Что такое цветовая модель? Понятие цветовой модели. Модель RGB, CMY(K). Соотношение моделей RGB и CMY. Цветовой круг
Зачем нужны разные цветовые модели и почему один и тот же цвет может выглядеть по-разному
Предоставляя услуги дизайна как в области веб, так и в сфере полиграфии, мы нередко сталкиваемся с вопросом Клиента: почему одни и те же фирменные цвета в дизайн-макете сайта и в дизайн-макете полиграфической продукции выглядят по-разному? Ответ на этот вопрос заключается в различиях цветовых моделей: цифровой и полиграфической.
Цвет компьютерного экрана изменяется от черного (отсутствие цвета) до белого (максимальная яркость всех составляющих цвета: красного, зеленого и синего). На бумаге, напротив, отсутствию цвета соответствует белый, а смешению максимального количества красок - темно-бурый, который воспринимается как черный.
Поэтому при подготовке к печати изображение должно быть переведено из аддитивной ("складывающей") модели цветов RGB в субтрактивную ("вычитающую") модель CMYK . Модель CMYK использует противоположные исходным цвета - противоположный красному голубой, противоположный зеленому пурпурный и противоположный синему желтый.
Цифровая цветовая модель RGB
Что такое RGB?
Аббревиатура RGB означает названия трех цветов, использующихся для вывода на экран цветного изображения: Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий).
Как формируется цвет RGB?
Цвет на экране монитора формируется при объединении лучей трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Если интенсивность каждого из них достигает 100%, то получается белый цвет. Отсутствие всех трех цветов дает черный цвет.
Таким образом, любой цвет, который мы видим на экране, можно описать тремя числами, обозначающими яркость красной, зеленой и синей цветовых составляющих в цифровом диапазоне от 0 до 255. Графические программы позволяют комбинировать требуемый RGB-цвет из 256 оттенков красного, 256 оттенков зеленого и 256 оттенков синего. Итого получается 256 х 256 х 256 = 16,7 миллионов цветов.
Где используются изображения в режиме RGB?
Изображения в RGB используются для показа на экране монитора. При создании цветов, предназначенных для просмотра в браузерах, как основа используется та же цветовая модель RGB.
Полиграфическая цветовая модель CMYK
Что такое CMYK?
Система CMYK создана и используется для типографической печати. Аббревиатура CMYK означает названия основных красок, использующихся для четырехцветной печати: голубой (Сyan), пурпурный (Мagenta) и желтый (Yellow). Буквой К обозначают черную краску (BlacK), позволяющую добиться насыщенного черного цвета при печати. Используется последняя, а не первая буква слова, чтобы не путать Black и Blue.
Как формируется цвет CMYK?
Каждое из чисел, определяющее цвет в CMYK, представляет собой процент краски данного цвета, составляющей цветовую комбинацию. Например, для получения тёмно-оранжевого цвета следует смешать 30 % голубой краски, 45 % пурпурной краски, 80 % жёлтой краски и 5 % чёрной. Это можно обозначить следующим образом: (30/45/80/5).
Где используются изображения в режиме CMYK?
Область применения цветовой модели CMYK - полноцветная печать. Именно с этой моделью работает большинство устройств печати. Из-за несоответствия цветовых моделей часто возникает ситуация, когда цвет, который нужно напечатать, не может быть воспроизведен с помощью модели CMYK (например, золотой или серебряный).
В этом случае применяются краски Pantone (готовые смешанные краски множества цветов и оттенков), их также называют плашечными (поскольку эти краски не смешиваются при печати, а являются кроющими).
Все файлы, предназначенные для вывода в типографии, должны быть конвертированы в CMYK. Этот процесс называется цветоделением. RGB охватывает больший цветовой диапазон, чем CMYK, и это необходимо учитывать при создании изображений, которые впоследствии планируется печатать на принтере или в типографии.
При просмотре CMYK-изображения на экране монитора одни и те же цвета могут восприниматься немного иначе, чем при просмотре RGB-изображения. В модели CMYK невозможно отобразить очень яркие цвета модели RGB, модель RGB, в свою очередь, не способна передать темные густые оттенки модели CMYK, поскольку природа цвета разная.
Отображение цвета на экране монитора часто меняется и зависит от особенностей освещения, температуры монитора и цвета окружающих предметов. Кроме того, многие цвета, видимые в реальной жизни, не могут быть выведены при печати, не все цвета, отображаемые на экране, могут быть напечатаны, а некоторые цвета печати не видны на экране монитора.
Так, подготавливая логотип компании для публикации на сайте, мы используем RGB-модель. Подготавливая тот же логотип для печати в типографии (например, на визитках или фирменных бланках), мы используем CMYK-модель, и цвета этой модели на экране визуально могут немного отличаться от тех, которые мы видим в RGB. Не стоит этого опасаться: ведь на бумаге цвета логотипа будут максимально соответствовать тем цветам, которые мы видим на экране.
Модель RGB (Red - Красный, Green - Зеленый, Blue - Синий) описывает излучаемые цвета.
