Цифровой цвет
Сотворение
Да будет свет! — сказал Бог. И стал свет
… и начались проблемы… Свет – понятие широкое: строго говоря, свет – любое электромагнитное излучение, а диапазонов у такого излучения множество (звуковой, радио, инфракрасный, видимый, ультрафиолетовый, рентгеновский, гамма), в обиходе же под светом понимают видимый (т.е. воспринимаемый человеческим глазом) диапазон излучения от 380 нм (фиолетовый) до 760 нм (красный). Нанометр (нм) – мера длины, 1нм в 1000000000 раз меньше 1 метра – напоминаю, если не любили физику в школе.
Итак, со светом разобрались: т.к. мы люди, и в большинстве своем от научного педантизма далеки, то свет для нас – видимое глазом излучение. Но, кроме сотворения света и отделения его от тьмы Бог за
Вероятно, многие проблемы людей начались с того момента как Ева покушала яблочка с древа познания Добра и Зла и дала его (яблочко покусанное) Адаму – отсюда берет начало двоичное мышление человека (его еще логикой называют): свет-тьма, добро-зло, да-нет, 1-0 (ага, бит, он самый!). Человек захотел все познать, появились науки и один из их венцов – цифровое оборудование.
Сначала наука подгребла под себя само понятие цвет. Вечное желание все подсчитать, систематизировать и разложить по полкам логики привело к введению цвета как физической величины. Измерением цвета (прости, Господи, нас грешников!) занимается колориметрия. Однако цвету, как и свету свойственен дуализм: если свет (излучение) это и волна и частица одновременно – квант, то цветоощущение это и физический и психический процесс. Итак, рассмотрим цвет в значении физической величины.
Цвет — физическая величина
Сигнал к атаке – три зеленых свистка Армейские байки
Еще до появления колориметрии, люди заметили, что цвет предмета изменяется в зависимости от того, светом какого цвета он освещен. Так что понятия «цвет предмета» в науке не существует. О том, что существует вместо него – немного ниже.
Как говорилось выше, свет включает определенный диапазон длин волн излучения и в зависимости от того, сколько и каких этих длин волн содержится в луче света, нами он воспринимается по-разному:- белым по цвету, если кол-во всех длин волн одинаково и велико;
- черным, если одинаково и очень мало;
- серым, если одинаково и посередке;
- окрашенным в какой-то цвет, если количество разное.
Таким образом, цвет однозначно определяется набором длин волн излучения. В науке это называется короче – спектром. Обратное утверждение, кстати, неверно – несколько различных спектров могут давать один и тот же цвет.
Здесь стоит сказать о самой, пожалуй, очевидной и часто используемой системе для описания цвета – HSV – Hue-Saturation-Value – Тон-Насыщенность-Интенсивность.
Тон определяется доминантной длиной волны, т.е. той, которой более всего в спектре. Насыщенность определяется «чистотой» цвета, т.е. присутствием в спектре иных длин волн, кроме доминантной. Чем их меньше, тем больше насыщенность.
Две величины – тон и насыщенность ужа дают нам двухмерное пространство – плоскость. Кроме того, определяют такую характеристику цвета как хроматичность или chromaticity. Интенсивность определяется энергией светового потока, грубо говоря — общим числом длин волн
.Таким образом, можно выделить две группы света: хроматический, когда хроматичность отлична от нуля и ахроматический, когда свет определяется только интенсивностью, т.е. цвета «как бы нет». Выражение спорное, т.к. при возрастании интенсивности ахроматического света мы видим так называемую серую шкалу (Grayscale): от черного через серый до белого.
Карты колориметрии портит психология: черный, серый и белый – это все же цвета, но с другой стороны мы же говорим: цветная фотография и черно-белая фотография. А что делать, раз Адам и Ева все же вкусили запретный плод?:)
В этой части в психологию мы вдаваться не будем, а поговорим о существующих в настоящее время моделях цвета и системах цвета. Но в начале – о том, почему все они трехмерные…
Не вдаваясь в историю, отметим, что современная модель цветового зрения такова:
- Имеются 4 типа светочувствительных рецепторов сетчатки глаза: палочки и 3 вида колбочек.
- Пик кривой чувствительности палочек приходится на 498нм, это сине-зеленая область. Т.е. излучение с такой длины волны палочки воспринимают лучше всего.
- Пики колбочек приходятся на 437нм (синяя), 533нм (зеленая) и 564нм (красная). Кривые чувствительности частично перекрываются, что и позволяет нам различать цвета.
- Палочки работают при слабой освещенности, колбочки только при достаточной, причем во время работы колбочек, сигнал с палочек тормозиться (имеет меньший вес, чем сигнал с колбочек). Теперь вы понимаете смысл пословицы «ночью все кошки серы»: при слабой освещенности работают только палочки, а т.к. их всего один тип, то изображение монохромное, т.е. различаем мы лишь яркость.
- На сетчатке есть особое место – ямка, с максимальной концентрацией колбочек и минимальной палочек. Именно на ямку оптика глаза проецирует изображение, которое мы хотим подробно рассмотреть. По мере удаления от центра – ямки к периферии концентрация колбочек уменьшается, а палочек – растет. Более того: в ямке почти отсутствуют синие колбочки, а красных в 2 раза больше, чем зеленых.
- До отправки в мозг, еще на уровне сетчатки из сигналов четырех типов рецепторов формируются три вида дифференциальных сигналов о цвете: красный-зеленый, синий-желтый и черный-белый.
Что тут можно еще сказать? Обратите внимание на то, что колбочек три типа, и на выходе в оптическом нерве три типа сигналов. Это объясняет, почему все системы цвета трехмерны. Четырехмерных систем быть не может, двухмерных тоже. Одномерная – для сумеречного палочкового зрения – так тут никакого цвета и нет – только градация по яркости.
Итак, какие же у нас есть модели цвета? А их всего две: аддитивная и субтрактивная. Если Вас пугают такие термины, то использую русские слова: слагательная и вычитательная. Именно два таких метода синтеза и лежат в основе всего современного цветовоспроизведения.
Аддитивная модель используется в излучающих свет устройствах. Это телевизоры, мониторы, проекторы… Аддитивную модель часто называют RGB (Red Green Blue – Красный Зеленый Синий) по основным цветам из которых в результате смешения происходят все остальные. Белый цвет – смесь всех трех основных цветов.
Я не сторонник выделения RGB как системы цветов, т.к. во-первых, модель привязана к аппаратным средствам, во-вторых, технически невозможно получить все цвета, различаемые глазом, путем аддитивного синтеза. Хотя математическая модель такой системы – цветовой куб. По трем осям откладываются красная, зеленая и синяя компоненты. Кстати, значения длин волн, принятых за базовые цвета, отличаются от пиков чувствительности палочек! Сравните: 700нм – красный, 546нм – зеленый и 436 – синий.
Субтрактивная модель используется в отражающих свет устройствах и э… материалах. Помните, я говорил, что понятия «цвет предмета» в науке не существует? Настало время объяснить. Есть источники света, они излучают свет и можно говорить об их цвете как функции спектра их излучения. А большинство предметов ничего сами в видимом диапазоне не излучают, а только отражают свет от источников. Так вот, у каждого материала есть спектральный коэффициент диффузного отражения. Цвета у него самого по себе, вообще говоря, и нет: нет источника света – предмет невидим, нет и цвета. Цвет появляется только после того, как предмет будет освещен излучением того или иного спектрального состава. А уж какие длины волн из этого спектра и в какой степени отразит предмет – это зависит от коэффициента. Поэтому цвет предмета жестко зависит от цвета (спектра) освещающего его источника.
Субтрактивная модель как раз и описывает такие несамосветящиеся объекты. Наибольшее применение – типографское дело, текстильная и лакокрасочная промышленность. Ну и наша с вами любимая фотография: фотобумага ничего не излучает, только отражает! Субтрактивная модель тоже аппаратно-зависимая и не позволяет получать все цвета видимого спектра.
Классическая модель – CMY (Cyan Magenta Yellow – Голубой Пурпурный Желтый). Модель CMY противоположна RGB. Голубой цвет состоит из синего и зеленого, следовательно, краситель голубого цвета отражает синий и зеленый, но поглощает красный. Пурпурный поглощает зеленый цвет, а желтый – синий. Таким образом, цвет образуется не за счет суммирования цветов, а за счет поглощения цветными красителями различных цветовых составляющих падающего на предмет света.
Из-за сложности получения чистого черного цвета была введена усовершенствованная модель – CMYK (Cyan Magenta Yellow blacK – Голубой Пурпурный Желтый Черный). В полиграфии было принято называть добавочный черный ключевым цветом — key color — отсюда сокращение «К». Т.е. черный цвет обеспечивается специальным черным красителем, а не смешением всех трех красителей. Однако, если CMY можно связать с некой цветовой системой, то CMYK уже нельзя, т.к. она избыточна: цвета от белого до черного получаются как смешением основных красителей CMY, так и изменением концентрации дополнительного – K.
В настоящее время при фотопечати применяются системы из 6 и более красителей, опять же для получения более высококачественного изображения. Например, в струйных принтерах используется модель Photoink: Cyan, LightCyan (светло-голубой), Magenta, LightMagenta (светло-пурпурный), Yellow, Black.
