

Модель, в основе которой лежат указанные цвета, носит название цветовой модели RGB - по первым буквам английских слов R ed (Красный), G reen (Зеленый), B lue (Синий) (рис 61).

Рисунок 62 - Аддитивное смешение цветов

Эта модель представляется в виде трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад соответствующей составляющей в кон­кретный цвет в диапазоне от нуля до максимального значения. В результате получается некий куб, внутри которого и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство (рис.63).

Рисунок 63 - модель RGB

Важно отметить особенные точки и линии этой модели.

· Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует, а это равносильно темноте, т. е. это - точка черного цвета.

· Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют мак­симальное значение, что дает белый цвет.

· На линии, соединяющей эти точки (по диагонали куба), располагаются серые оттенки: от черного до белого. Это происходит потому, что все три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до мак­симального значения. Этот диапазон иначе называют серой шкалой (Grayscale). В компьютерных технологиях сейчас чаще всего используются 256 градаций (оттенков) серою. Хотя некоторые сканеры имеют возможность кодировать до 1024 оттенков серого и выше.

· Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

Несомненными достоинствами данного режима является то, что он позволяет работать со всеми 16 миллионами цветов, а недостаток состоит в том, что при выводе изображения на печать часть из этих цветов теряется, в основном самые яркие и насыщенные, также возникает проблема с синими цветами.

Эта модель, конечно, не совсем привычна для художника или дизайнера, но ее необходимо принять и в ней разобраться вследствие того, что с этой мо­делью работают сканер и экран монитора - два важнейших звена в обра­ботке цветовой информации.

Цветовая модель RGB была изначально разработана для описании цвета на цветном мониторе, но поскольку мониторы разных моделей и производителей различаются, были предложены несколько альтернативных цветовых моделей, соответствующих "усредненному" монитору. К таким относятся, например, sRGB и AdobeRGB . Цветовая модель RGB может использовать разные оттенки основных цветов, разную цветовую температуру (задание "белой точки" ), и разный показатель гамма-коррекции.

Представление базисных цветов RGB согласно рекомендациям ITU , в пространстве XYZ : Температура белого цвета:6500 кельвинов (дневной свет):

Красный: x = 0,64 y = 0,33
Зелёный: x = 0,29 y = 0,60
Синий: x = 0,15 y = 0,06

Матрицы для перевода цветов между системами RGB и XYZ (величину Y часто ставят в соответствие яркости при преобразовании изображения в чёрно-белое):

X = 0,431 * R + 0,342 * G + 0,178 * B
Y = 0,222 * R + 0,707 * G + 0,071 * B
Z = 0,020 * R + 0,130 * G + 0,939 * B

R = 3,063 * X - 1,393 * Y - 0,476 * Z
G = -0,969 * X + 1,876 * Y + 0,042 * Z
B = 0,068 * X - 0,229 * Y + 1,069 * Z

5.3 Числовое представление
Для большинства приложений значения координат r, g и b можно считать принадлежащими отрезку , что представляет пространство RGB в виде куба 1×1×1 .

Рисунок 64 – цветовая модель в виде куба в вершинах которого располагаются основные цвета

В компьютерах для представления каждой из координат традиционно используется один октет , значения которого обозначаются для удобства целыми числами от 0 до 255 включительно . Следует учитывать, что чаще всего используется гамма-компенсированое цветовое пространство sRGB , обычно с показателем 1.8 (Mac ) или 2.2 (PC ).

Рисунок 65 – числовое представление цветовой модели

В HTML используется #RrGgBb-запись , называемая также шестнадцатеричной : каждая координата записывается в виде двух шестнадцатеричных цифр, без пробелов (см. цвета HTML) .

Например, #RrGgBb-запись белого цвета - #FFFFFF .
COLORREF - стандартный тип для представления цветов в Win32 . Используется для определения цвета в RGB виде. Размер - 4 байта. При определении какого-либо RGB цвета, значение переменной типа COLORREF можно представить в шестнадцатеричном виде так:
0x00bbggrrrr, gg, bb - значение интенсивности соответственно красной, зеленой и синей составляющих цвета.

Максимальное их значение - 0xFF .

Определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREF C = (r,g,b) ;

b, g и r - интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно синей, зеленой и красной составляющих определяемого цвета C . То есть ярко-синий цвет может быть определён как (0,0,255 ), красный как (255,0,0 ), ярко-фиолетовый - (255,0,255 ), чёрный - (0,0,0 ), а белый - (255,255,255 ).

Поскольку в модели используется три независимых значения, ее можно представить в виде трехмерной системы координат.

Каждая координата отражает вклад одной из составляющех в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения (его численное значение в данный момент не играет роли, обычно это число 255, т. е. на каждой из осей откладывается уровень серого в каждом из цветовых каналов) .

В результате получается некий куб , внутри которого и "находятся" все цвета, образуя цветовое пространство модели RGB . Любой цвет, который можно выразить в цифровом виде, входит в пределы этого пространства.

Рисунок 66 – трехмерная цветовая модель

Объем такого куба (количество цифровых цветов) легко рассчитать: поскольку на каждой оси можно отложить 256 значений, то 256 в кубе (или 2 в двадцать четвертой степени) дает число 16 777 216 .

Это означает, что вцветовой модели RGB можно описать более 16 миллионов цветов , но использование цветовой модели RGB вовсе не гарантирует, что такое количество цветов может быть обеспечено на экране или на оттисках. В определенном смысле это число - скорее предельная (потенциальная) возможность.
Важно отметить особенные точки и линии данной модели:
Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю , излучение отсутствует, что равносильно темноте, т. е. это точка черного цвета.

Так или иначе, работая с любыми изображениями (фотографии, макет печатной или интернет страницы, рисунки и т.д.), приходится иметь дело с цветом. Перед тем, как ознакомиться с системами управления цветом , необходимо понять суть процессов, которые лежат в их основе. Данная статья будет полезна не только новичкам в области цифровых изображений, но и опытным профессионалам, поскольку она поможет систематизировать много накопленных знаний и поможет прояснить некоторые детали.

Для начала попробуем дать определение понятию, которое нас сейчас больше всего интересует — это цвет.

Цвет — это электромагнитное излучение, которое наши глаза могут воспринять и различить по длине волны. Да, но данное утверждение не объясняет существование пурпурного цвета, которого нет в спектре.

Цвет — это способность поверхности предмета избирательно отражать излучение, которое на него падает. Да, но цветная фотография при слабом освещении воспринимается почти черно-белой, а при солнечном свете — насыщенно полноцветной.

Цвет — это спектральный состав видимого электромагнитного излучения. Да, но разные (иногда существенно) по спектральному составу излучения могут вызвать ощущение одинакового цвета.

Приведённые выше определения в первую очередь приходят на ум большинству людей, однако, как видим, все они не дают исчерпывающего определения цвета и не являются точными.

Достаточно полное определение понятия "цвет", будет следующим:

цвет — это ощущение , которое возникает в сознании человека при воздействии на его органы зрения электромагнитного излучения видимого диапазона спектра.

То есть излучение определённого спектрального состава — это лишь стимул для наших глаз, а цвет — это уже ощущение , которое возникает в нашем сознании вследствие действия такого стимула. Нужно чётко различать понятия цветового стимула и непосредственно цвета.

Здесь может возникнуть вопрос: почему бы не использовать для точного описания цвета измеренное спектральное распределение излучения, если именно оно и вызовет в нашем сознании ощущение цвета? То есть, описывать цвет стимулом, который его вызывает. Во-первых, такой способ не будет удобным, поскольку один стимул будет задаваться около 35-ю значениями спектрального коэффициента пропускания, отражения или излучения (т.е. диапазона 390-740 нм с шагом 10 нм). Во-вторых, и важнее всего, такой способ описания цвета никак не учитывает особенности восприятия видимого излучения нашей зрительной системой. Проиллюстрировать это можно следующим рисунком, который показывает спектральные коэффициенты отражения двух предметов (чёрный и белый график соответственно):