Модель R G B (Red - Красный, Green - Зеленый, Blue - Синий) описывает излучаемые цвета. Базовыми компонентами модели являются три цвета лучей - красный, зеленый, синий. При восприятии цвета человеком именно они непосредственно воспринимаются глазом. Остальные цвета представляют собой смешение трех базовых в разных соотношениях. Каждая составляющая может изменяться в пределах от 0 до 255, как было рассмотрено в предыдущей главе. Такой способ предоставляет доступ ко всем 16 миллионам цветов. При сложении (смешении) двух лучей основных цветов результат оказывается светлее, чем отдельные составляющие . Цвета этого типа называются аддитивными . Эта модель используется во всех мониторах , проекторах и других устройствах, которые излучают или фильтруют свет, включая телевизоры, кинопроекторы и цветные прожекторы. Web-дизайнер в своей работе ориентируется на такое устройство вывода, как монитор, поэтому мы будем учиться работать в основном с изображениями в модели RGB. Напомню, что она является трехканальной (имеет три составляющие) и 24-битной (цвет одного пиксела представляется 24 битами - по байту на канал).
Цветовое пространство модели удобно представить в виде цветового куба . По осям координат откладываются значения цветовых каналов. Каждый из них может принимать значения от нуля (нет света) до максимального (наибольшая яркость света). Внутренняя часть образовавшегося куба содержит все цвета модели. В начале координат значения каналов равны нулю (черный цвет). В противоположной точке смешиваются максимальные значения каналов, образуя белый цвет. На линии, соединяющей эти точки, располагаются смеси равных значений каналов, образуя серые оттенки от черного до белого - серую шкалу. Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов. В обычном RGB-изображении каждый цветовой канал и серая шкала имеют 256 градаций (оттенков).
Изображение, созданное в цветовой модели RGB, может быть сохранено в любом графическом формате, поддерживаемом программой Photoshop, кроме формата GIF.
Недостатком режима RGB является то, что далеко не все цвета, которые могут быть в нем созданы, можно вывести на печать. Избежать потери цветов можно, редактируя изображение в режиме CMYK.
Модели CMY и CMYK.
Модель C M Y описывает отраженные цвета (краски). Они образуются в результате вычитания части спектра падающего света и называются субтрактивными . При смешении двух цветов результат темнее обоих исходных, поскольку каждый из цветов поглощает часть спектра. Иначе говоря, чем больше краски мы положили, тем больше вычли из белого, т.е. тем ниже будет результирующая яркость.
Для начала расшифруем название этой модели. C=Cyan (бирюзовый ), M=Magenta (пурпурный ), Y=Yellow (желтый ). Каналы CMY - это результат вычитания основных цветов модели RGB из белого цвета (то есть цвета маскимальной яркости). Запишем "формулы" получения этих цветов:
- Бирюзовый = Белый - Красный
- Пурпурный = Белый - Зеленый
- Желтый = Белый - Синий
Можно сказать, что модель CMY
обратна модели RGB
. Посмотрите на рисунок - базовые цвета модели CMY находятся напротив базовых цветов модели RGB. Согласно модели RGB, белый цвет представляет собой сумму трех компонент максимальной яркости, т.е. можно записать:
Белый = Красный + Зеленый + Синий.
После нехитрых математических преобразований получаем следующее представление цветов модели CMY:
- Бирюзовый = Зеленый + Синий
- Пурпурный = Красный + Синий
- Желтый = Красный + Зеленый
Сравните эти формулы с рисунком - все правильно. Желтый цвет лежит между красной и зеленой областями и т.д. Если это рисунок вас не убедил - посмотрите на рисунок модели RGB в предыдущей главе.
Развитием модели CMY является модель CMYK . Она описывает реальный процесс цветной печати на офсетной машине и цветном принтере. Пурпурная, голубая и желтая краски (полиграфическая триада) последовательно наносятся на бумагу в различных пропорциях, и таким способом может быть репродуцирована значительная часть видимого спектра. В области черного и темных цветов наносятся не цветные, а черная краска. Это четвертый базовый компонент, он введен для описания реального процесса печати. Черный компонент сокращается до буквы K (blacK или, по другой версии, Key ). CMYK - четырехканальная цветовая модель. Зачем в модель вводится черная краска? Реальные краски содержат примеси, и при смешении дадут не черный, а темно-коричневый цвет. К тому же при печати очень темных и черного цвета было бы необходимо большое количество каждой краски, что ведет к переувлажнению бумаги и неоправданному расходу красок.
Описанные цветовые модели являются аппаратно-зависимыми . При выводе одного и того же изображения на различных устройствах (например, на двух разных мониторах) вы, скорее всего, получите разный результат. То есть цвет зависит как от значений базовых составляющих, так и от параметров устройств: качества и марки данной печатной краски, свойств использованной бумаги, свойств люминофора и других параметров конкретного монитора, принтера или печатного пресса. Кроме того, существование разных моделей описания для излучаемых и отраженных цветов весьма неудобно при компьютерной подготовке цветных изображений. В полиграфический процесс входят системы, работающие как в модели RGB (сканер, монитор), так и в модели CMYK (фотонабор и печатная машина). В процессе работы приходится преобразовывать цвет из одной модели в другую. Поскольку эти модели имеют разный цветовой охват, преобразование часто сопряжено с потерей части оттенков. Поэтому одной из основных задач при работе с цветными изображениями становится достижение предсказуемого цвета. Для этого создана система цветокоррекции (Color Management System, СMS ). Это программная система, цель которой, во-первых, достичь одинаковых цветов для всех этапов полиграфического процесса, от сканера до печатного станка, а во-вторых - обеспечить стабильное воспроизведение цвета на всех выводных устройствах (например, на любом мониторе). Пространство этой модели аналогично пространству модели RGB, в которой перемещено начало координат. Смешение максимальных значений всех трех компонентов дает черный цвет. При полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) получится белый цвет (белая бумага). Смешение равных значений трех компонентов даст оттенки серого.
Модель CMYK предназначена специально для описания печатных изображений. Поэтому ее цветовой охват значительно ниже, чем у RGB (ведь она описывает не излучаемые, а отраженные цвета, интенсивность которых всегда меньше). Кроме того, как прикладная модель, CMYK жестко привязана к параметрам печати (краски, тип печатной машины и т. д.), которые очень разнятся для каждого случая. При переводе в CMYK нужно задать массу технологических характеристик - указать, какими конкретно красками и на какой бумаге будет отпечатано изображение, некоторые особенности печатного оборудования и т. д. Для разных заданных значений вид изображения на печати и на экране будет разным. Еще одной особенностью модели является теоретически не обоснованное введение дополнительного черного канала. Он предназначен для исправления недостатков современного печатного оборудования. В темных областях особенно хорошо видны погрешности совмещения, возможно переувлажнение бумаги, кроме того, смесь CMY-красок не дает глубокого черного тона. Все эти "узкие места" можно устранить применением дополнительной черной краски. При переводе в CMYK программа заменяет в темных областях триадные краски на черную. Эта замена производится по разным алгоритмам, в зависимости от состава изображения (черный цвет подчеркивает контуры предметов, визуально усиливая резкость), особенностей печати и других причин. Таким образом, в зависимости от установок перевода вид изображения меняется. Неудачный перевод в CMYK (цветоделение ) может привести к серьезным потерям качества. Цветоделение обычно предполагает печать тиража (иначе зачем CMYK), а это, в свою очередь, связано с большими финансовыми вложениями. Поэтому, если вам приходится выполнять подготовку файлов для типографии, необходимо изучить специальную литературу по предпечатной подготовке.
Рассмотрим каналы в CMYK-изображении. Для эксперимента нам потребуется файл photo.jpg . Как видите, в области заголовка окна также показана модель изображения. Сейчас это RGB. Чтобы перевести изображение в цветовой режим CMYK, выберите в меню Image команду Mode > CMYK . Откройте палитру Channels. Там присутствует пять строк - четыре строки цветовых каналов и одна строка совмещенного канала. Активизация и регулирование видимости каналов производятся точно так же, как для RGB - изображения.
Отключите видимость всех каналов, кроме голубого. Заметьте, что изображение стало много светлее. Каналы CMYK складываются так же, как краски, положенные на бумагу. Практически сейчас перед вами голубая форма для печати файла. Именно таким образом будет распределяться краска на отпечатке. Насыщенность цвета максимальна в голубой и синей областях. Они окрашены насыщенным голубым цветом. Голубой есть также в областях оттенков серого. Это означает, что в CMYK оттенки серого формируются из смеси равного количества всех компонентов модели. Область черного и очень темных оттенков изображается на печати черной краской, поэтому она пока остается белой.
Теперь активизируйте изображение черного канала, не отключая голубой. Вы видите форму, в соответствии с которой будет наноситься черная краска. Отключите видимость черного канала, добавьте к голубому отображение желтого канала. Как видите, смешение красок в модели происходит по гораздо более понятному принципу - при сложении голубой и желтой составляющих получаются оттенки зеленого. Зеленый цвет получили также серые участки, поскольку они состоят из равных количеств каждого из базовых компонентов. Отметьте, что изображение тем темнее, чем больше каналов видно на экране. Сделайте видимым и пурпурный канал. Изображение в средних и светлых тонах уже приобрело нормальный вид. В тенях же остались белые участки - все они будут напечатаны черным, а не смесью трех цветных красок.
История происхождения цветовой модели RGB
В середине XIX века английский физик Джеймс Кларк Максвелл выступил с предложением использовать способ получения цветного изображения, который известен как - аддитивное слияние цветов.
Аддитивная (суммирующая) система цветопередачи означает, что цвета в этой модели добавляются к черному (Black) цвету.
Аддитивное смещение цветов можно трактовать как, - процесс объединения световых потоков различных цветов до того, как они достигнут глаза.
Аддитивными моделями цвета (от англ. add - складывать) называются цветовые модели, в которых световой поток со спектральным распределением, визуально воспринимающимся как нужный цвет, создается на основе операции пропорционального смешивания света, излучаемого тремя источниками. Схемы смешивания могут быть различными, одна из них представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема смешивания световых потоков в аддитивной модели цвета
Аддитивная модель цвета предполагает, что каждый из источников света имеет свое постоянное спектральное распределение, а его интенсивность регулируется.
Существуют две разновидности аддитивной модели цвета: аппаратно зависимая и перцептивная. В аппаратно-зависимой модели цветовое пространство зависит от характеристик устройства вывода изображения (монитора, проектора). Из-за этого одно и то же изображение, представленное на основе такой модели, при воспроизведении на различных устройствах будет восприниматься визуально немного по-разному. Перцептивная модель построена с учетом особенностей зрения наблюдателя, а не технических характеристик устройства.
RGB применяется в мониторах компьютеров, в телевизорах, сканерах, цифровых фотоаппаратах и других излучающих свет технических устройствах.
С экрана монитора человек воспринимает цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий).
Механизм формирования цветов модели RGB
При восприятии цвета человеком именно они непосредственно воспринимаются глазом. Остальные цвета представляют собой смешение трех базовых цветов в разных соотношениях. На рисунке 2 представлена цветовая модель RGB.
Рисунок 2 - Цветовая модель RGB
R+G=Y (Yellow - желтый);
G+B=C (Cyan - голубой);
B+R=M (Magenta - пурпурный).
Сумма всех трех основных цветов в равных долях дает белый (White) цвет
R+G+B=W (White - белый)
Например, на экране монитора с электронно-лучевой трубкой (а также аналогичного телевизора) изображение строится при помощи засветки люминофора пучком электронов. При таком воздействии люминофор начинает излучать свет. В зависимости от состава люминофора, этот свет имеет ту или иную окраску. Для формирования полноцветного изображения используется люминофор со свечением трех цветов - красным, зеленым и синим. Сами по себе зерна люминофора разных цветов позволяют получить только чистые цвета (чистый красный, чистый зеленый и чистый синий).
Промежуточные оттенки получаются за счет того, что разноцветные зерна расположены близко друг к другу. При этом их изображения в глазу сливаются, а цвета образуют некоторый смешанный оттенок. Регулируя яркость зерен, можно регулировать получающийся смешанный тон. Например, при максимальной яркости всех трех типов зерен будут получен белый цвет, при отсутствии засветки - черный, а при промежуточных значениях - различные оттенки серого. Если же зерна одного цвета засветить не так, как остальные, то смешанный цвет не будет оттенком серого, а приобретет окраску. Такой способ формирования цвета напоминает освещение белого экрана в полной темноте разноцветными прожекторами.
Если кодировать цвет одной точки изображения тремя битами, каждый из которых будет являться признаком присутствия (1) или отсутствия (0) соответствующей компоненты системы RGB, 1 бит на каждый компонент RGB то мы получим все восемь различных цветов (таблица 1).
Таблица 1 - Присутствие цветов
На практике же, для сохранения информации о цвете каждой точки цветного изображения в модели RGB обычно отводится 3 байта (т.е. 24 бита) по 1 байту (т.е. по 8 бит) под значение цвета каждой составляющей. Таким образом, каждая RGB-составляющая может принимать значение в диапазоне от 0 до 255 (всего 2 в 8 степени = 256 значений). Поэтому можно смешивать цвета в различных пропорциях, изменяя яркость каждой составляющей.
Таким образом, можно получить 256 х 256 х 256 = 16 777 216 цветов.
Изменяющиеся в диапазоне от 0 до 255 координаты RGB образуют цветовой куб (Рисунок 3).
Любой цвет расположен внутри этого куба и описывается своим набором координат, показывающем в каких долях смешаны в нем красная, зеленая и синяя составляющие.
Возможность отобразить не менее 16,7 миллиона оттенков это полно цветные типы изображения которые иногда называют True Color (истинные или правдивые цвета). потому что человеческий глаз все равно не в силах различить большего разнообразия.
Рисунок 3 - Цветовой куб
Каждому цвету можно сопоставить код, используя десятичное и шестнадцатеричное представление кода. Десятичное представление - это тройка десятичных чисел, разделенных запятыми. Первое число соответствует яркости красной составляющей, второе - зеленой, третье - синей.
Шестнадцатеричное представление - это три двузначных шестнадцатеричных числа, каждое из которых соответствует яркости базового цвета. Первое число (первая пара цифр) соответствует яркости красного цвета, второе число (вторая пара чисел) - зеленого, третье (третья пара чисел) - синего.
Максимальная яркость всех трех базовых составляющих соответствует белому цвету, минимальная - черному цвету. Поэтому белый цвет имеет в десятеричном представлении код (255,255,255), а в шестнадцатеричном - FFFFFF. Черный цвет кодирует соответственно (0,0,0) или 000000.
Все оттенки серого цвета образуются смешиванием трех составляющих одинаковой яркости. Например, при значениях (200,200,200) или C8C8C8 получается светло-серый цвет, а при значениях (100,100,100) или 646464 - темно-серый. Чем более темный оттенок серого нужно получить, тем меньшее число нужно вводить в каждое текстовое поле.
Черный цвет образуется, когда интенсивность всех трех составляющих равна нулю, а белый - когда их интенсивность максимальна.
- Перевод
Я собираюсь совершить экскурс в историю науки о человеческом восприятии, которая привела к созданию современных видеостандартов. Также я попытаюсь объяснить часто используемую терминологию. Кроме того, я вкратце расскажу, почему типичный процесс создания игры со временем будет всё больше и больше напоминать процесс, используемый в киноиндустрии.
Пионеры исследований цветовосприятия
Сегодня мы знаем, что сетчатка человеческого глаза содержит три разных типа фоторецепторных клеток, называемых колбочками. Каждый из трёх типов колбочек содержит белок из семейства белков опсинов, который поглощает свет в различных частях спектра:Поглощение света опсинами
Колбочки соответствуют красной, зелёной и синей частям спектра и часто называются длинными (L), средними (M) и короткими (S) согласно длинам волн, к которым они наиболее чувствительны.
Одной из первых научных работ о взаимодействии света и сетчатки был трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Исаака Ньютона, написанный между 1670-1675 гг. У Ньютона была теория, что свет с различными длинами волн приводил к резонансу сетчатки с теми же частотами; эти колебания затем передавались через оптический нерв в «сенсориум».
«Лучи света, падая на дно глаза, возбуждают колебания в сетчатке, которые распространяются по волокнам оптических нервов в мозг, создавая чувство зрения. Разные типы лучей создают колебания разной силы, которые согласно своей силе возбуждают ощущения разных цветов…»
Больше чем через сотню лет Томас Юнг пришёл к выводу, что так как частота резонанса - это свойство, зависящее от системы, то чтобы поглотить свет всех частот, в сетчатке должно быть бесконечное количество разных резонансных систем. Юнг посчитал это маловероятным, и рассудил, что количество ограничено одной системой для красного, жёлтого и синего. Эти цвета традиционно использовались в субтрактивном смешивании красок. По его собственным словам :
Поскольку по причинам, указанным Ньютоном, возможно, что движение сетчатки имеет скорее колебательную, чем волновую природу, частота колебаний должна зависеть от строения её вещества. Так как почти невозможно полагать, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесконечное количество частиц, каждая из которых способна колебаться в идеальном согласии с любой возможной волной, становится необходимым предположить, что количество ограничено, например, тремя основными цветами: красным, жёлтым и синим…Предположение Юнга относительно сетчатки было неверным, но он сделал правильный вывод: в глазе существует конечное количество типов клеток.
В 1850 году Герман Гельмгольц первым получил экспериментальное доказательство теории Юнга. Гельмгольц попросил испытуемого сопоставить цвета различных образцов источников света, регулируя яркость нескольких монохромных источников света. Он пришёл к выводу, что для сопоставления всех образцов необходимо и достаточно трёх источников света: в красной, зелёной и синей части спектра.
Рождение современной колориметрии
Перенесёмся в начало 1930-х. К тому времени научное сообщество имело достаточно хорошее представление о внутренней работе глаза. (Хотя потребовалось ещё 20 лет, чтобы Джорджу Уолду удалось экспериментально подтвердить присутствие и функции родопсинов в колбочках сетчатки. Это открытие привело его к Нобелевской премии по медицине в 1967 году.) Commission Internationale de L"Eclairage (Международная комиссия по освещению), CIE, поставила задачу по созданию исчерпывающей количественной оценки восприятия цвета человеком. Количественная оценка была основана на экспериментальных данных, собранных Уильямом Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом при параметрах, схожих с выбранными впервые Германом Гельмгольцем. Базовыми настройками были выбраны 435,8 нм для синего цвета, 546,1 нм для зелёного и 700 нм для красного.Экспериментальная установка Джона Гилда, три ручки регулируют основные цвета
Из-за значительного наложения чувствительности колбочек M и L невозможно было сопоставить некоторые длины волн с сине-зелёной частью спектра. Для «сопоставления» этих цветов в качестве точки отсчёта нужно было добавить немного основного красного цвета:
Если мы на мгновение представим, что все основные цвета вносят отрицательный вклад, то уравнение можно переписать так:
Результатом экспериментов стала таблица RGB-триад для каждой длины волны, что отображалось на графике следующим образом:
Функции сопоставления цветов RGB по CIE 1931
Разумеется, цвета с отрицательным красным компонентом невозможно отобразить с помощью основных цветов CIE.
Теперь мы можем найти трихромные коэффициенты для света распределения спектральной интенсивности S как следующее внутреннее произведение:
Может казаться очевидным, что чувствительность к различным длинам волн можно проинтегрировать таким образом, но на самом деле она зависит от физической чувствительности глаза, линейной по отношению к чувствительности к длинам волн. Это было эмпирически подтверждено в 1853 году Германом Грассманом, и представленные выше интегралы в современной формулировке известны нам как закон Грассмана.
Термин «цветовое пространство» возник потому, что основные цвета (красный, зелёный и синий) можно считать базисом векторного пространства. В этом пространстве различные цвета, воспринимаемые человеком, представлены лучами, исходящими из источника. Современное определение векторного пространства введено в 1888 году Джузеппе Пеано, но более чем за 30 лет до этого Джеймс Клерк Максвелл уже использовал только зародившиеся теории того, что позже стало линейной алгеброй, для формального описания трихроматической цветовой системы.
CIE решила, что для упрощения вычислений будет более удобно работать с цветовым пространством, в которой коэффициенты основных цветов всегда положительны. Три новых основных цвета выражались в координатах цветового пространства RGB следующим образом:
Этот новый набор основных цветов невозможно реализовать в физическом мире. Это просто математический инструмент, упрощающий работу с цветовым пространством. Кроме того, чтобы коэффициенты основных цветов всегда были положительными, новое пространство скомпоновано таким образом, что коэффициент цвета Y соответствует воспринимаемой яркости. Этот компонент известен как яркость CIE (подробнее о ней можно почитать в замечательной статье Color FAQ Чарльза Пойнтона (Charles Poynton)).
Чтобы упростить визуализацию итогового цветового пространства, мы выполним последнее преобразование. Разделив каждый компонент на сумму компонентов мы получим безразмерную величину цвета, не зависящую от его яркости:
Координаты x и y известны как координаты цветности, и вместе с яркостью Y CIE они составляют цветовое пространство xyY CIE. Если мы расположим на графике координаты цветности всех цветов с заданной яркостью, у нас получится следующая диаграмма, которая вам наверно знакома:
Диаграмма xyY CIE 1931
И последнее, что нужно узнать - что считается белым цветом цветового пространства. В такой системе отображения белый цвет - это координаты x и y цвета, которые получаются, когда все коэффициенты основных цветов RGB равны между собой.
С течением времени появилось несколько новых цветовых пространств, которые в различных аспектах вносили улучшения в пространства CIE 1931. Несмотря на это, система xyY CIE остаётся самым популярным цветовым пространством, описывающим свойства устройств отображения.
Передаточные функции
Прежде чем рассматривать видеостандарты, необходимо ввести и объяснить ещё две концепции.Оптико-электронная передаточная функция
Оптико-электронная передаточная функция (optical-electronic transfer function, OETF) определяет то, как линейный свет, фиксируемый устройством (камерой) должен кодироваться в сигнале, т.е. это функция формы:Раньше V был аналоговым сигналом, но сейчас, разумеется, он имеет цифровое кодирование. Обычно разработчики игр редко сталкиваются с OETF. Один из примеров, в котором функция будет важна: необходимость сочетания в игре видеозаписи с компьютерной графикой. В этом случае необходимо знать, с какой OETF было записано видео, чтобы восстановить линейный свет и правильно смешать его с компьютерным изображением.
Электронно-оптическая передаточная функция
Электронно-оптическая передаточная функция (electronic-optical transfer, EOTF) выполняет противоположную OETF задачу, т.е. она определяет, как сигнал будет преобразован в линейный свет:Эта функция более важна для разработчиков игр, потому что она определяет, как созданный ими контент будет отображаться экранах телевизоров и мониторов пользователей.
Отношение между EOTF и OETF
Понятия EOTF и OETF хоть и взаимосвязаны, но служат разным целям. OETF нужна для представления захваченной сцены, из которого мы потом можем реконструировать исходное линейное освещение (это представление концептуально является буфером кадра HDR (High Dynamic Range) обычной игры). Что происходит на этапах производства обычного фильма:- Захват данных сцены
- Инвертирование OETF для восстановления значений линейного освещения
- Цветокоррекция
- Мастеринг под различные целевые форматы (DCI-P3, Rec. 709, HDR10, Dolby Vision и т.д.):
- Уменьшение динамического диапазона материала для соответствия динамическому диапазону целевого формата (тональная компрессия)
- Преобразование в цветовой пространство целевого формата
- Инвертирование EOTF для материала (при использовании EOTF в устройстве отображения изображение восстанавливается как нужно).
До текущего момента стандартный техпроцесс игры выглядел следующим образом:
- Рендеринг
- Буфер кадра HDR
- Тональная коррекция
- Инвертирование EOTF для предполагаемого устройства отображения (обычно sRGB)
- Цветокоррекция
Стандартный рабочий процесс цветокоррекции SDR (изображение принадлежит Джонатану Блоу (Jonathan Blow))
После внедрения HDR большинство игр начало двигаться к техпроцессу, похожему на используемый в производстве фильмов. Даже при отсутствии HDR схожий с кинематографическим техпроцесс позволял оптимизировать работу. Выполнение цветокоррекции в HDR означает, что у вас есть целый динамический диапазон сцены. Кроме того, становятся возможными некоторые эффекты, которые раньше были недоступны.
Теперь мы готовы рассмотреть различные стандарты, используемые в настоящее время для описания форматов телевизоров.