Необходимо четко различать цветовые модели (RGB, CMY, CMYK) и цветовые системы (HSV, XYZ, Lab): первые описывают способ воспроизведения цветовых ощущений, вторые – измерение этих ощущений. Данные RGB и CMYK являются аппаратными данными, мало что говорящими о цветовых ощущениях без привязки к конкретному аппарату. Чтобы добиться совпадения цветов, полученных на разных аппаратах и с помощью разных цветовых моделей, у нас есть только один количественный способ — добиться равенства их цветовых координат. Переходим к цветовым системам, правильнее говорить – цветовым координатным системам.
CIE RGB.
Немного об истории ее создания. Т.к. цвет все же ощущение человека, его измерения должны быть измерениями именно цветовых ощущений человека. Однако все люди воспринимают цвет немного по-разному. Что же, измерять? В начале 30-х годов 20-го века Международная Комиссия по освещению (CIE — Communication Internationale de l'Eclairage) с этой целью провела масштабную акцию, профинансированную компаниями — производителями красок. Для измерения цветовых ощущений был проведен коротко описанный ниже эксперимент. Комиссия CIE ввела в обиход понятие «стандартный наблюдатель» (standard observer): окончательные данные измерений были получены за счет усреднения результатов эксперимента, проведенного в строго определенных условиях с большим числом наблюдателей. Поэтому результаты эти не дают точного представления о свойствах цветового зрения каждого конкретного человека, а относятся к т.н. усредненному стандартному колориметрическому наблюдателю.
На экран проецировались два световых пятна в непосредственной близости друг от друга. Первое пятно получали путем пропускания белого света через стеклянную призму. В результате белый свет раскладывался на спектральные составляющие. Большую часть из них закрывала непрозрачная шторка, и только интересующая исследователей часть спектра проецировалась на экран. Таким образом, первое пятно представляло собой спектрально-чистый цвет.
Второе пятно создавалось тремя лучами белого света, идущими через светофильтры, пропускающие свет только в определенных зонах видимого спектра: 700,0 Нм (красный), 546,1 Нм (зеленый) и 435,8 Нм (синий). Таким образом, второе пятно было результатом аддитивного синтеза трех лучей: красного синего и зеленого — основных цветов.
Наблюдатель должен был, вращая ручки регуляторов яркости трех основных цветов, добиться визуального совпадения цвета образованного ими пятна с цветом спектрально-чистого пятна. Когда наблюдатель говорил, что добился максимального цветового совпадения пятен, фиксировались позиций трех регуляторов. Сумма яркостей трех основных цветов, совпадающая с белым цветом, была принята за единицу.
В процессе исследования выяснилось, что большую часть чистых спектральных цветов не удается воспроизвести аддитивным синтезом. Поэтому исследователи применили небольшую хитрость: в случае, когда уравнять спектрально-чистый цвет не удавалось, к нему добавляли некоторое количество основного цвета. Это позволяло уравнять цветовые ощущения от обоих пятен и найти определенную комбинацию числовых значений для спектрального цвета. Однако, в данном случае появлялись отрицательные величины – за счет добавления основного цвета к спектральному.
Путем такого эксперимента с усреднением результатов по большой выборке, были измерены цветовые ощущения, вызываемые спектрально-чистыми цветами, расположенными на всем протяжении видимого спектра: от фиолетового до красного. Конечно, данный эксперимент не является измерением спектральной чувствительности рецепторов сетчатки глаза! Это всего лишь косвенное измерение цветовых ощущений человека.
В эксперименте CIE были получены числовые значения, соответствующие определенным цветовым ощущениям. Это означает, что цветовые ощущения были измерены. Вот так вот грубо и без всякой романтики и эзотерики. Каждое цветовое ощущение от монохроматического излучения определенной длины волны связано с тремя строго определенными числами, все это легко сводиться в трехмерную координатную систему — физиологическую цветовую координатную систему — CIE RGB. В основе всей современной колориметрии лежат результаты эксперимента CIE. А теперь о системе…
CIE XYZ.
В эксперименте CIE часть чистых спектральных цветов уравнять не удалось, в результате чего в цветовой координатной системе CIE RGB некоторые цвета имеют отрицательные координаты. Это неудобно при математических расчетах. Вскоре после возникновения CIE RGB, была предложена другая цветовая координатная система, полученная математическим пересчетом из исходной CIE RGB. Эта система и получила название CIE XYZ по трем координатным осям — XYZ. Отрицательных значений в этой системе уже нет.
