8.2. Цветовые модели

Назначение цветовой модели - дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата, в том числе и для выполнения интерполяции цветов. Наиболее часто в компьютерной графике используются модели RGB, CMY, HSV и HLS.

Для создания колориметрической системы необходимо выполнить следующее:

1. Выбрать основные цвета и определить единицы их измерения Р1, Р2, P3. Поскольку выбор основных цветов ничем не ограничен число колориметрических систем, которые возможно создать, так­ же не ограничено.

2. Определить для выбранных основных цветов координаты цвета спектральных излучений единичной мощности , , , которые называются удельными координатами или кривыми смешения.

Знание удельных координат позволяет определять координаты цвета излучения с произвольной спектральной плотностью путем взвешенного суммирования , , , при этом взвешивающей функцией является спектральная плотность

(8.1)

Из формул (8.1) следует, что любой цвет может быть полностью описан, если задать три его координаты Т1(С), Т2(С), Т3(С), а зна­чит, он может быть представлен положением точки в трехмерном пространстве Т1, Т2, Т3, или же вектором, как это показано на рис. 8.7. При этом некоторые координаты цвета могут принимать отрицательные значения, однако, результирующая яркость опреде­ляемая формулой

всегда будет положительной. Отрицательные значения координат цвета интерпре­тируются следующим образом: основной цвет, соответствующий отрицательному значению координаты, должен быть прибавлен к измеряемому цвету для достижения уравнивания смесью двух оставшихся основных цветов. Это замечание носит принципиаль­ный характер. Так, например, цвет, у которого хотя бы одна коор­дината отрицательна, не может быть получен путем физического смешения трех основных цветов.

Рис. 8.7. Представление цвета в цветовом пространстве

Часто при описании цвета его яркость не представляет интере­са, и тогда от координат цвета переходят к координатам цветности (координатам единичных цветов)

, ,

которые полностью определяют цветовой тон и насыщенность цве­та. Соотношение t₁+t₂+t₃⁼1 , в справедливости которого легко убедиться, определяет плоскость единичных цветов, показанную на рис. 8.7. штриховкой, а координаты единичных цветов — точку прокола этой плоскости вектором цвета. Поскольку _, то для полного описания цветности достаточно использовать всего две переменных t₁ и t₂, что удобно при представлении результатов цветовых расчетов на двумерном графике. Переход к такому гра­фику достигается путем проекции плоскости единичных цветов на плоскость Т₁, 0, Т₂, при этом равносторонний треугольник единич­ных цветов, показанный на рис. 7.2 штриховкой, преобразуется в прямоугольный треугольник.

Рассмотрев принципы, положенные в основу колориметрии, пе­рейдем к описанию цветовых моделей наиболее часто применяемых на практике.

Модель RGB

RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий) - аппаратно-ориентированная модель, используемая в дисплеях для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов (пикселов экрана). Система координат RGB - куб с началом отсчета (0,0,0), соответствующим черному цвету (см. рис. 8.3.). Максимальное значение RGB - (1,1,1) соответствует белому цвету.

Большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных компонентов окрашенного света. Этими компо­нентами, которые называются первичными цветами, являются красный, зеленый и си­ний цвета. При смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой, пурпурный и желтый.

Первичные цвета называются также аддитивными, поскольку в результате их объеди­нения (сложения) получается белый цвет - это означает, что свет полностью отража­ется и попадает обратно в глаз человека. Аддитивные цвета используются в системах освещения, в видеосистемах, в устройствах записи на фотопленку и в мониторах. На­пример, монитор создает цвета, пропуская излучаемый свет через красный, зеленый и синий люминофор.

При обработке цветных RGB-изображений каждому пикселю может быть присвоено значение интенсивности, которое может изменяться в пределах от 0 (черный) до 255 (белый).

Рис. 8.3. Цветовой куб модели RGB

Важно отметить особенные точки и линии этой модели.

• Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует (черный цвет)

• Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют максимальное значение (белый цвет)

• 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.

Применение: система RGB в настоящее время широко применяется для описания цвета при вводе цветных изображений в память компьютеров посредством сканеров, видеокамер, цифровых фотоаппаратов, а также при их выводе на экран монитора.

Модели CMY и CMYK

Эти системы предназначены для цветовых расчетов при работе с устройствами, выводящими изображения на бумагу. К таким устройствам относятся струйные и лазерные принтеры и печатные станки. Название колориметрической системы СМY образовано из начальных букв названий цветов принятых в качестве основных в этой системе: cyan — голубой, magenta — пурпурный, yellow — желтый. Эти цвета являются дополнительными к основным цветам, используемым в колориметрической системе RGB: красному, зеле­ному и синему. В колориметрической системе CMYK дополнитель­но введена еще одна координата цвета К — ключевой черный цвет. Необходимость введения дополнительной координаты (избыточ­ной, с точки зрения описания цвета) обусловлена стремлением расширить диапазон цветов воспроизводимых при печати. Эти коло­риметрические системы также представлены в современных графи­ческих редакторах, предназначенных для подготовки к печати цвет­ных изображений.

CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый) - аппаратно-ориентированная модель, используемая в полиграфии для субтрактивного формирования оттенков, основанного на вычитании слоем краски части падающего светового потока. Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам модели RGB, т.е. дополняющими их до белого. Таким образом система координат CMY - тот же куб, что и для RGB, но с началом отсчета в точке с RGB координатами (1,1,1), соответствующей белому цвету. Цветовой куб модели CMY показан на рис. 8.4.

Рис. 8.4. Цветовой куб модели CMY

Преобразования между пространствами RGB и CMY определяются следующим образом:

[ R G B ]   =   [ 1 1 1 ]  -  [ C M Y ]

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

Если вычесть один из основных цветов RGB из белого, то получится цвет, дополнительный к красному, зеленому или синему. Если вычесть красный, то зеленый и синий дадут голубой цвет (cyan); если вычесть зеленый, то красный и синий дадут пурпур (magenta), а если вычесть синий, то красный и зеленый дадут желтый цвет (yellow). Мы получили модель CMY, три из четырех компонентов модели CMYK, которая является основой полиграфии.

В субтрактивной цветовой модели, такой как CMYK, при смешивании двух или более основных цветов дополнительные цвета получаются посредством поглощения одних световых волн и отражения других. Так, голубая краска поглощает красный цвет и отражает зеленый и синий; пурпурная краска поглощает зеленый цвет и отражает красный и синий; а желтая краска поглощает синий цвет и отражает красный и зеленый. В аддитивной модели RGB световые потоки суммируются, производя более яркие цвета, а в субтрактивной модели CMYK световые потоки вычитаются, генерируя более темные цвета. Если учесть светонепроницаемость бумаги, которая скорее отражает свет, чем пропускает его, то становится понятно, почему такие яркие цвета в изображении на мониторе становятся темными и унылыми в отпечатанной иллюстрации. Работая в цветовой модели RGB, следует просмотреть изображения в CMYK, чтобы точно спрогнозировать и откорректировать цвета CMYK (конечно, если это возможно в используемом пакете редактирования изображений).

Цветовые модели RGB и CMYK являются дополнительными друг к другу, по крайней мере, теоретически. Смесь равных количеств голубого, пурпурного и желтого цветов должна давать нейтральные серые тона; при максимальной яркости основных цветов должен получаться черный цвет (дополнительный к белому в цветовой модели RGB). Так и происходит на экране монитора, но при печати дело обстоит совсем иначе. Смесь максимально ярких основных цветов CMY дает не черный цвет, а грязно-коричневый, и связано это с наличием примесей в красящих пигментах и красках коммерческого качества. Голубая краска обычно имеет избыток синего, а пурпурная и желтая — избыток красного. В результате полутоновое серое изображение, непосредственно преобразованное из RGB в CMY, после печати приобретает красный или пурпурный оттенок.

На помощь приходит черный цвет. Черный цвет является ключевым цветом (К), который принтеры добавляют к голубому, пурпурному и желтому для получения более четких, глубоких черных тонов и оттенков. Конечно, добавление четвертого цвета искажает уравнение преобразования RGB в CMYK, усложняя процесс достижения цветового соответствия между RGB и CMYK. В любом случае, простого взаимнооднозначного соответствия между этими цветовыми пространствами не существует. Многие приятные для глаза цвета, которые вы видите на мониторе, не могут быть воспроизведены красителями принтеров. При преобразовании изображения из RGB в CMYK количество добавляемого черного цвета (и тоновые диапазоны, в которые его следует ввести) вычисляется по сложному алгоритму, определяющему, каким образом значения RGB преобразуются в значения CMY. В процессе преобразования добавление черного цвета и примесей пигментов CMY производится с помощью параметров цветоделения, известных как GCR (gray component replacement — замена компонентов серого) и UCR (under color removal — удаление цветной краски. В ходе преобразования также производится автоматическая корректировка, позволяющая учесть то обстоятельство, что (опять-таки из-за примесей в красках) для получения нейтрального серого цвета голубая пластина должна печататься сильнее, чем пурпурная и желтая. Поэтому при преобразовании цифрового изображения из режима RGB в CMYK отмечается сдвиг цвета к голубому. Наконец, последняя проблема, которую следует учитывать при преобразовании к модели CMYK, — цветовое пространство является зависимым от устройства. Как каждый монитор и сканер воспроизводит цвет RGB немного по-другому, так и каждый тип цветного принтера, установки печати пробных оттисков и печатного станка воспроизводит цвет, немного отличающийся от гаммы CMYK. Подобная аппаратная зависимость для устройств, работающих на основе моделей RGB и CMYK, отчасти объясняет, почему калибровка и управление цветом столь важны для профессионалов в области печати, работающих с цветными изображениями.

Модели HSV, HLS и HSB

Названия этих систем, наиболее известных дизайнерам и художникам. Значение цветового тона в этих системах задается в градусах, как в колориметрической системе Манселла, а насыщенность и светлота (яркость в случае HSB) — в процентах. Обе колориметрические си­стемы, имея много общего, различаются в деталях. Так в системе HSB все три координаты цвета являются взаимно независимыми, что следует отнести к ее достоинству, в то время как в системе HLS координата L зависит от насыщенности S. Обе колориметрические системы применяются в современных графических редакторах, та­ких как: Photoshop, Corel Photo-Paint, CorelDRAW.

HSV (Hue, Saturation, Value - цветовой тон, насыщенность, количество света или светлота) - модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета (см. рис. 8.5.). Подпространство, определяемое данной моделью - перевернутый шестигранный конус. 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 H 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 0-1. 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 H считается неопределенным.

Рис. 8.5. Цветовая модель HSV

HLS (Hue, Lightness, Saturation - цветовой тон, светлота, насыщенность) - модель ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета (см. Рис. 8.6.). Эта модель образует подпространство, представляющее собой двойной конус, в котором черный цвет задается вершиной нижнего конуса и соответствует значению L = 0, белый цвет максимальной интенсивности задается вершиной верхнего конуса и соответствует значению L = 1. Максимально интенсивные цветовые тона соответствуют основанию конусов с L = 0.5, что не совсем удобно.

Цветовой тон H, аналогично системе HSV, задается углом поворота. Насыщенность S меняется в пределах от 0 до 1 и задается расстоянием от вертикальной оси L до боковой поверхности конуса. Т.е. максимально насыщенные цветовые цвета располагаются при L=0.5, S=1.

В общем, систему HLS можно представить как полученную из HSV "вытягиванием" точки V=1, S=0, задающей белый цвет, вверх для образования верхнего конуса.

Рис. 8.6. Цветовая модель HLS

В основе модели HSB лежит восприятие цветов человеческим глазом. Эта цветовая модель наиболее простая для понимания, равно применима и для аддитивных, и для субстративных цветов. 

HSB — это трехканальная модель цвета. Она получила название по первым буквам английских слов: цветовой тон (hue), насыщенность (saturation), яркость (brightness).

Рис. 8.7. Цветовая модель HSB

В общем случае, любой цвет получается из спектрального цвета добавлением определенного процента белой и черной красок, то есть фактически серой краски.

На цветовом круге основные цвета моделей RGB и CMYK находятся в такой зависимости: каждый цвет расположен напротив дополняющего его (комплиментарного) цвета; при этом он находится между цветами, с помощью которых получен. Например, сложение зеленого и красного цветов дает желтый. Чтобы усилить какой-либо цвет, нужно ослабить дополняющий его цвет (расположенный напротив него на цветовом круге). Например, чтобы изменить общее цветовое решение в сторону голубых тонов, следует снизить в нем содержание красного цвета.

Применение. HSB — модель, которую используют компьютерные художники. 

(+)  модели	(-)   модели
неплохо согласуется с восприятием человека: цветовой тон является эквивалентом длины волны света, насыщенность — интенсивности волны, а яркость — количества света  данная модель является удобной и понятной и имеет большой цветовой охват	необходимость преобразования в модель RGB для отображения на экране монитора или в модель CMYK для получения полиграфического оттиска, а любое преобразование из модели в модель не обходится без потерь цветовоспроизведения

В Photoshop нельзя работать непосредственно с изображениями в этой модели. Однако вы можете создавать цвета, используя ее.

Модель L*a*b*

Цветовая модель L*a*b основана на оригинальной разработке, предложенной Меж­дународной комиссией по освещению (СIЕ) в 1931 году в качестве международного стандарта измерения цветов. В 1976 году эта модель была усовершенствована и на­звана CIE L*a*b.

Многие колориметры выпускаемые промышленностью измеряют значения цветовых координат в этой системе. Эта колориметрическая система используется в основных графических редакторах, таких как, например Photoshop, Corel Photo-Paint, СоrelDRAW. При использовании этой системы в графических редак­торах значения координат цвета приводятся в условных единицах, при этом в различных редакторах они могут несколько различаться между собой.

Модель Lab призвана разрешить проблему множественности подходов к цветному репродуцированию, вызванную использованием различных типов мониторов и вывод­ных устройств. Эта модель задумана как аппаратно-независимая. Иными словами, она воссоздает одни и те же цвета независимо от особенностей устройства (монитора, принтера или компьютера), которое используется для создания или вывода изображе­ний.

В рамках модели Lab любой цвет определяется светлотой (L) и двумя хроматиче­скими компонентами: параметром а, который изменяется в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого.

Цветовым охватом называется все многообразие цветов, которое может быть воспроизведено монитором или выводным устройством. Видимый спектр электромаг­нитного излучения включает огромное множество цветов, которые способен различать человеческий глаз; цветовой охват любого устройства является лишь подмножеством видимого спектра.

Среди цветовых моделей наиболее широким цветовым охватом обладает модель Lab, которая позволяет синтезировать все цвета моделей RGB и CMYK. Цветовой ох­ват модели RGB включает в себя подмножество цветов, которые могут быть воспроиз­ведены на экране телевизора или монитора (излучающего красный, зеленый и синий свет). Некоторые цвета, такие как чистый голубой или чистый желтый, не могут быть точно воссозданы на экране. Самым узким цветовым охватом характеризуется модель CMYK - она воспроизводит только те цвета, которые могут быть напечатаны с помо­щью триадных красок. Об экранных цветах, которые невозможно точно воссоздать при печати, говорят, что они лежат вне цветового охвата модели CMYK.

Мы рассмотрели далеко не все применяемые в настоящее колориметрические системы, а лишь те из них, которые являются наиболее важ­ными при цифровой обработке изображений.

Не смотря на взаимные различия все известные цветовые модели обнаруживают одно общее для них свойство, а имен­но, сильную корреляционную связь между контурами на компонен­тах изображения, соответствующих координатам цвета в принятой системе.