Видеостандарты
Rec. 709
Большинство стандартов, относящихся к вещанию видеосигналов, выпущено Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), органом ООН, в основном занимающимся информационными технологиями.Рекомендация ITU-R BT.709 , которую чаще называют Rec. 709 - это стандарт, описывающий свойства HDTV. Первая версия стандарта была выпущена в 1990 году, последняя - в июне 2015 года. В стандарте описываются такие параметры, как соотношения сторон, разрешения, частота кадров. С этими характеристиками знакомо большинство людей, поэтому я не буду рассматривать их и сосредоточусь на разделах стандарта, касающихся воспроизведения цвета и яркости.
В стандарте подробно описана цветность, ограниченная цветовым пространством xyY CIE. Красный, зелёный и синий источники освещения соответствующего стандарту дисплея должны быть выбраны таким образом, чтобы их отдельные координаты цветности были следующими:
Их относительная интенсивность должна быть настроена таким образом, чтобы белая точка имела цветность
(Эта белая точка также известна как CIE Standard Illuminant D65 и аналогична захвату координат цветности распределения спектральной интенсивности обычного дневного освещения.)
Свойства цветности можно визуально представить следующим образом:
Охват Rec. 709
Область схемы цветности, ограниченная треугольником, созданным основными цветами заданной системы отображения, называется охватом.
Теперь мы переходим к части стандарта, посвящённой яркости, и здесь всё становится немного сложнее. В стандарте указано, что «Общая оптико-электронная передаточная характеристика в источнике» равна:
Здесь есть две проблемы:
- Не существует спецификации о том, чему соответствует физическая яркость L = 1
- Несмотря на то, что это стандарт вещания видео, в нём не указана EOTF
Где L = 1 соответствует яркость примерно 100 кд / м² (единицу кд / м² в этой отрасли называют «нит»). Это подтверждается ITU в последних версиях стандарта следующим комментарием:
В стандартной производственной практике функция кодирования источников изображения регулируется таким образом, чтобы конечное изображение имело требуемый вид, соответствующий видимому на эталонном мониторе. В качестве эталонной принимается функция декодирования из Рекомендации ITU-R BT.1886. Эталонная среда просмотра указана в Рекомендации ITU-R BT.2035.Rec. 1886 - это результат работ по документации характеристик ЭЛТ-мониторов (стандарт опубликован в 2011 году), т.е. является формализацией существующей практики.
Кладбище слонов ЭЛТ
Нелинейность яркости как функции приложенного напряжения привела к тому, как физически устроены ЭЛТ-мониторы. По чистой случайности эта нелинейность (очень) приблизительно является инвертированной нелинейностью восприятия яркости человеком. Когда мы перешли к цифровому представлению сигналов, это привело к удачному эффекту равномерного распределения ошибки дискретизации по всему диапазону яркости.
Rec. 709 рассчитана на использование 8-битного или 10-битного кодирования. В большинстве контента используется 8-битное кодирование. Для него в стандарте указано, что распределение диапазона яркости сигнала должно распределяться в кодах 16-235.
HDR10
Что касается HDR-видео, то в нём есть два основных соперника: Dolby Vision и HDR10. В этой статье я сосредоточусь на HDR10, потому что это открытый стандарт, который быстрее стал популярным. Этот стандарт выбран для Xbox One S и PS4.Мы снова начнём с рассмотрения используемой в HDR10 части цветности цветового пространства, определённой в Рекомендации ITU-R BT.2020 (UHDTV). В ней указаны следующие координаты цветности основных цветов:
И снова в качестве белой точки используется D65. При визуализации на схеме xy Rec. 2020 выглядит следующим образом:
Охват Rec. 2020
Очевидно заметно, что охват этого цветового пространства значительно больше, чем у Rec. 709.
Теперь мы переходим к разделу стандарта о яркости, и здесь снова всё становится более интересным. В своей кандидатской диссертации 1999 года “Contrast sensitivity of the human eye and its effect on image quality” («Контрастная чувствительность человеческого глаза и её влияние на качество изображения») Питер Бартен представил немного пугающее уравнение:
(Многие переменные этого уравнения сами по себе являются сложными уравнениями, например, яркость скрывается внутри уравнений, вычисляющих E и M).
Уравнение определяет, насколько чувствителен глаз к изменению контрастности при различной яркости, а различные параметры определяют условия просмотра и некоторые свойства наблюдателя. «Минимальная различаемая разница» (Just Noticeable Difference, JND) обратна уравнению Бартена, поэтому для дискретизации EOTF, чтобы избавиться от привязки к условиям просмотра, должно быть верно следующее:
Общество инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE) решило, что уравнение Бартена будет хорошей основой для новой EOTF. Результатом стало то, что мы сейчас называем SMPTE ST 2084 или Perceptual Quantizer (PQ).
PQ был создан выбором консервативных значений для параметров уравнения Бартена, т.е. ожидаемых типичных условий просмотра потребителем. Позже PQ был определён как дискретизация, которая при заданном диапазоне яркости и количестве сэмплов наиболее точно соответствует уравнению Бартена с выбранными параметрами.
Дискретизированные значения EOTF можно найти с помощью следующей рекуррентной формулы нахождения k < 1 . Последним значением дискретизации будет являться необходимая максимальная яркость:
Для максимальной яркости в 10 000 нит с использованием 12-битной дискретизации (которая используется в Dolby Vision) результат выглядит следующим образом:
EOTF PQ
Как можно заметить, дискретизация не занимает весь диапазон яркости.
В стандарте HDR10 тоже используется EOTF PQ, но с 10-битной дискретизацией. Этого недостаточно, чтобы оставаться ниже порога Бартена в диапазоне яркости в 10 000 нит, но стандарт позволяет встраивать в сигнал метаданные для динамической регуляции пиковой яркости. Вот как 10-битная дискретизация PQ выглядит для разных диапазонов яркости:
Разные EOTF HDR10
Но даже так яркость немного выше порога Бартена. Однако ситуация не настолько плоха, как это может показаться из графика, потому что:
- Кривая логарифмическая, поэтому относительная погрешность на самом деле не так велика
- Не стоит забывать, что параметры, взятые для создания порога Бартена, выбраны консервативно.
Вот пример того, как выглядит 8-битная дискретизация Rec. 709 с пиковой яркостью 100 нит:
EOTF Rec. 709 (16-235)
Как можно видеть, мы намного выше порога Бартена, и, что важно, даже самые неразборчивые покупатели будут настраивать свои телевизоры на значительно большие 100 нит пиковые яркости (обычно на 250-400 нит), что поднимет кривую Rec. 709 ещё выше.
В заключение
Одно из самых больших различий между Rec. 709 и HDR в том, что яркость последнего указывается в абсолютных значениях. Теоретически это означает, что контент, предназначенный для HDR, будет выглядеть одинаково на всех совместимых телевизорах. По крайней мере, до их пиковой яркости.Существует популярное заблуждение, что HDR-контент в целом будет ярче, но в общем случае это не так. HDR-фильмы чаще всего будут изготавливаться таким образом, чтобы средний уровень яркости изображения был тем же, что и для Rec. 709, но так, чтобы самые яркие участки изображения были более яркими и детальными, а значит, средние тона и тени будут более тёмными. В сочетании с абсолютными значениями яркости HDR это означает, что для оптимального просмотра HDR нужны хорошие условия: при ярком освещении зрачок сужается, а значит, детали на тёмных участках изображения будет сложнее разглядеть.
Теги:
- rgb
- пространства цветов
- color spaces
- стандарты видео
- hdr
- hdtv
В российской традиции иногда обозначается как КЗС .
Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. Цветовая модель RGB нашла широкое применение в технике.
Аддитивной она называется потому, что цвета получаются путём добавления (англ. addition ) к черному. Иначе говоря, если цвет экрана, освещённого цветным прожектором, обозначается в RGB как (r 1 , g 1 , b 1), а цвет того же экрана, освещенного другим прожектором, - (r 2 , g 2 , b 2), то при освещении двумя прожекторами цвет экрана будет обозначаться как (r 1 +r 2 , g 1 +g 2 , b 1 +b 2).
Изображение в данной цветовой модели состоит из трёх каналов. При смешении основных цветов (основными цветами считаются красный, зелёный и синий) - например, синего (B) и красного (R), мы получаем пурпурный (M magenta), при смешении зеленого (G) и красного (R) - жёлтый (Y yellow), при смешении зеленого (G) и синего (B) - циановый (С cyan). При смешении всех трёх цветовых компонентов мы получаем белый цвет (W).
Определение
Цветовая модель RGB была изначально разработана для описания цвета на цветном мониторе, но, поскольку, мониторы разных моделей и производителей различаются, были предложены несколько альтернативных цветовых пространств, соответствующих «усредненному» монитору. К таким относятся, например, sRGB и Adobe RGB.
Варианты этого цветового пространства отличаются разными оттенками основных цветов, разной цветовой температурой , разным показателем гамма-коррекции .
Представление базисных цветов RGB согласно рекомендациям ITU , в пространстве 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 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
Числовое представление
RGB-цветовая модель представленная в виде куба
Для большинства приложений значения координат r, g и b можно считать принадлежащими отрезку , что представляет пространство RGB в виде куба 1×1×1.
COLORREF
COLORREF - стандартный тип для представления цветов в Win32 . Использует для определения цвета в RGB виде. Размер - 4 байта. При определении какого-либо RGB цвета, значение переменной типа COLORREF можно представить в шестнадцатиричном виде так:
0x00bbggrr
rr, gg, bb - значение интенсивности соответственно красной, зеленой и синей составлющих цвета. Максимальное их значение - 0xFF.
Определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:
COLORREF C = (b,g,r);
b, g и r - интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно синей, зеленой и красной составляющих определяемого цвета C. То есть ярко-красный цвет может быть определён как (255,0,0), ярко-фиолетовый - (255,0,255), чёрный - (0,0,0), а белый - (255,255,255)
