Что такое цветовая модель в компьютерной графике
Когда мы применяем компьютерную графику в проектах, то часто говорим про цветовую модель RGB. А те, кто занимается печатью фотографий и журналов, говорят про CMYK. Сегодня разберёмся, чем отличается CMYK от RGB и как они устроены.
👉 Это для общего кругозора и понимания мира компьютеров. Прикладных знаний сегодня не будет.
C детства мы помним, что если смешать красный и жёлтый цвета, то получится оранжевый, а если голубой и жёлтый — то будет зелёный. Мы смешивали эти краски на палитре и рисовали.
В принципе, смешивать можно было не на палитре, а на самом листе: можно было нарисовать светло-голубой листочек, потом пройтись сверху прозрачным жёлтым, и получился бы зелёный листочек. Так делают, когда рисуют акварелью.
Примерно так же работают все современные принтеры и печатные станки. В них залито несколько красок. Сначала принтер проходит одним цветом, потом другим, потом третьим, как бы смешивая эти цвета на листе. И получаются цветные изображения.
Чтобы давать принтеру указания, где какую краску наносить, используют цветовую модель CMYK.
CMYK — это компьютерная цветовая модель, которая имитирует смешивание красок на бумаге. Первые три буквы — это названия цветов, из которых всё смешивается:
Смешивая в разных пропорциях эти цвета, мы можем получить на бумаге оттенки любого цвета.
CMYK используют для разработки полиграфической продукции, то есть для всего, что печатается на бумаге. Модель CMYK говорит принтеру или печатному станку: «Вот тут нанеси пурпурного, а там нанеси голубого, тут всё залей жёлтым». И если принтер правильно всё нанесёт, получится нужное нам цветное изображение.
Например, если принтеру поручат напечатать одну из наших обложек, он воспримет эту инструкцию так:
Видно, что синий цвет пены получается от смешивания пополам голубого и розового. Красный цвет стен смешивается из пурпурного и жёлтого. А цвет кожи — это жёлтый с небольшим добавлением пурпурного. И отдельно наносятся чёрные линии.
Чтобы получить чёрный цвет, можно смешать все три базовых цвета, но появится проблема: бумаге нужно будет впитать довольно много краски. Если на картинке будет много чёрного, бумага размякнет и может испортиться. А ещё от смешения всех цветов мы в реальности получим не чёрный, а скорее грязно-коричневый.
Решение придумали такое: добавить в модель чёрный цвет. Так появилась модель CMYK: Cyan, Magenta, Yellow, Black. Чёрный используют, чтобы печатать текст и дополнительно подкрашивать чёрные участки изображений.
Обратите внимание, что цвета на этой картинке не «вырвиглазные» и яркие, а приглушённые. Это компьютер пытается отобразить на экране, как эти цвета будут выглядеть на бумаге
Обратите внимание, что цвета на этой картинке не «вырвиглазные» и яркие, а приглушённые. Это компьютер пытается отобразить на экране, как эти цвета будут выглядеть на бумаге
С бумажной печатью всё понятно, но с отображением на экране всё иначе. Дело в том, что экран — это куча светящихся пикселей, которые работают по другому принципу. Если при печати мы не поставим на бумагу ни одну каплю краски, она останется белой. А вот если мы не включим на экране ни один пиксель, то он останется чёрным. Всё дело в том, что бумага отражает свет, а экран — наоборот, излучает его.
Каждый пиксель на экране монитора состоит из трёх субпикселей — красного, зелёного и синего.
На бумаге при смешивании чернил мы получали более тёмные цвета. А на экране всё наоборот: при смешивании мы получаем более яркие и более светлые цвета. Это происходит потому, что при смешивании у нас увеличивается количество светящихся пикселей и количество света, который видит глаз.
В итоге цвета в RGB могут быть более вырвиглазными, яркими, сочными и контрастными — ведь вы не отражаете, не поглощаете, а излучаете цвет.
А если все три субпикселя будут светиться со стопроцентной яркостью, то мы увидим белый цвет:
Цвет – один из факторов нашего восприятия светового излучения. Считалось, что белый свет – самый простой. Опыты Ньютона это опровергли. Ньютон пропустил белый свет через призму, в результате чего тот разложился на 7 составляющих (7 цветов радуги). При обратном процессе (т.е. пропускании набора различных цветов через другую призму) снова получался белый цвет.
Белый цвет можно представить смесью всех цветов радуги. Иными словами, спектр белого является непрерывным и равномерным – в нем присутствуют излучения всех длин волн видимого диапазона. Можно предположить, что, если измерить интенсивность света, испускаемого или отраженного от объекта, во всех видимых длинах волн, то мы полностью определим цвет этого объекта.
Однако в реальности такое измерение не предсказывает визуальное представление объекта. Таким образом, можно определить только те оптические свойства, которые влияют на наблюдаемый цвет:
- Цветовой тон . Можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличить один цвет от другого.
- Яркость . Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.
- Насыщенность (чистота тона) . Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует.
Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели - как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.
- аддитивная : аддитивный синтез цвета предполагает получение цвета смешением излучений. В аддитивном синтезе под белым цветом мы понимаем смешение основных излучений в максимальном количестве, а чёрный цвет - полное отсутствие излучений.
- субтрактивная : при субтрактивном синтезе компоненты излучения попадают в глаз не напрямую, а преобразуясь оптической средой - при отражении окрашенной поверхностью. Ее окраска выполняет функцию преобразователя энергии излучения источника света. Отражаясь от нее или проходя насквозь, одни лучи ослабляются сильнее, другие слабее.
В основе одной из наиболее распространенных цветовых моделей, называемой RGB моделью, лежит воспроизведение любого цвета путем сложения трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каждый канал - R, G или B имеется свой отдельный параметр, указывающий на количество соответствующей компоненты в конечном цвете.
Основные цвета разбиваются на оттенки по яркости (от темного к светлому), и каждой градации яркости присваивается цифровое значение (например, самой темной – 0, самой светлой – 255).
В модели RGB цвет можно представить в виде вектора в трехмерной системе координат с началом отсчета в точке (0,0,0). Внутри полученного куба и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство.
- Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует (черный цвет) R-0 G-0 B-0
- Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют максимальное значение (белый цвет) R-255 G-255 B-255
- На линии, соединяющей предыдущие две точки (по диагонали), располагаются серые оттенки: от черного до белого (серая шкала, обычно — 256 градаций). Это происходит потому, что все три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до максимального значения
- Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.
Несмотря на неполный охват, стандарт RGB в настоящее время принят практических для всех излучающих устройств графического вывода (телевизоры, мониторы, плазменные панели и др.)
Цветовая модель CMY(K)
Модель CMY использует также три основных цвета: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный, или малиновый) и Yellow (желтый).
Цвета являются прямо противоположными красному, синему и зеленому, т.е. голубой полностью поглощает красный, пурпурный - зеленый, а желтый - синий.
Например, соединение в равных долях всех трех красок CMY в одной точке приведет к тому, что весь белый свет не будет отражен, а следовательно, цвет окажется черным. А вот одновременно и в равной пропорции нанесенные всевозможные пары из тройки CMY дадут нам основные цвета RGB.
Цветовая модель CMY является основной в полиграфии. В цветных принтерах также применяется данная модель. Но для, что для того, чтобы распечатать чёрный цвет, необходимо большое количество краски и кроме того смешание всех цветов модели CMY на самом деле даст не чёрный, а грязно-коричневый цвет. Поэтому, для усовершенствования модели CMY, в неё был введён дополнительный цвет - чёрный. Он является ключевым цветом при печати, поэтому последняя буква в названии модели - K (Key - ключевой), а не B (Black). Таким образом, модель CMYK является четырёхканальной. В этом заключается ещё одно отличие её от RGB.
Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам RGB. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Так, например, дополнительный для красного цвета – голубой; для зеленого – пурпурный; для синего - желтый
Каждое из чисел, определяющее цвет в CMYK, представляет собой процент краски данного цвета, составляющей цветовую комбинацию, а точнее, размер точки растра, выводимой на фотонаборном аппарате на плёнке данного цвета (или прямо на печатной форме в случае с CTP ). Например, для получения цвета «хаки» следует смешать 30 частей голубой краски, 45 — пурпурной, 80 — жёлтой и 5 — чёрной. Это можно обозначить следующим образом: (30,45,80,5)
- Начало координат: при полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) получится белый цвет (белая бумага) C-0 M-0 Y-0 K-0
- Точка, ближайшая к зрителю: при смешении максимальных значений всех трех компонентов должен получиться черный цвет. C-100 M-100 Y-100 K-100
- Линия, соединяющая предыдущие две точки (по диагонали). Смешение равных значений трех компонентов даст оттенки серого.
- Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.
Рассмотренные модели ориентированы на работу с цветопередающей аппаратурой и для некоторых людей неудобны, в реальности человек воспринимает цвет по-другому. Поэтому модель HSV опирается на интуитивные понятия тона насыщенности и яркости.
В цветовом пространстве модели HSV ( Hue - тон , Saturation - насыщенность , Value - количество света ), используется цилиндрическая система координат, а множество допустимых цветов представляет собой шестигранный конус, поставленный на вершину.
Основание конуса представляет яркие цвета и соответствует V = 1. Однако цвета основания V = 1 не имеют одинаковой воспринимаемой интенсивности. Тон ( H ) измеряется углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси OV . При этом красному цвету соответствует угол 0°, зелёному – угол 120° и т. д. Цвета, взаимно дополняющие друг друга до белого, находятся напротив один другого, т. е. их тона отличаются на 180°. Величина S изменяется от 0 на оси OV до 1 на гранях конуса.
Конус имеет единичную высоту (V = 1) и основание, расположенное в начале координат. В основании конуса величины H и S смысла не имеют. Белому цвету соответствует пара S = 1, V = 1. Ось OV (S = 0) соответствует ахроматическим цветам (серым тонам).
Процесс добавления белого цвета к заданному можно представить как уменьшение насыщенности S, а процесс добавления чёрного цвета – как уменьшение яркости V. Основанию шестигранного конуса соответствует проекция RGB куба вдоль его главной диагонали.
Для присвоения цветовых параметров объектам используются несколько цветовых моделей в зависимости от решаемой задачи. Эти модели различаются по принципам описания цветового пространства:
Цветовой график МКО
Трехмерная природа восприятия цвета позволяет отображать его в прямоугольной системе координат. Любой цвет можно изобразить в виде вектора, компонентами которого являются относительные веса красного, зеленого и синего цветов, вычисленные по формулам
Поскольку эти координаты в сумме всегда составляют единицу, а каждая из координат лежит в диапазоне от 0 до 1, то все представленные таким образом точки пространства будут лежать в одной плоскости, причем только в треугольнике, отсекаемом от нее положительным октантом системы координат (рис. 2.5а). Ясно, что при таком представлении все множество точек этого треугольника можно описать с помощью двух координат, так как третья выражается через них посредством соотношения
Таким образом, мы переходим к двумерному представлению области, т.е. к проекции области на плоскость (рис. 2.5б).
С использованием такого преобразования в 1931 г. были выработаны международные стандарты определения и измерения цветов. Основой стандарта стал так называемый двумерный цветовой график МКО. Поскольку, как показали физические эксперименты, сложением трех основных цветов можно получить не все возможные цветовые оттенки, то в качестве базисных были выбраны другие параметры, полученные на основе исследования стандартных реакций глаза на свет. Эти параметры - - являются чисто теоретическими, поскольку построены с использованием отрицательных значений основных составляющих цвета. Треугольник основных цветов был построен так, чтобы охватывать весь спектр видимого света. Кроме того, равное количество всех трех гипотетических цветов в сумме дает белый цвет. Координаты цветности строятся так же, как и в приведенной выше формуле:
При проекции этого треугольника на плоскость получается цветовой график МКО. Но координаты цветности определяют только относительные количества основных цветов, не задавая яркости результирующего цвета. Яркость можно задать координатой , а определить исходя из величин , по формулам
Цветовой график МКО приведен на рис. 2.6. Область, ограниченная кривой, охватывает весь видимый спектр, а сама кривая называется линией спектральных цветностей. Числа, проставленные на рисунке, означают длину волны в соответствующей точке. Точка , соответствующая полуденному освещению при сплошной облачности, принята в качестве опорного белого цвета.
Цветовой график удобен для целого ряда задач. Например, с его помощью можно получить дополнительный цвет: для этого надо провести луч от данного цвета через опорную точку до пересечения с другой стороной кривой (цвета являютсядополнительными друг к другу, если при сложении их в соответствующей пропорции получается белый цвет). Для определения доминирующей длины волны какого-либо цвета также проводится луч из опорной точки до пересечения с данным цветом и продолжается до пересечения с ближайшей точкой линии цветностей.
Для смешения двух цветов используются законы Грассмана. Пусть два цвета заданы на графике МКО координатами и . Тогда смешение их дает цвет =(x_1+x_2,y_1+y_2,z_1+z_2)" />
. Если ввести обозначения , t_2=\frac" />
, то получим координаты цветности смеси
Координаты МКО являются точным стандартом определения цвета. Но в различных областях, имеющих дело с цветом, есть свой подход к его моделированию. В частности, может использоваться другой набор основных цветов. Компьютерная графика опирается на систему , поэтому представляет интерес переход между этими двумя наборами цветов (иными словами, преобразование координат цветности).
1) RGB
По этой цветовой модели работают такие устройства как сканеры и мониторы. Большинство цветов спектра могут быть получены путем смешивания трех цветов: красного, зеленого и синего. Любой из этих цветов может иметь числовое значение в диапазоне от 0 до 255. Данные 3 цветовые компоненты называются аддитивными цветами. В результате сложения аддитивных цветов при их максимальной яркости получается белый цвет. Модель RGB используется при создании изображений, предназначенных для отображения на экране монитора.