Попробуйте проанализировать эти два графика, и сказать, какого цвета будут восприниматься поверхности этих двух тел и насколько эти цвета будут отличаться друг от друга. Единственным выводом, который, как кажется лежит на поверхности, является то, что эти два тела, скорее всего разного цвета. Такой вывод напрашивается из-за существенной разницы кривых спектральных коэффициентов отражения. Однако, приведённые на графике стимулы будут восприниматься нами абсолютно идентичным цветом. Такие два стимула называются метамерными . Явление метамерности нельзя объяснить исключительно физикой или оптикой, поэтому, для того чтобы интерпретировать данные спектральных измерений необходимо знать, как будет реагировать зрительная система человека на различные цветовые стимулы.

Чтобы учесть особенности восприятия цветовых стимулов и решить вопрос измерений цвета, в 1931 г. Международная комиссия по освещению CIE (Commission Internationale de l"Eclairage) предложила систему, которая учитывает восприятие цветовых стимулов так называемым Стандартным наблюдателем CIE , который характеризует цветовое восприятие среднестатистического человека с нормальным зрением.

Совокупность данных, которые определяют Стандартного наблюдателя CIE были получены опытным путём на определённом количестве реальных наблюдателей. Но каким образом исследователям удалось измерить ощущение цвета под действием нужных стимулов, если прямое измерение такой величины, как "ощущение" на человеке провести невозможно?

Поскольку, каждая наука начинается с измерений, колориметрия не могла обойтись только субъективными данными о цвете, который может выразить человек (яркий, тусклый, красный, бледный, голубоватый и т.п.). Компьютеры также могут работать только с числами, поэтому, необходимость измерить ощущение цвета человеком представляет не только научный интерес, но и нужна для практической деятельности.

В 20-х годах ХХ века, независимо друг от друга, учёные Гилд и Райт провели серию экспериментов с целью изучения цветового зрения человека. Опыты проводились с помощью устройства, схематично показанного на рисунке:

Работа такого устройства (визуального колориметра) основана на принципе аддитивного синтеза цвета, по которому, добавляя два или больше излучения друг к другу (например на экране), можно получить ощущение определённого количества цветов, регулируя при этом яркость каждого из этих основных излучений. Подбирают такие основные стимулы исходя из необходимости воспроизвести как можно большее количество цветов при наименьшем количестве этих основных излучений. Стандартный наблюдатель CIE был получен относительно трёх спектрально чистых стимулов, которые вызывают ощущение красного, зелёного и синего цветов (R, G, B) с длинами волн 700, 546,1 и 435,8 нм соответственно.

Эти три излучения проецируются на верхнюю часть экрана, а излучение, чувство цвета от которого пытались измерить — на нижнюю. Участникам опыта необходимо было получить ощущение одинакового цвета на обеих частях поля, регулируя при этом яркость трёх основных излучений. Количества (яркости) основных излучений, которые вызывают чувство нужного цвета и является числовыми значениями (координатами) этого цвета. То есть исследователям удалось измерить ощущение цвета , путём его воспроизведения и визуального оценивания человеком.

Однако, оказалось, что значительную часть монохроматических излучений невозможно воспроизвести этим способом. Чтобы обойти это ограничение и измерить координаты цвета этих не достижимых данным способом стимулов, одно из основных излучений проектировалось не на верхнюю, а на нижнюю часть экрана, "загрязняя" тем самым спроектированный на него исследуемый стимул. Принцип измерения цвета не меняется при этом: также необходимо регулировать яркость основных излучений для достижения цветового равенства между двумя полями устройства. В таком случае, количество основного излучения, спроектированного на изучаемое (нижняя часть поля), берётся со знаком минус, то есть появляется отрицательная координата цвета.

Измерив координаты цвета всех спектрально чистых излучений видимой зоны спектра мы получим координатную систему всех возможных цветов. Присутствие в этой системе отрицательных координат делало её неудобной в использовании, поскольку большинство вычислений в то время проводились вручную. Это было одной из причин создания системы XYZ, в которой все координаты цвета имеют положительные значения.

Система XYZ также базируется на аддитивном смешивании стимулов, однако, в отличие от системы RGB, которая использовалась в описанном выше визуальном колориметре, в XYZ используются нереальные, математически описанные стимулы, которые подобраны с целью облегчения расчётов. То есть при получении системы XYZ использовались не опыты, а математические преобразования данных опытов Гилда и Райта. Координаты цвета XYZ не имеют отрицательных значений, и именно эта система используется для описания Стандартного наблюдателя CIE.

Данные XYZ могут быть получены измерением на колориметрах, которые имеют непосредственно проградуированные в XYZ шкалы (это возможно, несмотря на нереальность основных стимулов XYZ), или путём проведения вычислений по данным спектрального распределения энергии отражения, пропускания или излучения. Проведя вычисления координат цвета приведённых выше метамерных кривых в системе XYZ, мы получим одинаковые координаты цвета этих двух стимулов. Независимо от спектрального распределения, стимулы, вызывающие ощущение одинакового цвета, будут иметь одинаковые координаты цвета XYZ. То есть эта система описывает, как будут восприниматься цветовые стимулы нашей зрительной системой и её можно использовать для числового описания цвета.

На практике, чаще всего, используется производная от XYZ координатная система — xyY , которая была получена простым пересчётом с XYZ:

где x и y — координаты цветности, а Y — коэффициент яркости, который остаётся без изменений (задание яркости цвета величиной Y было заложено при создании системы XYZ).

Цветность — двухмерная величина, которая включает в себя понятие цветового тона и насыщенности. Именно диаграммы цветности xy можно чаще всего увидеть при графическом показе координат цвета. Данная диаграмма приведена на следующем рисунке:

Чёрная замкнутая кривая — это координаты цветности всех спектрально чистых и пурпурных стимулов. Внутри неё находятся все другие цвета, насыщенность которых падает с приближением к белой точке (например для дневного света белая точка имеет координаты xy 0,31 та 0,33 соответственно).

Диаграмма xy позволяет наглядно показать цветность различных стимулов, цветовые охваты устройств и сравнить их. Однако данная диаграмма имеет один существенный недостаток: одинаковые расстояния на графике не соответствуют одинаковой цветовой разнице, которую испытывает наша зрительная система. Такая неравномерность проиллюстрирована двумя белыми отрезками на предыдущем рисунке. Длины этих отрезков соответствуют ощущению одинаковой разницы цветности. Иными словами, одно и то же расстояние на графике в одной его зоне, может восприниматься чётко заметной разницей в цвете, тогда как в другой зоне — никакая разница наблюдаться не будет.

Для преодоления этого недостатка, комитетом CIE в 60-70-х годах ХХ века была разработана серия равноконтрастных (равномерных для восприятия) графиков и шкал, в которых единица шкалы всегда соответствует одинаковой разнице цветового ощущения. Самой распространённой среди них является система CIE LAB, или L*a*b* или просто Lab. Эта система равноконтрастна не только в отношении цветности, но и относительно восприятия яркости стимулов, т.е. светлоты. Величина L* — равноконтрастная шкала светлоты, тогда как a* и b* — равномерные шкалы цветности. Поскольку данная система трёхмерная, её принято называть цветовым пространством Lab.

Пространство Lab получено путём математических преобразований пространства XYZ, то есть данные Lab можно получить из данных XYZ или xyY, и наоборот.

Важным преимуществом пространства Lab, которое следует из его равноконтрастности, является возможность численно задать различие сравниваемых цветов. Величиной этого отличия будет обычное геометрическое расстояние между координатами этих цветов, которая обозначается как ΔE .

Узнать, каким образом цветовые координатные системы XYZ и Lab используются современными системами управления цветом, а также получить инструкции и советы по их настройке, можно прочитав этого сайта.