Имея значения цветовых координат для спектрально-чистых цветов, можно вычислить цветовые координаты и для цветовых ощущений, вызываемых светом сложного спектрального состава.
Существует экспериментально установленный закон смешения цветов, согласно которому цветовые координаты цвета смеси равны суммам соответствующих координат смешиваемых цветов. Цвет сложного излучения представляют в виде суммы чистых спектральных цветов, соответствующих его монохроматическим составляющим (с учётом их интенсивности). Затем для каждой такой составляющей находят цветовые координаты. Координаты всех спектральных монохроматических составляющих складываются. Три числа, полученные в результате этого сложения, являются цветовыми координатами исходного сложного света.
xyY
Система xyY (уж извините, если у кого-то эта аббревиатура вызывает ассоциации не связанные с колориметрией) получена путем пересчета из системы XYZ. Оси x,y – оси цветности, ось Y – светосилы.
Посмотрите на диаграмму цветности xyY: это проекция цветового пространства человека в системе xyY (получена путем пересчета из системы XYZ) на плоскость xy.
Когда возникает необходимость продемонстрировать цветовой охват того или иного устройства (показывается всегда в сравнении с цветовым охватом человеческого зрения), прибегают к этой координатной системе.
Однако, ни одна из вышеупомянутых систем не отражает цветоразличительных свойств зрения, т.е. одинаковые расстояния в CIE XYZ и на графике цветностей хуY в различных его частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между соответствующими цветами при одинаковой яркости. Из-за этого мы вынуждены говорить о неравномерности (нелинейности) цветовых координатных систем. Цветоразличительные свойства зрения минимальны на периферии цветового охвата человека (в зоне насыщенных цветов) и максимальны в области нулевых цветностей (серых тонов).
Полностью разрешить эту проблему не удалось до сих пор, однако попытки предпринимаются. В результате CIE разработал более однородные цветовые шкалы — CIE L*a*b* и CIE L*u*v. Из этих двух моделей более широко применяется модель CIE L*a*b*.
CIE L*a*b*
Хорошо сбалансированная структура цветового пространства L*a*b* основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов «красный/зеленый» и «желтый/синий» можно воспользоваться одними и теми же значениями.
Когда цвет представляется в пространстве CIE L*a*b*, величина L* обозначает светлоту, a* — величину красной/зеленой составляющей, а b* — величину желтой/синей составляющей. Это цветовое пространство во многом напоминает трехмерные цветовые пространства — такие как HSL.
CIE L*a*b* наиболее широко применяется для всех математических расчетов, производимых компьютерами при работе с цветом. В частности, все операции с цветом в программе Adobe Photoshop, да и вообще на всей платформе Windows происходят только в системе CIE L*a*b*. Кроме того, при цветокоррекции цифровых изображений кривые L*a*b* дают пользователю ряд дополнительных возможностей, дополняющих традиционный инструментарий растровых редакторов.
Неравномерность восприятия в системе L*a*b* при переходе от серого (центральная ось) к насыщенным цветам (периферия) достигает 6 крат. Проще говоря: в насыщенных цветах изменение цветности на 5 единиц будет практически незаметным, а в цветах, близких к серым, изменение на одну единицу будет бросаться в глаза. Еще один момент, буквально вскользь.
В описании эксперимента CIE было сказано: «За единицу принимается количество основных цветов, уравнивающее белый цвет». Где тут подвох? Подвох такой: и сама система CIE RGB, и все ее математические производные будут зависеть от выбора т.н. «опорного белого цвета». Ведь цветовые ощущения, возникающие у нас, зависят не только от свойств поверхности, но и от спектрального состава света, освещающего эту поверхность!
Очевидна необходимость стандартизации цветовых координатных систем в зависимости от спектрального состава опорного белого света. CIE приняла несколько стандартов источников белого света. Два из них положены в основу работы цветовоспроизводящих компьютерных систем: стандарты D50 и D65. Цифры 50 и 65 указывают на цветовую температуру источников белого света, соответственно, 5000°К и 6500°К. Подробнее о казусах, связанных с цветовой температурой источника света я расскажу в других частях. Пока же отмечу одно: посмотрите на вашу любимую фотографию при свете лампы накаливания, лампы дневного света, на улице при солнечной погоде и при облачности. Во всех случаях цвета будут разными!
Закончить вторую часть хочу официальным определением цвета в колориметрии: Цвет в колориметрии – трехмерная векторная величина, характеризующая группу излучений, визуально неразличимых в таких условиях визуального сравнения, при которых любые излучения одинакового спектрального состава неразличимы глазом.
Автор: Илья Бесхлебный © 2003г.
01.03.2013