Модель представляется в виде трехмерной системы координат:
В этой системе любая координата отображает значение соответствующего аддитивного цвета в составе конкретного пикселя в диапазоне от 0 до 255. В результате образуется куб, внутри которого находятся все цвета, образуя цветовое пространство. В нем выделяются особые точки:
1) т. О – начало координат. Все цвета равны 0, поэтому т. О – черного цвета;
2) т. А – все составляющие цвета имеют максимальное значение (R=255, G=255, B=255), следовательно, т. А – точка черного цвета;
3) отрезок ОА. На нем расположены точки, у которых все компоненты имеют одинаковое значение (R=G=B). Точки, у которых цветовые компоненты одинаковы, являются серыми. Если числовое значение небольшое (30), это темно-серая точка, а если большое (200) – светло- серая точка. Поэтому отрезок ОА называется шкалой серого.
4) т. В (R=255,G=0, B=0) – точка чисто красного цвета. Аналогично т. G – точка чисто зеленого цвета и т. B – чисто синего цвета.
Остальные три вершины куба отражают смешение двух аддитивных цветов.
2) CMYK
По этой модели работают печатающие устройства, в том числе принтеры. Эта модель имеет 4 координаты, а, следовательно, для нее рассматриваются четырехмерные изображения. Любое измерение описывает цвет печатной краски:
С – значение (величина) голубой краски (0..255);
М – величина пурпурной краски;
Y – величина желтой краски;
К – величина черной краски.
Основным свойством светопоглощения красок является абсорбция. Эффект абсорбции заключается в том, что при прохождении белого света через краску часть цветового цвета поглощается, а часть – отражается, попадая в глаз человеку. К отражаемым относятся цвета, которые получаются вычитанием из белого цвета какого-либо аддитивного. Например, когда белый свет попадает на голубую краску, то происходит поглощение красного цвета, оставшиеся цветовые волны отражаются и попадают в глаз человека. Цвета, которые образуются вычитанием аддитивных компонентов из белого цвета, называются субтрактивными. Поэтому голубой, пурпурный и желтый – субтрактиивные цвета. Если смешать две субтрактивные краски, то можно получить аддитивную краску. При полном отсутствии всех субтрактивных цветов получается белый. При смешивании двух субтрактивных цветов результирующий цвет затемняется. При смешивании всех трех субтрактивных цветов должен получиться черный, но получается темно-коричневый либо темно-синий. Это связано с тем, что ни одна печатная краска не является абсолютно чистой и обязательно содержит примеси. Чтобы получить черный цвет, нужно к трем субтрактивным краскам добавлять черную. Все 4 цвета называются триадные цвета. Триадные краски являются основой стандартной четырехкрасочной печати.
5) Шкала серого
Эта модель используется для представления объектов с помощью оттенков серого цвета, число которых может достигать 256. в этой модели любой пиксель черно-белого изображения характеризуется значением яркости. Яркость изменяется в диапазоне от 0 (черный) до 255 (белый).эта модель используется для создания документов и черно-белых рисунков (чертежей). Позволяет преобразовать цветные изображения в высококачественные черно-белые. В процессе такого преобразования удаляется вся цветовая информация. В преобразованном изображении оттенки серого цвета соответствуют начальной яркости пикселей исходных цветных изображений.
Свет как физическое явление представляет собой поток электромагнитных волн различной длины и амплитуды. Глаз человека, будучи сложной оптической системой, воспринимает эти волны в диапазоне длин приблизительно от 350 до 780 нм. Свет воспринимается либо непосредственно от источника, например, от осветительных приборов, либо как отраженный от поверхностей объектов или преломленный при прохождении сквозь прозрачные и полупрозрачные объекты. Цвет - это характеристика восприятия глазом электромагнитных волн разной длины, поскольку именно длина волны определяет для глаза видимый цвет. Амплитуда, определяющая энергию волны (пропорциональную квадрату амплитуды), отвечает за яркость цвета. Таким образом, само понятие цвета является особенностью человеческого "видения" окружающей среды.
На рис. 2.1 схематически изображен глаз человека. Фоторецепторы, расположенные на поверхности сетчатки, играют роль приемников света. Хрусталик - это своеобразная линза, формирующая изображение, а радужная оболочка исполняет роль диафрагмы, регулируя количество света, пропускаемого внутрь глаза. Чувствительные клетки глаза неодинаково реагируют на волны различной длины. Интенсивность света есть мера энергии света, воздействующего на глаз, а яркость - это мера восприятия глазом этого воздействия. Интегральная кривая спектральной чувствительности глаза приведена на рис. 2.2; это стандартная кривая Международной комиссии по освещению (МКО, или CIE - Comission International de l'Eclairage).
Фоторецепторы подразделяются на два вида: палочки и колбочки. Палочки являются высокочувствительными элементами и работают в условиях слабого освещения. Они нечувствительны к длине волны и поэтому не "различают" цвета. Колбочки же, наоборот, обладают узкой спектральной кривой и "различают" цвета. Палочек существует только один тип, а колбочки подразделяются на три вида, каждый из которых чувствителен к определенному диапазону длин волн (длинные, средние или короткие.) Чувствительность их также различна.
