Статья «Аддитивные цветовые модели»

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лу­чей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета (рис. 3.1). При попарном смешивании пер­вичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относят­ся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практи­чески весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета. На рис. 3.2 приведена схема полу­чения новых цветов на базе двух первичных путем использования источников зе­леного и красного цветов, интенсивностью каждого из которых можно управлять с помощью фильтра. Можно увидеть, что равные пропорции первичных цветов дают желтый цвет (1,2); снижение в смеси интенсивности зеленого цвета при той же интенсивности красного позволяет синтезировать оранжевый цвет (3, 4); по­добные колометрические схемы позволяют создать желтый и оранжевый цвета в виде геометрического места цветовых точек — локуса (2, 4). Однако таким спосо­бом нельзя получить некоторые цвета, например голубой, для создания которого требуется наличие третьего первичного цвета — синего (рис. 3.3).

Рис. 3.1. Принцип действия аддитивной цветовой модели RGB. Путем проекции трех цветов: красного, синего и зеленого на светлую поверхность можно получить большинство цветов видимой области спектра. При одновременном смешивании трех чистых цветов получается белый цвет

Рис. 3.2. Аддитивный синтез новых цветов на базе разного процентного соотношения двух первичных цветов: красного и зеленого

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

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

Рис. 3.3. Цветовая (слева) и колориметрическая (справа) схемы получения цветового пространства RGB-модели с помощью трех первичных цветов. Стороны треугольника образуют множество спектрально-чистых цветов (локус)

Математически цветовую модель RGB удобнее всего представлять в виде куба (рис. 3.4, 1). В этом случае каждая его пространственная точка однозначно опре­деляется значениями координат X, Y и Z. Если по оси Х откладывать красную со­ставляющую, по оси Y — зеленую, а по оси Z — синюю, то каждому цвету можно поставить в соответствие точку внутри куба.

При использовании этой модели любой цвет может быть представлен в цветовом пространстве с помощью вектора, описываемого уравнением: сС=rR+gG+bВ.

Уравнение идентично уравнению свободного вектора в пространстве, рассматри­ваемому в векторной алгебре. При этом направление вектора характеризует цвет­ность, а его модуль выражает яркость.

На диагонали (ахроматической оси), соединяющей точки с координатами (R,G,В)=(0,0,0) и (R,G,В)=(255,255,255), расположены различные градации серого, для которых значения красной, зеленой и синей составляющих одинаковы. На рис. 3.4,2 приведен пример практической реализации RGB-модели в програм­ме Corel PHOTO-PAINT 9.

Рис. 3.4. Представления RGB-модели в виде куба; 1) схема модели; 2) практическая реализация RGB-модели в окне диалога «Paint Color» (Цвет краски)» пакета Corel PHOTO-PAINT

Некоторые специальные термины

В современных специальных журналах часто используются такие понятия, как треу­гольник цветности, диаграмма цветности, локус, цветовой охват. В этом разделе мы попытаемся разобраться в сущности и назначении этих терминов на примере RGB-модели (хотя это можно было бы сделать и на базе любой другой цветовой модели).

Начнем рассмотрение этих понятий с принципа образования плоскости единич­ных цветов. Плоскость единичных цветов (Q) (рис. 3.5) проходит через отложен­ные на осях координат яркости единичные значения выбранных основных цветов.

Единичным цветом в колориметрии называют цвет, сумма координат которого (или, по-другому, модуль цвета т) равна 1.

Поэтому можно считать, что плоскость Q, пересекающая оси координат в точках B_r(R=1,G=0,В=0), B_g(R=0,G=1,В=0) и B_b(R=0,G=0,В=1), является единичным местом точек в пространстве RGB (рис. 3.5).

Рис. 3,5. Плоскость единичных цветов и образование треугольника цветности

Каждой точке плоскости единичных цветов (Q) соответствует след цветового век­тора, пронизывающего плоскость в соответствующей точке на расстоянии от цен­тра координат:

m=(R²+G²+B²)^0.5=1.

Следовательно, цветность любого излучения может быть представлена на плоско­сти единственной точкой. Можно себе представить и точку, соответствующую бе­лому цвету (Б). Она образуется путем пересечения ахроматической оси с плоско­стью Q (рис. 3.5).

В вершинах треугольника находятся точки основных цветов. Определение точек цветов, получаемых смешением любых трех основных, производится по правилу графического сложения. Поэтому данный треугольник называется треугольником цветности, или диаграммой цветности. Часто в литературе встречается другое название — локус, которое можно интерпретировать как геометрическое место всех цветов, воспроизводимых данным устройством.

В колориметрии для описания цветности нет необходимости прибегать к простран­ственным представлениям. Достаточно использовать плоскость треугольника цвет­ности (рис. 3.5). В нем положение точки любого цвета может быть задано только дву­мя координатами. Третью легко найти по двум другим, так как сумма координат цветности (или модуль) всегда равна 1. Поэтому любая пара координат цветности может служить координатами точки в прямоугольной системе координат на плоскости.

Итак, мы выяснили, что цвет графически можно выразить в виде вектора в про­странстве или в виде точки, лежащей внутри треугольника цветности.

Почему RGB-модель нравится компьютеру?

В графических пакетах цветовая модель RGB используется для создания цветов изоб­ражения на экране монитора, основными элементами которого являются три элект­ронных прожектора и экран с нанесенными на него тремя разными люминофорами (рис. 3.6,1). Точно так же, как и зрительные пигменты трех типов колбочек, эти люми­нофоры имеют разные спектральные характеристики. Но в отличие от глаза они не поглощают, а излучают свет. Один люминофор под действием попадающего на него электронного луча излучает красный цвет, другой — зеленый и третий — синий.

Мельчайший элемент изображения, воспроизводимый компьютером, называется пикселом (pixel от pixture element). При работе с низким разрешением отдельные пикселы не видны. Однако если вы будете рассматривать белый экран включенно­го монитора через лупу, то увидите, что он состоит из множества отдельных точек красного, зеленого и синего цветов (рис. 3.6, 2), объединенных в RGB-элементы в виде триад основных точек. Цвет каждого из воспроизводимых кинескопом пик­селов (RGB-элементов изображения) получается в результате смешивания крас­ного, синего и зеленого цветов входящих в него трех люминофорных точек. При просмотре изображения на экране с некоторого расстояния эти цветовые состав­ляющие RGB-элементов сливаются, создавая иллюзию результирующего цвета.

Рис. 3.6. В основе работы монитора лежит возбуждение с помощью электронного пучка трех типов фосфоров (1); экран монитора состоит из множества триад маленьких точек красного, зеленого и синего цвета, называемых пикселами (2)

Для назначения цвета и яркости точек, формирующих изображение монитора, нужно задать значения интенсивностей для каждой из составляющих RGB-элемента (пиксела). В этом процессе значения интенсивностей используются для уп­равления мощностью трех электронных прожекторов, возбуждающих свечение соответствующего типа люминофора. В то же время число градаций интенсивно­сти определяет цветовое разрешение, или, иначе, глубину цвета, которые характе­ризуют максимальное количество воспроизводимых цветов. На рис. 3.7 приведе­на схема формирования 24-битового цвета, обеспечивающая возможность воспроизведения 256х256х256=16,7 млн цветов.

Последние версии профессиональных графических редакторов (таких, как, напри­мер, CorelDRAW 9, Corel Photo-Paint 9, Photoshop 5.5) наряду со стандартной 8-битовой глубиной цвета поддерживают 16-битовую глубину цвета, которая по­зволяет воспроизводить 65 536 оттенков серого.

Рис. 3.7. Каждый из трех цветовых компонентов RGB-триады может принимать одно из 256 дискретных значений — от максимальной интенсивности (255) до нулевой интенсивности, соответствующей черному цвету

На рис. 3.8 приведена иллюстрация получения с помощью аддитивного синтеза шести (из 16,7 млн) цветов. Как уже упоминалось ранее, в случае, когда все три цветовые компоненты имеют максимальную интенсивность, результирующий цвет кажется белым. Если все компоненты имеют нулевую интенсивность, то резуль­тирующий цвет — чистый черный.

Рис. 3.8. Иллюстрация формирования 6 из 16,7 млн возможных цветов путем вариации интенсивностей каждой из трех компонентов R, G и В цветовой модели RGB

Ограничения RGB-модели

Несмотря на то что цветовая модель RGB достаточно проста и наглядна, при ее практическом применении возникают две серьезные проблемы:

·         аппаратная зависимость;

·         ограничение цветового охвата.

Первая проблема связана с тем, что цвет, возникающий в результате смешения цвето­вых составляющих RGB элемента, зависит от типа люминофора. А поскольку в техно­логии производства современных кинескопов находят применение разные типы лю­минофоров, то установка одних и тех же интенсивностей электронных лучей в случае различных люминофоров приведет к синтезу разного цвета. Например, если на элек­тронный блок монитора подать определенную тройку RGB-значений, скажем R=98, G=127 и В=201, то нельзя однозначно сказать, каков будет результат смешивания. Эти значения всего лишь задают интенсивности возбуждения трех люминофоров од­ного элемента изображения. Какой получится при этом цвет, зависит от спектрально­го состава излучаемого люминофором света. Поэтому в случае аддитивного синтеза для однозначного определения цвета наряду с установкой триады значений интен­сивностей необходимо знать спектральную характеристику люминофора.

Существуют и другие причины, приводящие к аппаратной зависимости RGB-мо­дели даже для мониторов, выпускаемых одним и тем же производителем. Это свя­зано, в частности, с тем, что в процессе эксплуатации происходит старение люми­нофора и изменение эмиссионных характеристик электронных прожекторов. Для устранения (или по крайней мере минимизации) зависимости RGB-модели от аппа­ратных средств используются различные устройства и программы градуировки, принцип действия и основные типы которых будут рассмотрены далее в главе 4. Цветовой охват (color gamut) — это диапазон цветов, который может различать человек или воспроизводить устройство независимо от механизма получения цве­та (излучения или отражения).

Ограниченность цветового охвата объясняется тем, что с помощью аддитивного синтеза принципиально невозможно получить все цвета видимого спектра (это доказано теоретически!). В частности, некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воссозданы на экране. Но несмотря на то, что человеческий глаз способен различать цветов больше, чем монитор, RGB-мо­дели вполне достаточно для создания цветов и оттенков, необходимых для вос­производства фотореалистических изображений на экране вашего компьютера.

sRGB — стандартизированный вариант RGB-цветового пространства

Как вы уже, очевидно, поняли, главный недостаток RGB-модели заключается в ее размытости. Это обусловлено тем, что на практике RGB-модель характеризует цветовое пространство конкретного устройства, например монитора или сканера. Нужен какой-то общий знаменатель.

Тем не менее любое RGB-пространство можно сделать стандартным. Для этого надо

всего лишь однозначно определить его. Например, в Photoshop 5 предлагается це­лых девять заранее определенных вариантов (три из них приведены на рис. 3.9), важ-ное место среди которых занимает стандартное цветовое пространство для Интер­нета — sRGB (так называемое standard RGB — стандартное RGB). По инициативе двух фирм — Microsoft и HP — оно стандартизировано и соответствует цветовому пространству типичного монитора VGA низшего класса. Сегодня это пространство является альтернативой системам управления цветом, использующим ICC-профили (подробнее эта технология будет рассмотрена далее в главе 4), предназначенные для описания цветового охвата устройств, которые входят в состав настольных издательских систем. В отличие от последних для пользователя Интернета важны простота и компактность файлов. Вряд ли вам понравится получать по сети двухме­габайтный (и даже двухкилобайтный) профиль с каждой картинкой (хотя спе­цификация ICC 1:1998-09 позволяет встраивать профили даже в изображения в формате GIF). Идея стандартного RGB-пространства настольно привлекательна, что даже Adobe Systems включила его в состав своих продуктов.Например, Photoshop 5.0 открывает RGB-файлы, не содержащие ICC-профиля, как sRGB.

ВНИМАНИЕ

Хотя sRGB-модель вполне подойдет для создания web-изображений или печати на недо­рогих струйных принтерах, из-за недостаточно широкого диапазона значений в зеленой и голубой частях спектра она не годится для печати с профессиональным качеством.

Рис. 3.9. Варианты цветовых пространств RGB

На рис. 3.9 представлены следующие варианты цветовых пространств RGB:

·         Wide-Gamut RGB (RGB с расширенным диапазоном) — основано на чистых зна­чениях для красного, зеленого и синего цветов, обладает очень широким охватом, который может быть представлен лишь в 48-разрядных файлах изображений;

·         Adobe RGB (1998) — основано на одном из стандартов, предложенных для теле­видения высокой четкости (High Definition TV, HDTV);

·         sRGB (так называемое standard RGB — стандартное RGB) — основано на цвето­вом диапазоне типичного монитора VGA низшего класса.