Лекция №1. Цветовые модели и типы растровых изображений

Цветовые модели. Закон Грассмана. Модели RGB, CMYK, Lab, HSB. Глубина цвета. Черно-белый и полутоновой режим. Плашечные цвета. Кодирование цвета, палитры. Проблема цветового охвата. Цветовые профили. Управление цветами. Цветоделение.

Цветовые модели и их виды

Наука о цвете – это довольно сложная и широкомасштабная наука, поэтому в ней время от времени создаются различные цветовые модели, применяемые в той либо иной области. Одной из таких моделей и является цветовой круг.

Cуществует 3 первичные цвета, которые невозможно получить и которые образуют все остальные. Основные цвета – это желтый, красный и синий. При смешивании желтого с красным получается оранжевый, синего с желтым – зеленый, а красного с синим – фиолетовый. Таким образом, можно составить круг, который будет содержать все цвета. Он представлен на рис. и называется большим кругом Освальда.

Наряду с кругом Освальда есть еще и круг Гете, в котором основные цвета расположены в углах равностороннего треугольника, а дополнительные – в углах перевернутого треугольника.

Друг напротив друга расположены контрастные цвета.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели – цветовые модели (цветовое пространство) – это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. Цветовые модели могут быть аппаратно–зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно–независимыми (модель Lab). В большинстве «современных» визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.

В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель – это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Основные цветовые модели:

−         RGB;

−         CMY (Cyan Magenta Yellow);

−         CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет);

−         HSB;

−         Lab;

−         HSV (Hue, Saturation, Value);

−         HLS (Hue, Lightness, Saturation);

−         и другие.

В цифровых технологиях используются, как минимум, четыре основных модели: RGB, CMYK, HSB в различных вариантах и Lab. В полиграфии используются также многочисленные библиотеки плашечных цветов.

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет – цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного – голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого – пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего – желтый (красный+зеленый) и т.д.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разбить на три класса:

−         аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

−         субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

−         перцепционные (HSB, HLS, LAB, YCC), базирующиеся на восприятии.

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета.

Таким образом, цветовые модели (цветовое пространство) представляют средства для концептуального и количественного описания цвета. Цветовой режим – это способ реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы.

Закон Грассмана (законы смешивания цветов)

В большинстве цветовых моделей для описания цвета используется трехмерная система координат. Она образует цветовое пространство, в котором цвет можно представить в виде точки с тремя координатами. Для оперирования цветом в трехмерном пространстве Т. Грассман вывел три закона (1853г):

1. Цвет трехмерен – для его описания необходимы три компоненты. Лю­бые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.

Иными словами, для любого заданного цвета можно записать такое цве­товое уравнение, выражающее линейную зависимость цветов.

Первый закон можно трактовать и в более широком смысле, а именно, в смысле трехмерности цвета. Необязательно для описания цвета применять смесь других цветов, можно использовать и другие величины – но их обяза­тельно должно быть три.

2.  Если в смеси трех цветовых компонент одна меняется непрерывно, в то время, как две другие остаются постоянными, цвет смеси также изме­няется непрерывно.

3.  Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонент и не за­висит от их спектральных составов.

Смысл третьего закона становится более понятным, если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонент) может быть полу­чен различными способами. Например, смешиваемая компонента может быть получена, в свою очередь, смешиванием других компонент.                                

Цветовая модель RGB

Это одна из наиболее распространенных и часто используемых моделей. Она применяется в приборах, излучающих свет, таких, например, как мониторы, прожекторы, фильтры и другие подобные устройства, а также в устройствах ввода графической информации – сканерах, цифровых камерах.

Данная цветовая модель базируется на трех основных цветах: Red – красном, Green – зеленом и Blue – синем. Каждая из вышеперечисленных составляющих может варьироваться в пределах от 0 до 255, образовывая разные цвета и обеспечивая, таким образом, доступ ко всем 16 миллионам (полное количество цветов, представляемых этой моделью равно 256*256*256 = 16 777 216.).