На рис. 2.3 представлены кривые чувствительности колбочек для всех трех видов. Видно, что наибольшей чувствительностью обладают колбочки, воспринимающие цвета зеленого спектра, немного слабее - "красные" колбочки и существенно слабее - "синие".
Таким образом, если функция характеризует спектральное разложение светового излучения от некоторого источника (рис. 2.4), т. е. распределение интенсивности по длинам волн, то три типа колбочек будут посылать в мозг сигналы (красный, зеленый, синий), мощность которых определяется интегральными соотношениями
где - функции чувствительности соответствующих типов колбочек.
Если воспринимаемый свет содержит все видимые длины волн в приблизительно равных количествах, то он называетсяахроматическим и при максимальной интенсивности воспринимается как белый, а при более низких интенсивностях - как оттенки серого цвета. Интенсивность отраженного света удобно рассматривать в диапазоне от 0 до 1, и тогда нулевое значение будет соответствовать черному цвету. Если же свет содержит длины волн в неравных пропорциях, то он являетсяхроматическим. Объект, отражающий свет, воспринимается как цветной, если он отражает или пропускает свет в узком диапазоне длин волн. Точно так же и источник света воспринимается как цветной, если он испускает волны в узком диапазоне длин. При освещении цветной поверхности цветным источником света могут получаться довольно разнообразные цветовые эффекты.
4) Lab
Была создана для преодоления существенных недостатков трех вышеописанных моделей. Эта модель является аппаратно независимой и определяет цвета без учета устройств вывода. В ней цвет описывается с учетом трех составляющих цветового зрения человека. В модели имеются 3 параметра: L, a, b. цвет определяется параметром L, который называется светлота цвета, параметр а измеряется в диапазоне от зеленого до красного, b – в диапазоне от синего до желтого. Эта модель используется для качественного преобразования цветного изображения в черно-белое. По этой модели работает система управления цветом мониторов. Она обеспечивает возможность цветов на мониторе. Система управления цветом обеспечивает также автоматическое преобразование цветов между цветовыми моделями и позволяет получить наилучшее соответствие между экранными и печатными цветами.
3) HSB
В этой модели выделяют 3 параметра:
H – цветовой тон;
S – насыщенность цвета;
Модель HSB построена на основе моделей RGB и CMYK. Цвета моделей за исключением черного располагаются в цветовом круге в следующем порядке:
Цветовой тон (Н) занимает определенное положение на стандартном цветовом круге и характеризуется величиной угла от 0 до 360˚. Если Н=0˚ - красный цвет, Н=60˚ - желтый, Н=120˚ - зеленый и т. д.
S – насыщенность определяет степень чистоты цвета. Насыщенность определяет соотношение серого цвета и текущего цветового тона. Измеряется в процентах – от 0 до 100. на стандартном цветовом круге в его центре насыщенность равна 0, на краях круга равна 100 процентов. Поэтому при любом цветовом тоне в центре круга при насыщенности 0 цвет будет по шкале серого (зависит от яркости). При насыщенности 100 процентов цвет является полностью насыщенным, чистым.
В – яркость характеризует относительную светлоту цвета. Измеряется в процентах от 0 до 100. при яркости 0 процентов – цвет черный, при 100 процентах – белый. На цветовом круге любой цвет находится напротив дополняющего его цвета. Например, у красного цвета дополняющим является голубой. Чтобы усилить какой-либо цвет нужно ослабить дополняющий его цвет. Например, чтобы в изображении усилить пурпурный, нужно уменьшить количество зеленого.
Любой цвет на цветовом круге находится межу цветами, с помощью которых он получен. Например, синий получается в результате смешения пурпурного и голубого.
Модель HSB является самой удобной для работы по цветовому оформлению изображений, т. к. сначала выбирается цветовой тон, а затем настраиваются насыщенность и яркость. Недостатком этой модели является необходимость преобразования иллюстрации, созданной в ней, в модель RGB для отображения на экране монитора или в модель CMYK для печати на принтере.
Цветовые модели HSV и HLS
Приведенные модели не охватывают всего диапазона видимого цвета, поскольку их цветовой охват - это лишь треугольник на графике МКО, вершинам которого соответствуют базовые цвета. Они являются аппаратно ориентированными, т.е. соответствуют технической реализации цвета в устройствах графического вывода. Но психофизиологическое восприятие света определяется не интенсивностью трех первичных цветов, а цветовым тоном, насыщенностью и светлотой. Цветовой тон позволяет различать цвета, насыщенность задает степень "разбавления" чистого тона белым цветом, а светлота - это интенсивность света в целом. Поэтому для адекватного нашему восприятию подбора оттенков более удобными являются модели, в числе параметров которых присутствует тон (Hue). Этот параметр принято измерять углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. При этом красному цвету соответствует угол 0 , зеленому - 120 , синему - 240 , а дополняющие друг друга цвета расположены один напротив другого, т.е. угол между ними составляет 180 . Цвета CMY расположены посредине между составляющими их компонентами RGB. Существует две модели, использующие этот параметр.
