Компьютерная графика

цессе эксплуатации происходит старение люминофора и изменение эмиссионных характеристик электронных прожекторов. Для устранения (или, по крайней мере, минимизации) зависимости RGB-мо- дели от аппаратных средств используются различные устройства и программы градуировки.

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, RGB-мо- дели вполне достаточно для создания цветов и оттенков, необходимых для воспроизводства реалистичных изображений на экране компьютера.

1.3.4.Субтрактивные цветовые модели

Âотличие от экрана монитора, воспроизведение цветов которого основано на излучении света, печатная страница может только отражать цвет. Поэтому RGB-модель в данном случае неприемлема. Вместо нее для описания печатных цветов используется модель CMY, базирующаяся на субтрактивных цветах. Субтрактивные цвета, в отличие от аддитивных (той же RGB-модели), получаются вычитанием вторичных цветов из общего луча света. В этой системе белый цвет появляется как результат отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие дает черный цвет.

Âпоследнее время в качестве синонима термина «субтрактивный» иногда используют термин «исключающий». Происхождение этого названия связано с явлением отражения света от покрытой красителем поверхности, а также с тем фактом, что при добавлении красителей интенсивность света уменьшается, поскольку свет поглощается тем больше, чем больше красителя нанесено на поверхность.

Нанесение на бумагу трех базовых цветов: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow) позволяет создать множество субтрактивных цветов.

22

Для уточнения практических нюансов использования этой модели запишем соотношения, связывающие аддитивные (красный, зеленый, синий) и субтрактивные (голубой, желтый, пурпурный) цвета:

Зеленый + Синий = Голубой; Зеленый + Красный = Желтый; Красный + Синий = Пурпурный; Зеленый + Синий + Красный = Белый;

Голубой + Желтый + Пурпурный = Черный.

Итак, что же происходит, когда на лист бумаги с нанесенным на него красителем падает белый свет? Если краситель голубой (сине-зеленый), то он поглощает из спектра красный цвет и отражает голубой. Соответственно, пурпурный краситель поглощает комплиментарный ему зеленый цвет, а желтый краситель — синий цвет. Если при печати наложить друг на друга пурпурный и желтый цвета, то получится красный цвет, поскольку пурпурный краситель устранит зеленую составляющую, а желтый — синюю составляющую цвета. Соответственно при печати с наложением всех трех субтрактивных цветов результирующий цвет будет черным. Сформулируем правило коррекции цветового разбаланса

при цветной печати: если изображение имеет излишне синий оттенок, то следует увеличить желтую составляющую, поскольку желтый поглощает синие составляющие. Избыточность зеленого цвета можно скорректировать увеличением пурпурной составляющей, а избыточность красного цвета — увеличением голубой составляющей.

Теоретически при вычитании всех основных цветов получается черный, но на практике получить черный сложней, поэтому модель CMY дополнена отдельным черным цветовым компонентом. В результате образована цветовая модель CMYK (Black — последняя буква). K — черный цвет, который является в этой модели основным. Результат применения этой модели называется четырехцветной печатью.

Ограничения CMYK-модели. CMYK-модель имеет те же два типа ограничений, что и RGB-модель: аппаратная зависимость и ограниченный цветовой диапазон.

В CMYK-модели также нельзя точно предсказать результирующий цвет только на базе численных значений ее отдельных компо-

23

нентов. В этом смысле она является даже более аппаратно-зависи- мой моделью, чем RGB. Это связано с тем, что в ней имеется большее количество дестабилизирующих факторов, чем в RGB-модели. К ним, в первую очередь, можно отнести вариацию состава цветных красителей, используемых для создания печатных цветов. Цветовое ощущение определяется еще и типом применяемой бумаги, способом печати и, не в последнюю очередь, внешним освещением. Последнее неудивительно — ведь никакой объект не может отразить цвет, отсутствующий в источнике излучения.

В силу того, что цветные красители имеют худшие характеристики по сравнению с люминофорами, цветовая модель CMYK имеет более узкий цветовой диапазон по сравнению с RGB-моделью. В частности, она не может воспроизводить яркие насыщенные цвета, а также ряд специфических цветов, таких, например, как металлический или золотистый.

1.3.5. Перцепционные цветовые модели

Для дизайнеров, художников и фотографов основным «инструментом» индикации и воспроизведения цвета служит глаз. Этот естественный «инструмент» обладает цветовым охватом, намного превышающим возможности любого технического устройства, будь то сканер, принтер или фотоэкспонирующее устройство вывода на пленку.

Как было показано ранее, используемые для описания техниче- ских устройств цветовые системы RGB и CMYK являются аппаратно зависимыми. Это значит, что воспроизводимый или создаваемый с помощью них цвет определяется не только составляющими модели, но и зависит от характеристик устройства вывода.

Для устранения аппаратной зависимости был разработан ряд так называемых перцепционных (иначе — интуитивных) цветовых моделей. В их основу заложено раздельное определение яркости

èцветности. Такой подход обеспечивает ряд преимуществ:

–позволяет обращаться с цветом на интуитивно понятном уровне;

–значительно упрощает проблему согласования цветов, поскольку после установки значения яркости можно заняться настройкой цвета.

24

Прототипом всех цветовых моделей, использующих концепцию разделения яркости и цветности, является HSV-модель. К другим подобным системам относятся HSI, HSB, HSL и YUV. Общим для них является то, что цвет задается не в виде смеси трех основных цветов — красного, синего и зеленого, а определяется путем указания двух компонентов: цветности (цветового тона и насыщенности) и яркости.

Цветовая модель HSB. Модель HSB (Hue — цветовой тон, Saturation — насыщенность, Brightness — яркость) или ее ближайший аналог HSL представлены в большинстве современных графи- ческих пакетов. Из всех используемых в настоящее время моделей эта модель наиболее точно соответствует способу восприятия цветов человеческим глазом. Она позволяет описывать цвета интуитивно ясным способом. В HSB-модели все цвета определяются с помощью комбинации трех базовых параметров (рис. 3):

–цветовой тон (Н);

–насыщенность (S);

–яркость (В).

Рис. 3. Схема модели HSB: В цветовой тон (H),

Àнасыщенность (S)

Ïîä цветовым тоном (hue) понимается свет с доминирующей длиной волны. Обычно для описания цветового тона (в некоторых источниках применяется термин «оттенок») используется название цвета, например красный, оранжевый или зеленый. В традиционной интерпретации этой модели каждый цветовой тон занимает определенное положение на периферии цветового круга и характеризуется величиной угла в диапазоне от 0 до 360° (рис. 3). Обычно для крас-

25

ного цвета берется угол 0°, для чисто зеленого — 120° и для чисто синего — 240°.

На цветовом круге первичные цвета расположены на равном расстоянии друг от друга. Вторичные цвета находятся между первичными. В свою очередь, каждый цвет расположен напротив дополняющего его (комплиментарного) цвета, причем он находится между цветами, с помощью которых получен.

Другой компонент — насыщенность — характеризует чистоту цвета. Он определяет соотношение между основной, доминирующей, компонентой цвета и всеми остальными (количеством серого), участвующими в формировании цвета. Геометрически можно представить этот параметр как перемещение поперек цветового круга. Количественное значение этого параметра выражается в процентах: от 0 (серый) до 100 % (полностью насыщенный).

Перемещение поперек цветового круга (в отличие от движения по окружности) приводит к уменьшению доли цвета, от которого вы удаляетесь, и возрастанию доли цвета, к которому вы приближаетесь. В итоге это приводит к понижению насыщенности, которая имеет максимальное значение (100 %) на поверхности окружности и минимальное (0 %) — в центре круга.

По другому определению, насыщенность отражает, насколько далеко отстоит данный цвет от равного с ним по яркости белого цвета. В этом случае насыщенность можно измерять числом едва заметных переходов (градаций), лежащих между данным цветом и белым.

Яркость (В) характеризует интенсивность, с которой энергия света воздействует на рецепторы нашего глаза. Ее можно интерпретировать также как относительную освещенность или затемненность цвета (светлоту цвета). Солнечный зайчик — пример высокой интенсивности освещения (яркого), тлеющие угли — низкой. Любые цвета и оттенки независимо от их цветового тона можно сравнить по яркости, то есть определить, какой из них темнее, а какой светлее.

Яркость никоим образом не влияет на цветность, но от нее зависит, насколько сильно цвет будет восприниматься нашим глазом. При нулевой яркости мы не видим ничего, поэтому любой цвет будет восприниматься как черный.

26

Исходя из этого яркость иногда трактуют подобно насыщенности, то есть как величину, обратную степени разбавленности цвета черным. Таким образом, при отсутствии черного мы получаем чистый спектральный цвет, а максимальная яркость вызывает ощущение ослепительно белого цвета.

Цветовая модель Lab. В цветовой модели Lab (рис. 4) используются следующие параметры:

–à — цветность в диапазоне от зеленого до красного;

–b — цветность в диапазоне от синего до желтого;

–L — светлота (Lightness), представляющая собой аналог яр-

кости.

Рис. 4. Цветовое пространство Lab

Используемые в Lab-модели цветовые координаты удивительно согласуются с биологическим механизмом восприятия цвета, открытым в 1981 году американскими учеными Давидом Хьюблом (David H. Hubel) и Торстеном Вайзелом (Torsten N. Wiesel), получившими Нобелевскую премию за исследование зрения. В числе прочего они показали, что глаз предоставляет в мозг вовсе не информацию о красном, зеленом и синем. Вместо этого мозг получает:

–разницу между светлым и темным;

–разницу между зеленым и красным;

–разницу между синим и желтым, где желтый — сумма красного и зеленого.

Для обычного человека очевидно, что красный цвет никогда не содержит зеленого компонента, синий — желтого, а белый — черного. Из этого следует, что в созданной на базе ощущений эталонной системе измерения цвета яркостная (ахроматическая) и цветовая информация должны быть разделены не только количествен-

27

но, но и качественно. Именно это и реализовано в Lab-модели. Применяемый в ней принцип независимого описания цветности и яркости позволяет изменять яркость изображения без искажения цветовых тонов (оттенков) изображения. На рис. 5 приведен горизонтальный срез Lab-модели, в котором все цвета имеют одинаковую яркость. Это означает, что каждый цвет может быть точно описан в цветовых координатах à è b. Диапазон изменения значений компонентов цветности à è b зависит от способа практической реализации Lab-модели. Так, в программе Photoshop они изменяются в диапазоне от –120 до 120, а в Corel PhotoPaint — от –60 до 60.

Рис. 5. Горизонтальный срез Lab модели,

в котором все цвета имеют одинаковую яркость

На базе параметров этой цветовой системы можно легко определить параметры других цветовых моделей. Например, параметры HSB-модели идентифицируются с помощью схемы, изображенной на рис. 6. Этой схеме соответствуют математические формулы для определения цветового тона (Н) и насыщенности (S), характеризующиеся углом между цветовым вектором с осью à и расстоянием между цветовым локусом и средней точкой:

Í = arctg (b/a), S = (a2 + b2)0,5.

Третий параметр, яркость (L), представляется вертикальной координатой, которая в большинстве программ принимает значения от 0 (черный) до 100 (белый).

28

Достоинства Lab-модели. Модель Lab призвана решить проблему универсального подхода к репродуцированию изображений, связанную с использованием различных типов мониторов и устройств печати. В силу своей независимости от аппаратных средств она позволяет воссоздавать одни и те же цвета независимо от осо-

Рис. 6. Процедура преобразования параметров Lab модели в параметры HSB модели

бенностей устройства (монитора, принтера или компьютера), которое используется для создания или вывода изображений.

Поскольку цветовая палитра этой модели перекрывает цветовые палитры RGB- и CMYK-моделей, то в ряде современных графических программ (как, например, Photoshop) эта модель используется в качестве внутренней модели для реализации взаимного конвертирования RGB- и CMYK-моделей.

Субъективность в ощущении цвета человеком и аппаратная зависимость некоторых из используемых цветовых моделей приводят к развитию метрологии цвета (колориметрии), т.е. к созданию новых средств измерения, калибровки цвета и управления цветом. Основы этой области знаний можно изучить, например, по материалам учебного пособия [1]. Очень важными являются системы управления цветом, предназначенные для координации цветовых охватов всех задействованных в обработке цвета устройств и обеспечения возможности имитации результатов работы одного из устройств вывода на другом, то есть для приведения в соответствие цветопередачи (согла-

29

сования цветовых пространств) различных компонентов системы по созданию и обработке графической информации.

1.4. Цветовые режимы

Цветовые режимы представляют собой практическую реализацию рассмотренных выше цветовых моделей. В большинстве графических программ только три цветовые модели — RGB, CMYK и Lab — имеют одноименные цветовые режимы. Вместе с тем в графических программах широко представлены режимы с более ограниченной цветовой палитрой.

Наиболее широким (и практически идентичным) охватом цветовых режимов характеризуются программы Adobe Photoshop и Corel PhotoPaint. В них возможно использование следующих режимов:

–Black and White (1-bit) (черно-белый, 1 разряд);

–Grayscale (8-bit) (градации серого, 8 разрядов);

–Duotone (8-bit) (дуплекс, 8 разрядов);

–Paletted (8-bit) (палитра, 8 разрядов);

–RGB Color (24-bit) (RGB, 24 разряда);

–Lab Color (24-bit) (Lab, 24 разряда);

–CMYK Color (32-bit) (CMYK, 32 разряда);

–Multi-Channel (многоканальный);

–Video (видео);

–Grayscale (16 bit) (градации серого, 16 разрядов);

–RGB Color (48 bit) (RGB, 48 разрядов). Рассмотрим эти режимы более подробно.

Black and White (режим черно-белой графики). Художники

èразработчики программного обеспечения называют этот режим также монохромной графикой, растровой графикой (bitmap art), èëè графикой с однобитовым разрешением.

Для отображения черно-белого изображения используются только два типа ячеек: черные и белые. Поэтому для запоминания каждого пиксела требуется только 1 бит памяти компьютера. Областям исходного изображения, имеющим промежуточные оттенки, назначаются черные или белые пикселы, поскольку других оттенков для этой модели не предусмотрено. В качестве аналога би-

30