Эта модель аддитивная. Слово аддитивная (сложение) подчеркивает, что цвет получается при сложении точек трех базовых цветов, каждая своей яркости. Эти тройки базовых точек (светящиеся точки) расположены очень близко друг к другу, так что каждая тройка сливается для нас в большую точку определенного цвета. Чем ярче цветная точка (красная, зеленая, синяя), тем большее количество этого цвета добавится к результирующей (тройной) точке.

При работе с графическим редактором Adobe PhotoShop можно выбирать цвет, полагаясь не только на тот, что мы видим, но при необходимости указывать и цифровое значение, тем самым иногда, особенно при цветокоррекции, контролируя процесс работы.

Таблица

Значения некоторых цветов в модели RGB

Данная цветовая модель считается аддитивной, то есть при увеличении яркости отдельных составляющих будет увеличиваться и яркость результирующего цвета: если смешать все три цвета с максимальной интенсивностью, то результатом будет белый цвет; напротив, при отсутствии всех цветов получается черный.

Модель является аппаратно–зависимой, так как значения базовых цветов (а также точка белого) определяются качеством примененного в мониторе люминофора. В результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит неодинаково.

Рис. Модель RGB

Система координат RGB – куб с началом отсчета (0,0,0), соответствующим черному цвету. Максимальное значение RGB – (255,255,255) соответствует белому цвету.

Рис. Цветовой куб модели RGB

Несомненными достоинствами данного режима является то, что он позволяет работать со всеми 16 миллионами цветов, а недостаток состоит в том, что при выводе изображения на печать часть из этих цветов теряется, в основном самые яркие и насыщенные, также возникает проблема с синими цветами.

Модель CMY (Cyan Magenta Yellow)

В этой модели основные цвета образуются путем вычитания из белого цветов основных аддитивных цветов модели RGB.

Рис. Получение модели CMY из RGB

Цвета, использующие белый свет, вычитая из него определенные участки спектра, называются субтрактивными. Основные цвета этой модели: голубой (белый минус красный), фуксин (в некоторых книгах его называют пурпурным) (белый минус зеленый) и желтый (белый минус синий). Эти цвета являются полиграфической триадой и могут быть легко воспроизведены полиграфическими машинами. При смешении двух субтрактивных цветов результат затемняется (в модели RGB было наоборот). При нулевом значении всех компонент образуется белый цвет (белая бумага). Эта модель представляет отраженный цвет, и ее называют моделью субтрактивных основных цветов. Данная модель является основной для полиграфии и также является аппаратно–зависимой.

Рис. Модель CMY

Система координат CMY – тот же куб, что и для RGB, но с началом отсчета в точке с RGB координатами (255,255,255), соответствующей белому цвету. Цветовой куб модели CMY показан на рис.

Цветовая модель CMYK

Это еще одна из наиболее часто используемых цветовых моделей, нашедших широкое применение. Она является субтрактивной моделью.

Модель CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет) – является дальнейшим улучшением модели CMY и уже четырехканальна. Поскольку реальные типографские краски имеют примеси, их цвет не совпадает в точности с теоретически рассчитанным голубым, желтым и пурпурным. Особенно трудно получить из этих красок черный цвет. Поэтому в модели CMYK к триаде добавляют черный цвет. Модель CMYK является «эмпирической», в отличие от теоретических моделей CMY и RGB. Модель является аппаратно–зависимой.

В отличие от аддитивной модели, где отсутствие цветовых составляющих образует черный цвет, в субтрактивной все наоборот: если нет отдельных компонентов, то цвет белый, если они все присутствуют, то образуется грязно–коричневый, который делается более темным при добавлении черной краски, которая используется для затемнения и других получаемых цветов.

Ясно, что цвет в CMYK зависит не только от спектральных характеристик красителей и от способа их нанесения, но и их количества, характеристик бумаги и других факторов. Фактически цифры CMYK являются лишь набором аппаратных данных для фотонаборного автомата и не определяют цвет однозначно.

Так, исторически в разных странах сложилось несколько стандартизованных процессов офсетной печати. Сегодня это американский, европейский и японский стандарты для мелованной и немелованной бумаг. Именно для этих процессов разработаны стандартизованные бумаги и краски. Для них же созданы соответствующие цветовые модели CMYK, которые используются в процессах цветоделения. Однако, многие типографии, в которых работают специалисты с достаточной квалификацией, нередко создают профиль, описывающий печатный процесс конкретной печатной машины с конкретной бумагой. Этот профиль они предоставляют своим заказчикам.

Следует помнить, что если вы готовите изображение к печати, то следует все–таки работать с CMYK, потому что в противном случае то, что вы увидите на мониторе, и то, что получите на бумаге, будет отличаться настолько сильно, что вся работа может пойти насмарку.

Модель CMYK – это субтрактивная цветовая модель, которая описывает реальные красители, используемые в полиграфическом производстве.

Цветовая модель Lab

Цветовая модель Lab была разработана Международной комиссией по освещению (CIE) с целью преодоления существенных недостатков вышеизложенных моделей, в частности она призвана стать аппаратно независимой моделью и определять цвета без оглядки на особенности устройства (сканера, монитора, принтера, печатного станка и т. д.).

Такую модель предпочитают в основном профессионалы, так как он совмещает достоинства как CMYK, так и RGB, а именно обеспечивает доступ ко всем цветам, работая с достаточно большой скоростью.

На вопрос, почему же такой моделью пользуются в основном профессионалы, можно ответить лишь то, что она отличается несколько необычным и непривычным построением, и понять принцип ее действия порой несколько сложнее описанных ранее.

Построение цветов здесь, так же как и в RGB, базируется на слиянии трех каналов. На этом, правда, все сходство заканчивается.

Название она получила от своих базовых компонентов L, a и b. Компонент L несет информацию о яркостях изображения, а компоненты а и b – о его цветах (т. е. a и b – хроматические компоненты). Компонент а изменяется от зеленого до красного, а b – от синего до желтого. Яркость в этой модели отделена от цвета, что удобно для регулирования контраста, резкости и т.д. Однако, будучи абстрактной и сильно математизированной, эта модель остается пока что неудобной для практической работы.

Lab нашел широкое применение в программном обеспечении для обработки изображений в качестве промежуточного цветового пространства, через которое происходит конвертирование данных между другими цветовыми пространствами. Благодаря характеру определения цвета в Lab возможно отдельно воздействовать на яркость, контраст изображения и на его цвет. Это позволяет ускорить обработку изображений, например, при допечатной подготовке. Lab предоставляет возможность избирательного воздействия на отдельные цвета в изображении, усиления цветового контраста, также очень важными являются возможности, которые Lab предоставляет для борьбы с шумом на цифровых фотографиях.

Поскольку все цвтовые модели являются математическими, они легко конвертируются одна в другую по простым формулам. Такие конверторы встроены во все "приличные" графические программы.

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 технических устройств цветовые системы RGВ и СМYК являются аппаратнозависимыми. 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 и цветности. 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.

Прототипом всех цветовых моделей, использующих концепцию разделения яркости и цветности, является НSV–модель. К другим подобным системам относятся НSI, НSB, НSL 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

Здесь заглавные буквы не соответствуют никаким цветам, а символизируют тон (цвет), насыщенность и яркость (Hue Saturation Brightness). Предложена в 1978 году. Все цвета располагаются по кругу, и каждому соответствует свой градус, то есть всего насчитывается 360 вариантов – H определяет частоту света и принимает значение от 0 до 360 градусов (красный – 0, желтый – 60, зеленый – 120 градусов и так далее), т.е. любой цвет в ней определяется своим цветом (тоном), насыщенностью (то есть добавлением к нему белой краски) и яркостью.

Насыщенность (Saturation) – это параметр цвета, определяющий его чистоту. Отсутствие серых примесей (чистота кривой) соответствует данному параметру. Уменьшение насыщенности цвета означает его разбеливание. Цвет с уменьшением насыщенности становится пастельным, блеклым, размытым. На модели все одинаково насыщенные цвета располагаются на концентрических окружностях, т. е. можно говорить об одинаковой насыщенности, например, зеленого и пурпурного цветов, и чем ближе к центру круга, тем все более разбеленные цвета получаются. В самом центре любой цвет максимально разбеливается, проще говоря, становится белым цветом.

Работу с насыщенностью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента белой краски. Чем больше в цвете содержание белого, тем ниже значение насыщенности, тем более блеклым он становится.

Яркость (Brightness) – это параметр цвета, определяющий освещенность или затемненность цвета. Амплитуда (высота) световой волны соответствует этому параметру. Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. Работу с яркостью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски. Чем больше в цвете содержание черного, тем ниже яркость, тем более темным становится цвет.

Модель HSB – это пользовательская цветовая модель, которая позволяет выбирать цвет традиционным способом. Она намного беднее рассмотренной ранее RGB, так как позволяет работать всего лишь с 3 миллионами цветов.

Эта модель аппаратно–зависимая и не соответствует восприятию человеческого глаза, так как глаз воспринимает спектральные цвета как цвета с разной яркостью (синий кажется более темным, чем красный), а в модели HSB им всем приписывается яркость 100%.

Глубина цвета

В цифровой фотографии количество цветов, которые могут быть сохранены в изображении, – это мера битовой глубины цвета.

Глубина цвета – количество бит, приходящихся на один пиксель (bpp). Определяет количество бит, или разрядов, с помощью которых составляются коды потенциальных значений тона или цвета.

Количество цветов, характерное для различной глубины цвета (битовой глубины).

    4-х битное изображение               8-битное изображение            24-битное изображение

Изображение в цветовом режиме Grayscale (Полутоновый) имеет глубину 8 бит для единственного черного цвета, что обеспечивает 256 оттенков серого цвета при переходе от белого к черному. Однако типичная цветная цифровая фотография имеет три основных цвета: красный, зеленый и синий (RGB). И большинство цифровых фотографий (после их сохранения и переноса в компьютер) имеет глубину 8 бит для цвета (различных тонов и оттенков), связанного с каждым из трех каналов (именно по этому принципу и создается 24-битовое изображение: 3 основных цветовых канала, каждый по 8 бит). Чтобы вычислить количество цветов, доступное в полноцветном изображении в режиме RGB, нужно перемножить число цветов каждого основного канала. Для 24-битового изображения в режиме RGB это будет 256×256x256 – примерно 16,7 миллионов доступных цветов.

Человеческий глаз способен различать 12-14 миллионов цветов, поэтому глубина цвета 24 бит считается минимальной для создания фотореалистичных изображений (с полутонами (continuous tone), так что глаз не видит резких границ при переходе от одного цвета к другому). Конечно, способность вашего фотоаппарата зафиксировать миллионы цветов еще не означает, что вы их действительно получите. На типичной фотографии обычно присутствует около 5000 различных цветов, но существуют специальные палитры и функции, которые способны довести число цветов до миллиона или даже биллиона.

Однако битовая глубина определяет не только количество цветов, но и постепенность переходов между ними, однородность и гладкость оттенков при переходах одного цвета в другой, что напрямую зависит от числа цветов. Представьте себе фотопортрет. На лице должно присутствовать множество различных цветов и оттенков, чтобы сложная текстура человеческой кожи была передана верно. Иначе вы получите неестественное, ступенчатое изображение, испещренное графическими погрешностями.

В памяти цифровой камеры (особенно это касается дорогих профессиональных моделей) изображение может сохраняться при глубине цвета фактически 16 бит, которые можно перевести в 48 бит (биллионы различных цветов) для изображения в цветовой модели RGB. Вообще говоря, вы не можете воспользоваться напрямую всей этой цветовой информацией (распечатать такое изображение или отобразить его на дисплее), но Photoshop и другие профессиональные программы редактирования изображений способны открывать и обрабатывать такие большие файлы.

Черно-белый и полутоновый режим

Черно-белый режим. Это обычный черно–белый режим, который полностью лишен цвета, в нем есть только белый, черный и градации серого. Ничего особенно нового сказать о данной цветовой модели невозможно, так как она состоит из одного канала, который полностью соответствует изображению и выглядит как обычная черно–белая фотография.

Художники и разработчики программного обеспечения иногда называют этот режим монохромной графикой, растровой графикой, или 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 это модели не предусмотрено.

Этот режим можно использовать для работы с черно-белыми изображениями, полученными сканированием черно-белых чертежей и гравюр, а также иногда при выводе цветных изображений на черно-белую печать.

Полутоновый режим. Такой способ реализации изображения базируется на специфике восприятия изображения человеческим глазом, для которого область изображения, заполненная крупными точками, ассоциируется с более темными тонами и, наоборот, область, заполненная точками меньшего размера, воспринимается как более светлая. Режим Наlftone поддерживается большинством принтеров.

Полутоновые изображения представляют собой однобитовые изображения с непрерывным тоном, которые реализуются с помощью конгломерата точек разного размера и формы.

Плашечные цвета

В некоторых типах полиграфической продукции используются всего два–три цвета, которые печатаются смесовыми красками, которые называются плашечными цветами (spot colors). В частности, к такой продукции относятся бланки, визитки, приглашения, прайс–листы и прочая акцидентная продукция. Каждый плашечный цвет репродуцируется с помощью отдельной печатной формы (плашки).

Для осуществления печати такой продукции дизайнер должен представить в типографию отдельные полосы оригинал–макетов с плашками на каждый смесовый цвет и крестами приводки и приложить образцы цвета («выкраски») для каждой полосы.

Для того чтобы унифицировать использование таких цветов создают цветовые библиотеки.

В частности, известная фирма Pantone, которая является владельцем и разработчиком одноименной библиотеки, начиналась с того, что химик Лоуренс Герберт создал совокупность различных цветов, составляемых из восьми красок, и напечатал альбом этих цветов, каждый из которых имел свой номер. С тех пор эта идея получила самое широкое развитие, цветовые библиотеки используются в самых разных областях и в первую очередь в компьютерной графике и полиграфии. Появилось множество других компаний, выпускающих другие стандартизированные библиотеки цветов (например, TRUMATCH SWATCHING SYSTEM, FOCOLTONE COLOUR SYSTEM, TOYO 88 ColorFinder1050 System и ANPA–COLOR system и т. д.).

Цветовой набор Process Color System Guide охватывает более 3000 цветов, получаемых при полиграфической печати, с рецептами процентного соотношения 16 базовых цветов для цветовой модели CMYK.

Плашечные цвета могут потребоваться по разным причинам:

- Экономия: если в печатаемом документе меньше четырёх цветов, может оказаться дешевле использовать уже смешанные краски, чем смешивать их во время печати, поскольку в первом случае потребуется меньше печатных проходов. Этот подход часто используется при печати газет, где рекламодатели могут использовать, к примеру, только чёрный и красный цвета. Другой типичный пример — визитки (но если брать шире — вся трафаретная печать и тампопечать).

- Качество: не всегда возможно получить полное совпадение задуманного цвета, используя растровую полноцветную печать, особенно если они печатаются на разных материалах или разных принтерах. Классика жанра — красный цвет компании Coca-Cola (немало полиграфистов «погорело», пытаясь по неведению подобрать этот цвет, используя только полноцветную печать).

- Плашечные цвета позволяют печатать специальные цвета, которые нельзя получить смешиванием обычных чернил CMYK. Самый типичный пример — цвета вне охвата (перенасыщенные синие и оранжевые) и «металлики» (золото, серебро, медь и т.д.), флуоресцентные краски и т.п.

Скачано с www.znanio.ru