Модель HSV (Hue, Saturation , Value, или тон, насыщенность, количество света) можно представить в виде световой шестигранной пирамиды (рис. 2.10), по оси которой откладывается значение V, а расстояние от оси до боковой грани в горизонтальном сечении соответствует параметру S (за диапазон изменения этих величин принимается интервал от нуля до единицы). Значение S равно единице, если точка лежит на боковой грани пирамиды. Шестиугольник, лежащий в основании пирамиды, представляет собой проекцию цветового куба в направлении его главной диагонали (рис. 2.11).
Первое представление о компьютерной графике и цветовых моделях вы получили в 7 классе (см. §22).
Компьютерная графика — область деятельности человека, в которой компьютерные технологии используются для создания и обработки изображений .
В настоящее время компьютерные технологии используются во всех сферах нашей жизни, поэтому компьютерная графика стала чрезвычайно востребованной. Результатами компьютерной графики пользуются не только специалисты, но и обычные пользователи компьютерных устройств.
В компьютерной графике основополагающим является понятие цвета. Чтобы в процессе подготовки цветных изображений принимать корректные решения, следует учитывать особенности восприятия цвета глазом человека. Человеческий глаз воспринимает цвет субъективно (пример 8.1). Но электронные устройства оперируют точными значениями.
Чтобы в компьютерной графике при работе с цветом не возникало разночтений, используются цветовые модели.
Цветовая модель — средство описания цвета посредством его разложения на простые составляющие.
Цветовых моделей много, в них заложены разные принципы работы с цветами и разные возможности для их отображения. Все используемые в настоящее время цветовые модели можно условно классифицировать следующим образом:
- двухградационные (черно-белые).
- полутоновые (с оттенками серых цветов).
- индексные — каждому цвету в цветовой таблице ставится в соответствие индекс.
- полноцветные
- аддитивные (RGB) — основанные на сложении цветов;
- субтрактивные (CMY, CMYK) — основанные на вычитании цветов;
- перцепционные (HSV, HSB, HLS, LAB, и т. д.) — основанные на восприятии цвета.
Остановимся подробнее на четырёх моделях, с которыми чаще всего работают в Photoshop и других графических редакторах.
RGB
Модель получила свое название по первым буквам английских слов Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий).
Аппаратноориентированная модель, используемая для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов (пикселов экрана). В этой же модели кодирует изображение сканер.
Любой цвет в этой модели образуется путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветов: красного, зеленого и синего, которые называются первичными. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой, пурпурный и желтый. Первичные и вторичные цвета называются базовыми цветами. С помощью базовых цветов можно получить практически весь спектр видимых цветов.
Цветовой охват — это диапазон цветов, который может различать человек или воспроизводить устройство.
Ограничение по цветовому охвату в RGB-модели существует, но, несмотря на это, данной модели вполне достаточно для создания цветов и оттенков, необходимых для воспроизведения фотореалистических изображений на экране компьютерных устройств.
Цвет в данной цветовой модели описывается тремя значениями в диапазоне от 0 до 255.
В трехмерной системе координат цветовую модель RGB можно представить в виде куба (пример 8.2).
CMYK
В отличие от экрана монитора, воспроизведение цветов которого основано на излучении света, печатная страница может только отражать цвет. Нанесенная на бумагу голубая краска поглощает красный цвет и отражает зеленый и синий цвета.
В полиграфии и в печатающих устройствах используется модель CMYK, которая, в отличие от RGB, основана на восприятии не излучаемого, а отражаемого света.
В трехмерной системе координат цветовую модель CMYK можно также представить в виде куба (пример 8.3).
Модель CMYK базируется на четырех основных цветах: Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый), Black (черный). Чёрный цвет означают K (по последней букве), чтобы не путать с Blue.
Цвета в модели CMYK образуются путем вычитания из черного цвета желтого, пурпурного и голубого цветов, поэтому модель CMYK является субтрактивной.
Три первичных цвета в CMY при смешивании создают черный цвет. Однако, поскольку реальные чернила не создают чистых цветов, то к этим трем цветам добавляется отдельно черный цвет (К) и модель называется CMYK.
Цветовой охват в CMYK уже, чем в RGB, поэтому при преобразовании данных из RGB в CMYK цвета искажаются (пример 8.4).
HSB
Модель HSB получила название по первым буквам английских слов: Hue (цветовой тон, оттенок), Saturation (насыщенность), Brightness (яркость).
H — значение, определяющее положение цвета в спектре. Например, зеленый цвет расположен между желтым и синим цветами.
