2.Представление цвета в изображениях. Цветовые модели.

Изображения служат для представления информации в визуальном виде. Электромагнитные излучения, которые содержат информацию о рассматриваемой сцене, воспринимаются приемниками излучений и преобразуются в цифровое изображение, которое записывается в память ЭВМ.

Каждый пиксель растрового изображения содержит информацию о цвете. Представление информации в компьютере основывается на двоичной системе счисления. Минимальный размер цветовой информации в пикселе - 1 бит, т.е. в простейшем случае пиксели на экране могут быть "включены" или "выключены", представляя собой белый и черный цвет. Количество оттенков, которые может воспроизводить отдельный пиксель определяется глубиной цвета (максимум - 32 бита), позволяющей показывать на экране монитора до 16,7 млн. цветовых оттенков.

К полноцветным относятся типы изображений с глубиной цвета не менее 24 бит, то есть каждый пиксель такого изображения кодируется как минимум

24 битами, что дает возможность отобразить не менее 16,7 миллиона

оттенков. Поэтому иногда полноцветные типы изображения называют True Color (истинный цвет).

Рисунок 1.4 - Цветовая модель RGB

Если мы работаем с черно-белыми изображениями, то цвет кодируется нулем или единицей. Никаких проблем в этом случае не возникает. Для несложных рисунков, содержащих 256 цветов или столько же градаций серого цвета, нетрудно пронумеровать все используемые цвета. Но, для изображений в истинном цвете, содержащих миллионы разных оттенков, простая нумерация не подходит. Для них разработаны несколько моделей представления цвета, помогающих однозначно определить любой оттенок. Цветовые модели позволяют с помощью математического аппарата описать определенные цветовые области спектра.

Цветовая модель (режим) представляет собой правило обозначения цветов пикселей документа. Так как компьютер использует для обозначений цветов числа, необходимо ввести некоторое правило преобразования этих чисел в отображаемые устройствами вывода цвета и наоборот. Таких правил может быть несколько, поэтому каждое из них получает свое название.

Наиболее распространенными цветовыми моделями являются:

• битовый - 2 цвета - черный и белый;

• cерый - 256 градаций серого;

• RGB - red, green, blue - красный, зеленый, синий;

• CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, blacK - голубой, пурпурный, желтый, черный.

• HSB

Разные режимы нужны для того, чтобы отобразить в файле особенности

последующего вывода изображения на какое-либо устройство или сохранения в файле. Разные устройства вывода изображений могут работать по различным принципам, используя физические явления, не имеющие друг с другом практически ничего общего. Например, на экране монитора с электронно-лучевой трубкой (а также аналогичного телевизора) изображение строится при помощи засветки люминофора пучком электронов. При таком воздействии люминофор начинает излучать свет. В зависимости от состава люминофора, этот свет имеет ту или иную окраску. Для формирования полноцветного изображения используется люминофор со свечением трех цветов - красным, зеленым и синим. Поэтому такой метод формирования цвета называют RGB (Red,Green, Blue - Красный, Зеленый, Синий).

RGB – трехканальная цветовая модель. Эта модель представляется в виде трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад каждой составляющей в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения. Внутри полученного куба и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство.

Особенные точки и линии 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), т.к. 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.

Сами по себе зерна люминофора разных цветов позволяют получить только чистые цвета (чистый красный, чистый зеленый и чистый синий). Промежуточные оттенки получаются за счет того, что разноцветные зерна расположены близко друг к другу. При этом их изображения в глазу сливаются, а цвета образуют некоторый смешанный оттенок. Регулируя яркость зерен, можно регулировать получающийся смешанный тон. Например, при максимальной яркости всех трех типов зерен будут получен белый цвет, при отсутствии засветки - черный, а при промежуточных значениях - различные оттенки серого. Если же зерна одного цвета засветить не так, как остальные, то смешанный цвет не будет оттенком серого, а приобретет окраску. Такой способ формирования цвета напоминает освещение белого экрана в полной темноте разноцветными прожекторами. Свет от разных источников складывается, давая различные оттенки. Поэтому такое представление цвета (цветовую модель) называют аддитивной (суммирующей).

При выводе изображения на печать используются другие технологии. Это может быть, например, струйная печать или многокрасочная печать на типографской машине. В этом случае изображение на бумаге создается при помощи чернил разных цветов. Накладываясь на бумагу и друг на друга, чернила поглощают часть света, проходящего сквозь них и отражающегося от бумаги. Если чернила густые, то они сами отражают свет, но не весь. Таким образом, отраженный от картинки цвет приобретает ту или иную окраску, в зависимости от того, какие красители и в каких количествах были использованы при печати. Обычно при таком способе цветопередачи для получения промежуточных оттенков используются чернила четырех цветов: голубой, пурпурный, желтый и черный.

Такую цветовую модель называют CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, Blасk (Голубой, Пурпурный, Желтый, Черный). Теоретически для получения любого из оттенков достаточно только голубого, желтого и пурпурного цветов. 

CMYK — четырехканальная цветовая модель. Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый), BlасК (черный). Модель CMYK аналогична модели RGB, в которой перемещено начало координат. 

Особенные точки и линии  модели.

• Начало координат: при полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) получится белый цвет (белая бумага)

• Точка, ближайшая к зрителю: при смешении максимальных значений всех трех компонентов должен получиться черный цвет. 

• 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.

Рисунок 1.5 - Цветовая модель CMYK

На практике крайне сложно получить их смешением чистый черный цвет или оттенки серого. Так как в цветовой модели CMYK оттенки образуются путем вычитания определенных составляющих из белого, ее называютсубтрактивной (вычитающей). Кроме различных печатающих устройств, эта цветовая модель используется в фотопленке и фотобумаге. Там также содержатся слои, чувствительные к голубому, желтому и пурпурному свету.

В файлах изображений, сохраненных в режимах RGB и CMYK, для каждого пикселя записываются значения всех трех или четырех компонентов. Для вывода изображения на черно-белые (монохромные) устройства, а также для некоторых других целей лучше всего подходит изображение в режиме градаций серого (grayscale). В этом режиме для каждого пиксела записывается только одно значение - его яркость.

При печати изображений на некоторых принтерах, а также для получения определенных изобразительных эффектов используется режимBitmap (Битовый). В этом режиме любая точка изображения может быть либо белой, либо черной. Существуют и другие цветовые режимы. Например, для записи изображений в форматах, ограничивающих допустимое число цветов (таких как GIF), эти изображения надо предварительно перевести в режим индексированных цветов. При этом составляется палитра, которая и используется при дальнейшей работе. Палитра (palette) - набор цветов, используемых в изображении или при отображении видеоданных. Палитру можно воспринимать как таблицу кодов цветов (обычно в виде RGB-троек байтов в модели RGB). Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели. Палитра может принадлежать изображению, части изображения, операционной системе или видеокарте. При попытке использовать не входящий в палитру цвет он заменяется ближайшим цветом, занесенным в нее.

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

• Характеризующие параметры цвета.

• Цветовой тон (собственно цвет).

• Цветовые тона или спектральные цвета   располагаются на цветовом круге. Цветовой тон характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла в диапазоне от 0 до 360 градусов. Эти цвета обладают максимальной насыщенностью и максимальной яркостью.

• Насыщенность (процент добавления к цвету белой краски) — это параметр цвета, определяющий его чистоту.

• Яркость (процент добавления черной краски) — это параметр цвета, определяющий освещенность или затемненность цвета. 

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

• L*a*b — трехканальная цветовая модель. Она была создана Международной комиссией по освещению (С1Е) с целью преодоления существенных недостатков  моделей RGB, CMYK, HSB, в частности, она призвана стать аппаратно-независимой моделью и определять цвета без оглядки на особенности устройства (монитора, принтера, печатного станка и т. д.). Любой цвет данной модели определяется светлотой (L) двумя хроматическими компонентами: параметром a, который изменяется в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого.