Цветовые модели компьютерной графики

Назначение цветовой модели - дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов. Цветовые модели можно разбить на три группы: перцепционные (по восприятию), аддитивные (слагательные) и субтрактивные (вычитательные) [1].

Стандарт RGB - стандарт для синтеза цветов и название соответствующей цветовой палитры. Это первая стандартная колориметрическая система. Она была принята в 1931 году на VIII сессии Международной комиссии по освещению - МКО (или CIE - от французского названия Commission Internationale de L'Eclairage). В качестве трёх линейно независимых цветов выбраны монохроматические красный (red (Х=700 нм) - легко выделяемый красным светофильтром из спектра лампы накаливания), зелёный (green (Х=546,

1 нм) - линия «е» в спектре ртутной лампы) и синий (blue, (X =435,8 нм) - линия «g» в спектре ртутной лампы). Палитра применяется для аддитивного смешивания цветов. Впервые систему, похожую на RGB, применил для смешивания цветов Томас Юнг (1773—1829 г.). Для того чтобы смешиванием компонент R, G и В получить белый цвет, яркости соответствующих источников не должны быть равны друг другу, а находиться в пропорции:

LR : LG : LB = 1 : 4.5907 : 0.0601 (4.2.1)

Цветовой куб стандарта RGB показан на рисунке 4.2.1. Система RGB имеет неполный цветовой охват - многие цвета от зелёного до синего, включая все оттенки голубого, не могут быть представлены в этой модели. Стандарт RGB в настоящее время принят практических для всех излучающих устройств графического вывода (телевизоры, мониторы, плазменные панели и др.)

Цветовой куб модели «RGB»

Трёхмерное представление синтезированных цветов в модели RGB

Рисунок 4.2.1. - Трёхмерное представление синтезированных цветов в модели RGB

Стандарт CMY - субтрактивная цветовая модель, где в качестве основных приняты голубой (cyan), пурпурный (magenta), и жёлтый (yellow). Комбинирование этих красителей, наносимых на белую поверхность, позволяет получить цвета в диапазоне, указанном на рисунке 7.2.2. Модель в основном используется в полиграфических печатающих устройствах. На практике добиться чёрного цвета с помощью смешивания сложно, поэтому в принтерах используют ещё и чёрный краситель (black), такую модель называют CMYK. Модель CMY с добавлением черного цвета носит название CMYK (черный компонент сокращается до буквы К, поскольку эта краска является главной, ключевой (Key) в процессе цветной печати).

Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам RGB. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Так, дополнительный для красного - голубой, для зеленого - пурпурный, для синего - желтый (рису нок 4.2.2.). Тем не менее, по цветовому охвату эти модели различаются (рисунок 4.2.4.), так что при переходе из одной модели в другую возможны потери цвета.

Дополнительный цвет — цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного - голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого - пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего - желтый (крас-ный+зеленый) и т.д.

Преобразования между пространствами RGB и CMY определяются следующим образом:

[RGB] = [ 1 1 1 ] - [ CMY] (4.2.2.)

Причем единичный вектор-строка в модели RGB - представление белого цвета, а в модели CMY - черного.

Цветовой куб модели «СМУ»

Трёхмерное представление синтезированных цветов в модели CMY

Рисунок 4.2.2. - Трёхмерное представление синтезированных цветов в модели CMY

Цветовая модель Grayscale представляет собой ту же индексированную палитру, где вместо цвета пикселам назначена одна из 256 градаций серого. На основе Grayscale легко можно понять строение RGB- и CMYK-файлов.

В RGB для описания цвета используются 24 бита, которые делятся на три группы по 8 бит (то, что называется в Photoshop каналами). Одна группа используется для хранения в пикселе величины красного цвета, две другие - зеленого и синего. Они могут дать до 16 700 тыс. комбинаций оттенков. Аналогичным образом в CMYK существуют 4 группы, для описания цвета используются 32 Ьрр. Alpha-каналы, быстрая маска, маски слоев в Photoshop'e имеют совершенно сходную 8-битовую природу, но носят вспомогательный характер и не влияют на цвет. Обратите внимание, что если RGB имеет стандартные 256 градаций яркости, то в CMYK яркость измеряется в процентах (то есть до 100).

Несмотря на большую, чем в RGB цветовую глубину в 32 бита на пиксел, диапазон оттенков CMYK значительно меньше, чем в RGB, так как CMYK является не более, чем имитацией на экране печатных цветов.

YCbCr - аппаратно-ориентированная модель, используемая в телевидении и служащая для сокращения передаваемой полосы частот за счет использования психофизиологических особенностей зрения. В этой модели Y - интенсивность цвета, а СЬ и Сг - синяя и красная цветоразностные компоненты. Как будет показано в дальнейшем, кодирование изображений в этой палитре существенно уменьшает количество информации, требуемой для воспроизведения изображения без существенной потери его качества. Для преобразования палитры RGB в YCbCr пользуются следующими соотношениями:

Y = 0.299 R + 0.587 G +0.114 В (4.2.3.)

СЬ = 0.1678 R - 0.3313 G +0.5 В (4.2.4.)

Cr = 0.5R- 0.4187 G + 0.0813 В (4.2.5.)

Перцепционные цветовые модели. Модели С1Е. Модель RGB и модель CMYK являются аппаратно-зависимыми. Если речь идет об RGB, то значения базовых цветов (а также точка белого) определяются качеством примененного в вашем мониторе люминофора. В результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково. Если обратиться к CMYK, то здесь различие еще более очевидно, поскольку речь идет о реальных красках, особенностях печатного процесса и носителя [15].