S — параметр управления цветом, определяющий чистоту оттенка цвета в диапазоне от серого до чистого цвета.
B — значение яркости цвета по шкале от черного до белого на мониторе пользователя измеряется в процентах: от 0 до 100% (нулевая яркость соответствует чёрному цвету).
Модель HSB принято использовать при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников.
Цветовой охват модели HSB перекрывает все известные значения реальных цветов (пример 8.5).
HSB-модель больше чем модели RGB и CMYK соответствует традиционному восприятию цвета человеком и наиболее проста в понимании: сначала можно определить цветовой тон, а затем задать ему насыщенности и яркость.
Lab
Цветовая модель Lab была создана с целью преодоления существенных недостатков других моделей. Это аппаратно-независимая модель, определяющая цвета без учета особенностей устройств (монитора, принтера, и т. д.). В отличие от других цветовых моделей Lab-модель описывает цвет с использованием трех составляющих цветового зрения человека (пример 8.6).
Цвет в цветовой модели Lab определяется тремя параметрами, два из которых задают цветовой тон.
а — цветность в диапазоне от зеленого до пурпурного;
b — цветность в диапазоне от синего до желтого;
L (Lightnesss) — светлота (аналог яркости).
- Аппаратная независимость.
- Максимальный цветовой охват по отношению к моделям RGB и CMYK.
- На базе параметров Lab-модели можно определить параметры других цветовых моделей.
Модель Lab используется как посредник для перехода между цветовыми моделями (например, из RGB-модели для сканера в CMYK-модель для принтера). При создании изображений, модель Lab практически не используют.
Идеальных цветовых моделей не существует. В различных ситуациях наиболее удобной может оказаться та или иная модель.
В зависимости от области применения различают следующие виды компьютерной графики:
- Научная графика дает возможность проводить вычислительные эксперименты с наглядным представлением их результатов — графиков скалярных и векторных функций, заданных параметрических кривых и поверхностей.
- Деловая графика предназначена для наглядного представления различных показателей работы учреждений (схемы, диаграммы и т. д.).
- Конструкторская графика используется в работе инженеров-конструкторов, архитекторов (чертежи).
- Иллюстративная графика — произвольные рисунки.
- Художественная и рекламная графика — рекламные плакаты и ролики, компьютерные игры.
- Цифровая фотография и цифровая обработка изображений.
- Компьютерная анимация.
Пример 8.1. Субъективное восприятие цвета человеком.
Разные люди могут увидеть на рисунке разное количество полос разного цвета.
Менее 20 полос: 1/4 населения мира различает чуть меньше цветов, чем большинство.
От 20 до 36 полос: большинство людей различает большое число цветовых оттенков.
Более 37 полос: такие люди распознают примерно 100 млн цветов, как пчелы, некоторые птицы и художники.
Доказано теоретически, что с помощью аддитивного синтеза невозможно получить все цвета, которые способен различить человеческий глаз. Некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воссозданы на экране.
Пример 8.2. Цветовая модель RGB.
Вершины куба располагаются на осях и отвечают красному, зеленому и синему цветам.
Диагональ от 0, 0, 0 (ни один цвет не излучается) до 255, 255, 255 (значения всех трех составляющих максимальны) соединяет точки черного и белого цветов. Эта диагональ является ахроматической осью (шкалой Grayscale) и содержит 256 оттенков серого цвета. На этой оси значения красной, зеленой и синей составляющей — 50, 50, 50 .
Формирование цветов в модели RGB:
Пример 8.3. Цветовая модель CMYK.
В точке начала координат уровни всех составляющих равны 0 — это белый цвет.
Ближайшая вершина куба — это точка черного цвета. В ней уровни всех трех составляющих имеют максимальные значения.
Вершины куба, располагающиеся на осях, соответствуют голубому, пурпурному и желтому цветам (Cyan, Magenta, Yellow). В этих точках уровни соответствующих составляющих имеют максимальные значения.
На оставшихся вершинах располагаются цвета, которые образуются в результате смешивания двух базовых цветов: голубого и пурпурного, голубого и желтого, пурпурного и желтого. Это синий (Blue), зеленый (Green) и красный (Red) цвета соответственно.
Формирование цветов в модели CMYK.
Пример 8.4. Цветовой охват в моделях RGB и CMYK.
Искажение при преобразовании:
Пример 8.5. Цветовая модель HSB.
Значение цвета в модели HSB выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру окружности — чистым спектральным цветам. Направление вектора задается в градусах и определяет цветовой оттенок. Длина вектора определяет насыщенность цвета. На отдельной оси, называемой ахроматической, задается яркость, при этом нулевая точка соответствует черному цвету.
Модель HSB удобно использовать при редактировании рисунков. Если при редактировании фотографии нужно заменить зеленый лист на желтый, то достаточно поменять только цветовую составляющую (H), не меняя яркость и насыщенность.
Пример 8.6. Цветовая модель Lab.
На горизонтальном срезе все цвета имеют одинаковую яркость.
Каждый цвет может быть точно описан параметрами а и b, которые задаются числами, находящимися в диапазоне от -128 до +127. Для параметра а значение -128 соответствует тёмно-зелёному цвету, а +127 — пурпурному. Для параметра b значение
–128 — это синий цвет, а значение +127 — желтый. Все при условии, что L равно 100%. Светлота изменяется в диапазоне от 0 до 100%.
Нулевое значение цветовых компонентов при яркости 50 соответствует серому цвету в модели RGB (119, 119, 119). При значении яркости 100 получается белый цвет, при 0 — черный.
Lab-модель согласуется с механизмом восприятия цвета человеком. В 1981 году американские ученые Давидом Хьюблом и Торстеном Вайзелом доказали, что глаз предоставляет в мозг не информацию о красном, зеленом и синем. Вместо этого мозг получает: разницу между светлым и темным; зеленым и красным; синим и желтым, где желтый — сумма красного и зеленого.
Цветовые модели RGB и CMY
Цветовые модели, используемые в компьютерной графике, - это средства описания цветов в определенном диапазоне.
На основе описанных выше физических представлений в компьютерной графике была принята так называемая аддитивная цветовая модель, использующая три первичных составляющих цвета. Эта модель предполагает, что любой цвет можно рассматривать как взвешенную сумму трех основных цветов. Проиллюстрировать ее можно на примере освещения сцены с помощью трех прожекторов разного цвета. Каждый прожектор управляется независимо, и путем изменения мощности каждого из них можно воспроизвести практически все цвета. В модели RGB цвет можно представить в виде вектора в трехмерной системе координат с началом отсчета в точке (0,0,0). Максимальное значение каждой из компонент вектора примем за 1. Тогда вектор (1,1,1) соответствует белому цвету. Все цветовые векторы, таким образом, заключены внутри единичного куба, называемого цветовым кубом (рис. 2.7а).
Другая модель смешения цветов - субстрактивная цветовая модель, или модель CMY , использующая в качестве первичных составляющих цвета Cyan, Magenta, Yellow (голубой, пурпурный, желтый), которые являются дополнительными к Red, Green, Blue. В этой модели оттенки цвета получаются путем "вычитания" из падающего света волн определенной длины. Этот подход нуждается в пояснении. В этой системе координат вектор (0,0,0) соответствует белому цвету, а вектор (1,1,1) - черному. Соответствующий цветовой куб представлен на рис. 2.7б.
Связь между значениями (R,G,B) и (C,M,Y) для одного и того же цвета выражается формулой
Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой (дополнительный цвет - это цвет, результатом смешения которого с данным является белый). Схема смешения цветов для двух моделей представлена на рис. 2.8. Пример субстрактивного формирования оттенков показан на рис. 2.9. При освещении падающим белым светом в слое голубой (Cyan) краски из спектра белого цвета поглощается (вычитается) красная часть как дополнительный цвет, затем из оставшегося света в слое пурпурной (Magenta) краски поглощается зеленая часть спектра, и, наконец, от белой поверхности отражается синий цвет, который мы и видим. Таким образом, смешение голубого и пурпурного цветов дает в итоге синий цвет.
Растровые дисплеи, как правило, используют аппаратно- ориентированную модель цветов RGB. Существуют также дисплеи стаблицей цветности, представляющей собой матрицу, каждый элемент которой - некоторый цвет (вектор RGB). В таких дисплеях значения кодов пикселей, заносимые в видеопамять, представляют собой индексы матрицы цветности. При отображении некоторого пикселя на экран по значению кода выбирается элемент таблицы цветности, содержащий тройку значений R, G, B. Эта тройка и передается на монитор для задания цвета пикселя на экране.
В полноцветных дисплеях для каждого пикселя в видеопамять заносится тройка значений R, G, B. В этом случае для отображения пикселя из видеопамяти непосредственно выбираются значения R, G, B, которые и передаются на монитор (но могут и передаваться в таблицу цветности).
В моделях RGB и CMY легко задавать яркости для одного из основных цветов, но довольно затруднительно задать оттенок с требуемым цветовым тоном и насыщенностью, соответствующим какому-либо образцу цвета. В различного рода графических редакторах эта задача чаще всего решается с помощью интерактивного выбора из палитры цветов и формированием цветов в палитре путем подбора значений координат до получения требуемого визуального результата. Иногда такая палитра наглядно отображает выбор вектора из цветового куба: сначала посредством одного движка выбирается цветовая плоскость, а затем на этой плоскости выбирается конкретная точка. Но и таким методом не сразу удается достигнуть желаемого эффекта, поскольку не так просто выбрать правильную цветовую плоскость.
Читайте также: