6.2. Хроматические модели

В отличие от точек ахроматических моделей, точки изображений в хроматических моделях могут иметь оттенок любого цвета (отсюда название – полноцветные модели). Цвета в таких изображениях получаются также путём сложения базовых компонентов в различных пропорциях. Существует много различных типов полноцветных моделей, но в графических редакторах, как правило, применяется не более четырёх. Эти модели известны под названиями: RGB, CMYK, Lab и HSB.

Изображения в модели RGB (аддитивная модель)

Ц ветовую модель RGB имеют изображения, предназначенные для экранного просмотра, а также полученные путём сканирования (рис. 9).

Рис. 9. Полноцветное изображение в модели RGB и его представление в цветовых каналах

Название модели RGB представляет собой аббревиатуру, составленную из начальных букв английских слов:

R (Red) – красный,

G (Green) – зелёный,

B (Blue) – синий.

Эти слова соответствуют трём базовым цветам наиболее распространённой модели излучаемого цвета. Выбор именно этих базовых цветов обусловлен физиологией человеческого зрения, непосредственно воспринимающего только эти цвета. Все остальные цвета в этой модели образуются за счёт смешения базовых цветов в различных пропорциях. Это смешение при рассматривании происходит в результате смыкания в глазу зрителя изображений от небольших, близко расположенных друг к другу источников света.

Тройки смежных источников, каждый из которых излучает определённый свет базовых цветов модели, могут имитировать более 16 миллионов цветов. Регулировка пропорций, в которых смешиваются базовые цвета, выполняется за счёт изменения интенсивности излучения источников.

При сложении (смешении) лучей основных цветов этой модели (красный, зелёный, синий) образуется новый цветовой тон, который при этом оказывается светлее, чем отдельные его составляющие. Это неудивительно, ведь в результате одновременного свечения двух разноцветных лампочек суммарная освещённость, в итоге, бывает больше, и свет приобретает новый оттенок. Цвета подобного типа (излучаемые цвета) называют аддитивными (от английского add – складывать), а цветовую модель, основанную на сложении цветов (RGB), – аддитивной моделью.

Рис. 10. Цветовое пространство модели RGB

Цветовое пространство модели RGB может быть представлено в виде цветового куба (рис.10). По осям координат откладываются значения яркости свечения базовых цветов (цветовых каналов). Каждая из цветовых составляющих может принимать значения от нуля (нет света) до максимального (наибольшая яркость). Внутреннее пространство образовавшегося куба содержит все возможные цвета данной модели. В начале координат значения каналов равны нулю (чёрный цвет). В противоположной точке смешиваются максимальные значения всех трёх каналов, образуя белый цвет. На линии, соединяющей эти точки, располагаются оттенки, образованные соединением трёх базовых цветов в равной пропорции. Эти оттенки составляют серую шкалу. При смешении базовых цветов одинаковой яркости в результате всегда получается ахроматический серый цвет, оттенок которого, в зависимости от степени яркости базовых компонентов, может варьироваться от чёрного до белого. Три вершины куба, лежащие на осях, дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

КРАСНЫЙ + ЗЕЛЁНЫЙ = ЖЁЛТЫЙ

КРАСНЫЙ + СИНИЙ = ПУРПУРНЫЙ

ЗЕЛЁНЫЙ + СИНИЙ = ГОЛУБОЙ

Модель RGB можно назвать базовой моделью компьютерного дизайна. Цветовую модель RGB имеют изображения, предназначенные для экранного просмотра (при выводе на экран телевизора или монитора), а также полученные путём сканирования или при съёмке цифровой камерой. Цвета RGB складываются так же, как лучи света.

Для записи цвета пикселя полноцветного изображения в модели RGB нужно указать номер цвета, полученного смешением трёх составляющих. Поскольку каждый цветовой канал является полутоновым, для описания каждой из трёх составляющих нужно указать значение цвета от 0 до 255, то есть один из 256 возможных вариантов оттенка от чёрного до основного (рис. 11).

Рис. 11. Представление цветов в RGB

Как уже говорилось, для записи максимального значения полутонового оттенка в двоичном коде потребуется 8 бит памяти. Таким образом, если полутоновых каналов три, то глубина цвета RGB-изображения составляет: 8 бит × 3 = 24 бита.

Если полноцветное изображение будет иметь размеры 100 × 100 пикселей, то для его хранения потребуется:

100 пикселей ×100 пикселей ×24 бит = 240000 бит ≈ 29,3 Кбайт памяти.

Итак, для представления цвета изображения в модели RGB используются три полутоновых канала, каждый из которых может описать 256 оттенков базового цвета. Полноцветное RGB-изображение, имеющее те же физические размеры, что и полутоновое (при одинаковом разрешении), займёт в памяти компьютера в 3 раза больше места.

В практике компьютерной графики чаще всего используются растровые изображения с представлением цвета в восьмибитных полутоновых каналах. Однако современные графические редакторы позволяют применять для описания цвета 16-битные каналы.

Изображения в модели CMYK (субтрактивная модель)

Модель CMYK предназначена для описания цвета изображений, выводимых на печать. Название модели является аббревиатурой, составленной из букв, соответствующих названиям основных цветов :

C (Cyan) – голубой,

M (Magenta) – пурпурный,

Y (Yellow) – жёлтый,

K (Black) – чёрный.

CMYK можно рассматривать как производную модели CMY, базовые цвета которой называют цветами полиграфической триады.

Модель CMY – основная цветовая модель для всех случаев, когда приходится иметь дело с отражённым светом. Она описывает отражённые цвета (краски), которые образуются в результате вычитания из белого части спектра падающего света. Отражённые цвета «рождаются» следующим образом: свет определённого спектра, например солнечный, попадает на несветящиеся предметы. Затем часть спектра поглощается поверхностью предмета, а оставшаяся часть отражается и улавливается глазом. Таким образом, наложенная на лист бумаги полупрозрачная краска будет вычитать из проходящего света отдельные спектральные компоненты и отражать тот единственный цвет, который и воспринимается зрителем.

Цветовые компоненты модели CMY (базовые цвета) появляются в результате вычитания из белого основных цветов модели RGB:

БЕЛЫЙ – КРАСНЫЙ = ГОЛУБОЙ (Cyan)

БЕЛЫЙ – ЗЕЛЕНЫЙ = ПУРПУРНЫЙ (Magenta)

БЕЛЫЙ – СИНИЙ = ЖЕЛТЫЙ (Yellow).

Поскольку базовые цвета данной модели являются результатом вычитания (от англ. subtract – вычитать), то сама модель носит название субтрактивной. Субтрактивными называются модели, основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез).

При смешении субтрактивных цветов в новый тон, результат всегда получается темнее обоих исходных, поскольку каждый из цветов поглощает часть спектра.

Пространство модели CMY аналогично цветовому пространству модели RGB, где каждый из оттенков изображения получается смешением компонентов базовых цветов, но в котором перемещено начало координат (рис. 12). Нулевое значение составляющих соответствует полному отсутствию краски на бумаге, то есть белому цвету. Смешение максимальных значений всех трёх компонентов даёт чёрный цвет. Смешение равных значений базовых цветов создаёт оттенки серого.

Развитием модели CMY явилась модель CMYK. Она описывает реальный процесс печати на офсетной машине и цветном принтере. Пурпурная, голубая и жёлтая краски (полиграфическая триада) последовательно наносятся на бумагу в различных пропорциях, и таким способом репродуцируется значительная часть видимого спектра.

Рис. 12. Цветовое пространство модели CMYK

Особенность модели CMYK в том, что она полностью ориентирована на процесс печати, и именно этим объясняется введение в модель CMY четвёртого дополнительного канала чёрного цвета (К). Введение дополнительного чёрного канала является теоретически не обоснованным, но необходимым для компенсации недостатков современного печатного оборудования. Проблема в том, что в тёмных областях при печати триадой красок хорошо видны погрешности совмещения, на больших темных областях возможно переувлажнение бумаги. Кроме того, смесь CMY-красок не даёт глубокого чёрного тона. Все неприятности можно устранить заменой в тёмных областях изображения триадных красок на чёрную.

Несмотря на увеличение количества базовых цветов в CMYK по сравнению с RGB, стоит отметить, что цветовой охват CMYK, значительно меньше цветового охвата RGB, поскольку четырёхкрасочная модель описывает не излучаемые, а отражённые цвета, интенсивность которых всегда меньше. В связи с этим, изображение, созданное в модели RGB, за счёт разницы цветовых охватов и характеристик выводящего оборудования на экране всегда будет смотреться иначе, чем на печати.

Каналы изображения в модели CMYK складываются так же, как краски, положенные на бумагу при выводе изображения на печать (рис. 13).

Рис. 13. Полноцветное изображение в модели CMYK и его представление

в цветовых каналах

Для описания цвета пикселя изображения в модели CMYK нужно указать значение четырёх составляющих цвета, каждая из которых может принимать значение от 0 до 255 и занимает 8 бит памяти. Таким образом, глубина цвета CMYK-изображения составляет 8 бит × 4 = 32 бита.

Очевидно, что изображение в модели CMYK при одинаковых физических размерах с изображением в модели RGB будет занимать на четверть больше места в памяти компьютера.

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 из таких технических устройств, как монитор, сканер, принтер или экспонирующее устройство вывода на плёнку.

Как было показано ранее, цветовые системы этих устройств (RGB и CMYK) являются аппаратно-зависимыми. Так, например, если речь идёт об изображении в RGB, то соответствие базовых цветов, а также точка белого, определяется качеством применённого в мониторе люминофора и настройками экрана. В результате на разных мониторах один и тот же цвет изображения выглядит по-разному. Влияние аппаратной зависимости в модели CMYK ещё более очевидно, поскольку на соответствие цветов оказывают влияние характеристики реальных красок, особенности оборудования, печатного процесса и носителя. В связи с этим актуальной является задача описания цветов аппаратно-независимым способом, то есть способом, определяющим цвета без учёта особенностей технологии их воспроизведения.

Для устранения аппаратной зависимости был разработан ряд так называемых перцепционных (или интуитивных) цветовых моделей. В их основу положен способ описания цветов так, как они воспринимаются человеком, точнее «стандартным наблюдателем», а именно – раздельное определение яркости и цветности. Такой подход упростил проблему согласования цветов и позволил обращаться с цветом на интуитивно понятном уровне. К моделям, использующим концепцию разделения яркости и цветности, относятся применяемые в компьютерной графике HSB и Lab.

Изображения в модели Lab

Изображения каждого из цветовых каналов в моделях RGB и CMYK имеют разную яркость. При одинаковой интенсивности свечения наиболее ярким глаз человека воспринимает зелёный цвет, чуть менее ярким – красный и совсем тёмным – синий цвет. Таким образом, яркость является характеристикой восприятия, а не самого цвета.

В моделях RGB и CMYK яркость и цвет пикселей связаны между собой, поэтому при изменении одного параметра изменяется и другой. В модели Lab характеристика яркости отделена от параметров цвета. Информацию о яркости изображения несёт отдельный канал L (Яркость), а в каналах a и b хранятся значения составляющих цвета.

Модель Lab состоит из трёх каналов (рис. 14):

L (Luminosity) – канал яркости,

a – цветовой канал, определяющий соотношение зелёной – красной составляющих,

b – цветовой канал, определяющий соотношение синей – жёлтой составляющих.

Рис. 14. Полноцветное изображение в модели Lab и его представление в цветовых каналах

Поскольку канал яркости и цветовые каналы являются полутоновыми, то для описания цвета одного пикселя изображения в модели Lab требуется 8 бит × 3 = 24 бита памяти, то есть глубина цвета Lab-изображения равна 24 битам. Изображения в данной модели будут иметь тот же объём файла, что и изображения в модели RGB.

Благодаря корректности описания цветов с помощью Lab, её называют лабораторной моделью и используют для калибровки цветопередающих устройств.

Изображения в модели HSB

Модель HSB представлена в большинстве современных графических пакетов. Из всех используемых в настоящее время моделей эта модель наиболее точно соответствует способу восприятия цветов человеческим глазом. Она позволяет описывать цвета интуитивно понятным способом.

В модели HSB все цвета определяются с помощью комбинации трёх базовых параметров:

H – цветовой тон (Hue),

S – насыщенность (Saturation),

B – яркость (Brightness).

Под цветовым тоном (Н) понимается свет с доминирующей длиной волны (оттенок). Обычно для описания цветового тона (оттенка) используется название цвета, например красный, оранжевый, зелёный или синий. Однако для однозначного определения цвета недостаточно знать лишь его цветовой тон. Неслучайно в названиях цвета часто встречаются дополнения: бледно-зелёный, ярко-красный и т. п. Этими дополнительными компонентами являются насыщенность и яркость.

Насыщенность (S) характеризует чистоту цвета. Изменение насыщенности цвета от нулевого до максимального значения соответствует видимому изменению цвета от нейтрально-серого до яркого – спектрального. Можно сказать, 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 (B) характеризует интенсивность, с которой энергия света воздействует на рецепторы нашего глаза. Её можно интерпретировать как относительную освещённость или затемнённость цвета (светлоту цвета). Любые цвета и оттенки независимо от их цветового тона можно сравнить по яркости, то есть определить, какой из них темнее, а какой светлее. Яркость не влияет на цветность, но от неё зависит то, насколько сильно цвет будет восприниматься глазом.

Когда говорят о яркости как атрибуте цвета, то под белым цветом понимают абсолютную (максимальную) яркость, а под чёрным цветом – полное отсутствие яркости. Серый цвет характеризует промежуточное значение яркости.

Модель HSB, в отличие от RGB и CMYK, носит абстрактный характер. Это связано с тем, что насыщенность и цветовой тон нельзя измерить непосредственно. Любая форма ввода цветовой информации начинается с определения красной, зелёной и синей составляющих, на базе которых с помощью математического пересчёта получают компоненты HSB-модели. В результате эта цветовая модель имеет то же цветовое пространство, что и RGB.

Итак, знакомство с наиболее распространёнными цветовыми моделями, применяемыми в компьютерной графике, показало разницу в методах представления цветовой информации в памяти компьютера и выявило необходимость задавать при создании графического документа подходящий тип цветовой модели с учётом прикладной функции и способа вывода изображения.