Природа цвета. Восприятие цвета человеком
Вспомним, свет – это электромагнитное излучение, это волна, которая распространяется в пространстве, так же как и звук и другие волны, которые мы не ощущаем.
В процессе восприятия и обработки участвуют две стороны, предмет, на который мы смотрим и собственно человеческий глаз, а также мозг, обрабатывающий информацию, полученную через глаза.
Давайте разберем, как же мы видим цвет (рис.010). В сетчатке человеческого глаза находятся рецепторы колбочки и палочки. Всего в глазу располагается около 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек. Распределение рецепторов на сетчатке неравномерно: в области желтого пятна преобладают колбочки, а палочек очень мало; к периферии сетчатки, наоборот, число колбочек быстро уменьшается и остаются одни только палочки. Колбочки, отвечают за восприятие цвета, палочки в свою очередь за сумеречное зрение. Например, ночью вы не видите цвета, вы видите все серым, потому что работают палочки, а днем работают и колбочки и палочки.
За счет чего работают зрительные рецепторы? Пигмент Родопсин разлагается под действием света в палочках, в колбочках эту роль выполняет пигмент Йодопсин.
Теперь давайте разберем природу цвета, отталкиваясь от физиологии зрения. Различают три типа «колбочек», проявляющих наибольшую чувствительность к трем основным цветам видимого спектра:
· красно-оранжевому (600 – 700 нм);
· зеленому (500 – 600 нм);
· синему (400 – 500 нм).
Таким образом, для восприятия любого цвета, наш мозг смешивает эти три цвета (рис.011, 012), учитывая еще один параметр - интенсивность. Поэтому самой физиологичной системой кодировки цвета является RGB (Red, Green, Blue). Смесь, состоящая из 100% каждого цвета, дает белый свет. Отсутствие всех цветов дает отсутствие света или черный свет.
А как формируется цвет предмета? Ответ прост, дневной свет, попадая на предмет частично поглощается, а частично отражается, вот этот отраженный спектр и видит наш глаз. Видимыми являются волны, лежащие в диапазоне от 760 до 380 миллимикрон. На рисунке (рис.013) представлено соответствие цвета и его длины волны.
С этой точки зрения, белым является такой цвет, который отражает полностью падающий на него свет, а черным – который поглощает весь свет.
Основные цветовые модели
Человеческий глаз способен различать огромное множество цветов. Чтобы иметь возможность воссоздать любой цвет, необходимо располагать средствами описания цветов. В качестве таких средств разработано несколько цветовых моделей.
Модели воспроизведения цвета основаны или на сложении или на вычитании основных цветов. В каждой модели представление цветовых оттенков несколько отличается от других. Но все они, подобно палитре художника, обеспечивают возможность выбора нужного цвета среди миллионов различных оттенков.
Модель RGB
Большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных компонент окрашенного света. Этими компонентами, которые называются первичными цветами, являются красный, зеленый и синий цвета. Они образуют цветовую модель RGB - Red (Красный), Green (Зеленый), Blue (Синий) - в которой на каждый пиксел отводится 24 бита, по 8 бит на каждый из трех основных цветов, что дает возможность закодировать 16,7 миллионов оттенков.
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, ваш монитор создает цвета, пропуская излучаемый свет через красный, зеленый и синий люминофор.
При смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой, пурпурный, желтый и т.д. Чем выше интенсивность цвета, значение которого обычно определяется целыми числами от 0 (нуля) до 255, тем ближе он к чистому тону, а чем меньше, тем ближе он к черному цвету (256 значений - это 2 в 8 степени, по 8 бит на каждый цвет). Если сложить все три основных цвета с максимальной интенсивностью, равной 255, получится чистый белый цвет. И, наоборот, если просуммировать три цвета нулевой интенсивности, получится чистый черный цвет.
Модель HSB
Следующая система, которая используется в компьютерной графике, система HSB. Растровые форматы не используют систему HSB для хранения изображений, так как она содержит всего 3 миллиона цветов.
В системе HSB цвет разлагается на три составляющие (рис.014):
HUE (Цветовой тон) - частота световой волны, отражающейся от объекта, который вы видите.
SATURATION (Насыщенность) является чистотой цвета. Это соотношение основного тона и равного ему по яркости бесцветно серого. Максимально насыщенный цвет не содержит серого вообще. Чем меньше насыщенность цвета, тем он нейтральней, тем труднее однозначно охарактеризовать его.
BRIGHTNESS (Яркость) это общая яркость цвета. Минимальное значение этого параметра превращает любой цвет в черный.
При работе в графических программах с ее помощью очень удобно подбирать цвет, так как представление в этой модели цвета согласуется с его восприятием человеком.
Модель CMYK
Так как цвет, создаваемый компьютером, и цвет, который получается в результате печати изображения на принтере, не совсем один и тот же, ученые создали цветовую модель специально для печатаемых цветов, известную как цветовая модель CMYK (рис.015).
В то время как модель RGB воспроизводит цвета в зависимости от источника света, в основе модели CMYK лежит способность печатных красок к светопоглощению (абсорбции). При прохождении белого света через светопроницаемую краску часть спектра поглощается. Не поглощенный цвет отражается и попадает обратно в глаз человека. Чем больше красящего пигмента содержит краска, тем темнее ее цвет, а чем темнее цвет, тем меньше цвета отражается от бумаги, на которую наносится краска.
В цветовой модели CMYK различное процентное содержание голубого (С - Cyan), пурпурного (М - Magenta) и желтого (Y - Yellow) цветов комбинируется для получения множества оттенков. Эти цвета используют белый цвет, вычитая из него определенные цвета, относятся к отражаемым и называются также субтрактивными («вычитаемыми»), поскольку они остаются после вычитания основных аддитивных.
Теоретически комбинация чистых голубого, пурпурного и желтого цветов должна поглощать весь спектр, образуя в результате черный цвет. Однако из-за того, что ни одна печатная краска не является абсолютно чистой и обязательно содержит те или иные примеси, на практике комбинация всех вторичных цветов дает грязно-коричневый цвет. Чтобы получить настоящий черный цвет, приходится к этим трем краскам добавлять четвертую - черную (К - BlacK). Буква «К» использована для того, чтобы избежать путаницы, поскольку в английском языке с буквы «В» начинается не только слово black (черный), но и слово Blue (синий). Использование этих красок для цветного репродуцирования называется четырехкрасочной составной печатью.
Несмотря на то, что модели RGB и CMYK связаны друг с другом, цветовой охват CMYK значительно меньший и их взаимные переходы сопровождаются потерей цветовой информации. Чтобы свести эти потери к минимуму, необходима сложная калибровка всех устройств, работающих с цветом: сканера, монитора, принтера.
Применение той или иной цветовой модели зависит от того, как будет использоваться создаваемое изображение. Если изображение предназначено для презентации на CD-ROM или для помещения на Web-страницу, т.е. для просмотра на экране монитора, используется цветовая модель RGB. Если же изображение предназначается для печати на бумаге или для полиграфического исполнения, то используется модель CMYK.
Цветовой режим Lab
Преимущества цветового режима Lab заключается в том, что он дает доступ как к цветам RGB, так и к цветовой палитре CMYK. Это режим работы для профессионалов, некоторые авторы советуют работать именно с ним, проблема здесь заключается в том, что он немного сложен для восприятия, но если его освоить, то это даст вам преимущество в работе с вэб и полиграфией. Lab заполняет пробел, существующий между RGB и CMYK. Например, цветовая модель RBG хорошо воспроизводит цвета в диапазоне от синего до зеленого, но страдает от недостатка желтых и оранжевых оттенков. Оттенков, отсутствующих в модели CMYK, хватит чтобы закрасить стадион. Система Lab лишена этих недостатков.
Рассмотрим режим Lab (рис.016,017). Он использует три канала, первый соответствует яркости (Luminosity), два других – цветовые параметры, которые обозначаются буквами a и b. Канал a содержит цвета в диапазоне от темно-зеленого, через серый, до ярко-розового. Канал b содержит цвета от светло-синего до ярко желтого.
Еще одна деталь, когда Photoshop переводит изображение RGB в CMYK, используется алгоритм, где промежуточной стадией этой трансформации является Lab.
Основные форматы растровой графики
Любая компьютерная информация может храниться только в определенном формате. Каждый вид информации имеет собственные форматы. Для текста используются одни форматы, для электронных таблиц - другие, для графики - третьи. Без формата информацию нельзя ни сохранить, ни передать. Формат графической информации обычно определяется программой, в которой она создана. Существует большое количество форматов хранения цифровых изображений (рис.018). Наиболее распространенные из них - PSD, BMP, TGA, TIFF. Для Web-графики стандартными считаются форматы JPEG, GIF, PNG и Flashpix (FPX). Все эти форматы - растровые.
Формат PSD (расширение файлов .psd) является собственным форматом программы Adobe Photoshop - самого популярного приложения для создания и редактирования изображений. Он поддерживает все цветовые модели, слои и альфа-каналы. Теоретически файлы этого формата могут содержать неограниченное количество слоев, а каждый слой может содержать до 24 каналов.
Формат BMP (расширение файлов .bmp) предназначен для Windows и поэтому поддерживается всеми приложениями, работающими в этой операционной системе. Формат позволяет использовать палитры из 2, 16,256 цветов, а также полную палитру из 16 миллионов цветов. Существует несколько разновидностей этого формата:
- обычный, с расширением .bmp;
- сжатый, с расширением .rie; сжатие происходит без потерь, но поддерживается только 4- и 8-битный цвет;
формат, не зависящий от устройства (Device Independent Bitmap)
с расширением .dib.
Формат TGA (расширение файлов .tga) был разработан преимущественно для видеоизображений и в максимальной степени приспособлен к телевизионным стандартам. Но получил распространение также в качестве стандарта сохранения графики. Широко используется на компьютерах с операционной системой MS DOS, так как поддерживается большинством программ обработки цвета, созданных для этой платформы. Данный формат поддерживает 32-битный цвет.
Формат TIFF (Tagged Image File Format - Универсальный формат графических файлов) (расширение файлов .tif) был создан в качестве универсального формата хранения цифровых изображений. Он имеет самый широкий диапазон передачи цветов от монохромного до 24-битной модели RGB и 32-битной модели CMYK. Важным достоинством этого формата является его переносимость на разные платформы. Это значит, что при сохранении вы можете создать документ, доступный для чтения на компьютерах, совместимых с IBM PC или Macintosh. Файлы этого формата импортируются во все программы настольных издательских систем, с ними можно работать практически в любой программе растровой графики и во многих программах векторной графики, а также в программах видеомонтажа. Формат TIFF поддерживает LZW-уплотнение — алгоритм, который позволяет выполнять сжатие файла без потерь информации. Это - тот же алгоритм, который используется в программах-архиваторах. Возможность сжатия является немаловажным достоинством формата при работе с полноцветными изображениями большого размера.
В формате TIFF могут сохраняться также подписи специального стандарта для идентификации передаваемых текстов и изображений. Данная возможность используется для сопровождения изображений дополнительной информацией о содержании, необходимой доработке, авторских правах и т.д. при передаче графики заказчикам, издательствам, партнерам и др.
Формат JPEG (Joint Photographic Experts Group - Объединенная группа экспертов фотографии) (расширение файлов .jpg) - самый популярный формат для хранения фотографических изображений. JPEG является стандартом в Интернете и предназначен для сохранения растровых изображений со сжатием, уменьшающим размер файла от десятых долей процента до 100 раз за счет отбрасывания избыточной информации, не влияющей на отображение документа. Но практически диапазон сжатия значительно уже: от 5 до 15 раз. Хотя алгоритм сжатия изображения этого формата и ухудшает качество, он может быть легко настроен на минимальные, практически незаметные для человеческого глаза, потери. Распаковка JPG-файла происходит автоматически, во время его открытия. Между качеством изображения и степенью уплотнения существует обратная зависимость: чем более высокую степень сжатия для результирующего изображения вы зададите, тем хуже будет его качество.
Формат GIF (Graphics Interchange Format - Формат для обмена графической информацией) (расширение файлов .gif) был разработан специалистами компьютерной сети CompuServe в 1987 году. Главным достоинством этого формата является малый размер файлов, и поэтому он до сих пор сохраняет свое значение основного графического формата World Wide Web. Из распространенных графических форматов GIF однозначно уступает по степени сжатия только формату JPEG. С другой стороны, преимуществом JPEG, по сравнению с GIF, является возможность хранить полноцветные изображения с 16 миллионами цветов, тогда как GIF ограничен лишь 256-цветной палитрой и поэтому мало пригоден для хранения фотографических изображений.
формат PNG (Portable Network Graphics - Переносимая сетевая графика) (расширение файлов -png), поддерживается поздними версиями браузеров, например, Netscape Navigator .4, но широкого распространения пока не получил. Этот формат, основанный на вариации алгоритма сжатия без потерь качества, в отличие от GIF сжимает растровые изображения и по горизонтали, и по вертикали, что обеспечивает более высокую степень сжатия, кроме того, он поддерживает цветные графические изображения с глубиной цвета до 48 бит включительно.
PNG позволяет хранить полную информацию о степени прозрачности в каждой точке изображения в виде так называемого альфа-канала. Каждый пиксел PNG-файла, вне зависимости от его цвета и местоположения, может иметь любую градацию прозрачности - от нулевой - полная непрозрачность - до абсолютной невидимости.
Формат Flashpix (РРХ) - это графический формат, позволяющий сохранять изображения с несколькими разрешениями для презентаций на CD-ROM или в Интернете. Вы можете просматривать на экране компьютера изображения этого формата с одним разрешением, а затем увеличивать разрешение, чтобы увидеть детали. Формат Flashpix позволяет работать с высококачественными изображениями без использования значительного количества памяти и дискового пространства. Некоторые цифровые камеры сохраняют снимки в данном формате.
В большинстве цифровых фотоаппаратов изображения сохраняются в форматах TIFF и JPEG.