Поэтому не удивительно, что в конце концов встала задача описания цветов, не зависящего от аппаратуры, на которой эти цвета получены. К сожалению, дать полностью объективное определение цвета не представляется возможным. Цвет - это воспринимаемая характеристика, зависящая от наблюдателя и окружающих условий. Разные люди видят цвета по-разному (например, художник - иначе, чем непрофессионал). Даже у одного человека зрительная реакция на цвет меняется с возрастом.

Если восприятие цвета зависит от наблюдателя и условий наблюдения, то, по крайней мере, можно стандартизировать эти условия. Именно таким путем пошли ученые из Международной Комиссии по Освещению (CIE). В 1931 г. они стандартизировали условия наблюдения цветов и исследовали восприятие цвета у большой группы людей. В результате были экспериментально определены базовые компоненты новой цветовой модели XYZ. Эта модель аппаратно независима, поскольку описывает цвета так, как они воспринимаются человеком, при стандартных условиях для наблюдателя.

Цветовая модель L*a*b*, использующаяся в компьютерной графике, является производной от цветовой модели XYZ. Название она получила от своих базовых компонентов "L", "а" и "Ь".Компонент "L" несет информацию об яркостях изображения, а компоненты "а" и "Ь" - о его цветах (т. е. "а" и "Ь" - хроматические компоненты). Компонент "а" изменяется от зеленого, до красного, а "Ь" - от синего, до желтого.

Двухмерная диаграмма цветности CIE - цветовой тон и насыщенность [22].

Смешивая два любых цвета спектра в разной пропорции, мы можем создать любой из цветов, находящийся на прямой линии между ними. Например, можно получить серый смешиванием сине-зелёного и красного или жёлто-зелёного и сине-фиолетового. Дело в том, что глаз не выделяет отдельные световые длины воли, и в то же время различные их комбинации могут выглядеть как воспринимаемый глазом цвет.

Хотя цветовая модель CIE охватывает весь видимый спектр, она не является основой для задания цвета в цифровом виде. Перцепционные цветовые модели, которые наиболее известны художникам и дизайнерам, - HLS, HSV.

HSV (Hue — цветовой тон, Saturation — насыщенность, Value - количество света) - модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета. Подпространство, определяемое данной моделью - цветовой конус (рисунок 4.2.3.), который также часто рисуют как шестигранный конус.

V

Зеленый Желтый

голубой

Подпространство, определяемое моделью HSV

Рисунок 4.2.3. - Подпространство, определяемое моделью HSV.

По вертикальной оси конуса задается V - светлота, меняющаяся от 0 до 1. Значению V = 0 соответствует вершина конуса, значению V = 1 - основание конуса; цвета при этом наиболее интенсивны. Цветовой тон Н задается углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В частности, 0° - красный, 60° - желтый, 120° - зеленый, 180° - голубой, 240° - синий, 300° - пурпурный, т.е. дополнительные цвета расположены друг против друга (отличаются на 180°). Насыщенность S определяет насколько близок цвет к "чистому" пигменту и меняется от 0 на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях шестигранного конуса.

Точка V = 0, в которой находится вершина конуса, соответствует черному цвету. Значение S при этом может быть любым в диапазоне от 0 до 1. Точка с координатами V = 1, S = 0 - центр основания конуса соответствует белому цвету. Промежуточные значения координаты V при S=0, т.е. на оси конуса, соответствуют серым цветам. Если S = 0, то значение оттенка Н считается неопределенным.

Модель HLS: (Hue - цветовой тон, Lightness - светлота, Saturation - насыщенность) - модель, построенная аналогично HSV, в общем, систему HLS можно представить как полученную из HSV "вытягиванием" точки V=l, S=0, задающей белый цвет, вверх для образования верхнего конуса, но здесь максимально интенсивные цветовые тона соответствуют значению L=0.5 при S=l. При L=1 имеем белый цвет, а при L=0 - чёрный.

Подпространство, определяемое моделью HLS

Рисунок 4.2.4 - Подпространство, определяемое моделью HLS

Большое практическое применение в настоящее время находит система CIE L*a*b*.

Здесь L - канал яркости, а* и Ь* - хроматические. Она была рекомендована для расчета цветовых различий Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1976 году. Именно это цветовое пространство является "родным" для такого программного пакета, как Adobe Photoshop. Цветовой охват модели включает цвета RGB и CMYK. Поэтому перевод в модель Lab и из неё производится без потерь цвета.

Модель RYB - данная субтрактивная модель с первичными цветами red-yellow-blue не применяется в компьютерной графике, однако в течение многих веков её использовали художники для смешивания красок. Это интуитивная модель и по цветовому охвату уступает вышеперечисленным.

Кодирование цвета (основные определения)

Количество цветов (глубина цвета) - одна из основных характеристик изображения или устройства графического вывода [18]. Согласно психофизиологическим исследованиям глаз человека способен различать 350 000 цветов. Однако в компьютерной графике в настоящее время используются изображения с формально гораздо большей глубиной цвета (16,7 миллиона цветов), тем не менее, следует учитывать, что для синтезированных цветов на каждый из компонентов цвета в этом случае отводится только 256 градаций, которые достаточно хорошо различимы глазом человека. Классифицируем изображения следующим образом:

  • 1. бинарные — 1 бит на пиксель - обычно чёрно-белые изображения
  • 2. полутоновые - 1 байт на пиксель - изображение в градациях серого
  • 3. Hi Color - 16 бит на пиксель - 65536 цветов
  • 4. True Color - 24 бита на пиксель - 16,7 млн. цветов
  • 5. иные 32,48 и др. бит на пиксель.

Палитра (palette) - набор цветов, используемых в изображении или при отображении видеоданных. Палитру можно воспринимать как таблицу кодов цветов (обычно в виде RGB - троек байтов). Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели. Палитра может принадлежать изображению, части изображения, операционной системе или видеокарте.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >