Лекция-презентация по теме Цветовые модели

Понятие цветовой модели, общий принцип цветовых моделей.
Виды цветовых моделей: аддитивные, субтрактивные, перципционные. Их особенности.
Цветовая модель RGB: основные цвета, максимальное количество цветов, достоинства и недостатки модели.
Цветовая модель CMYK: основные цвета, максимальное количество цветов, достоинства и недостатки модели.
Цветовые модели Lab, HSB: особенности, назначение. Цветовые палитры.

I. Понятие цветовой модели, общий принцип цветовых моделей
Цветовая модель — математическая модель описания представления цветов в виде кортежей чисел (обычно из трёх, реже — четырёх значений), называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами. Все возможные значения цветов, задаваемые моделью, определяют цветовое пространство.
Цветовая модель задаёт соответствие между воспринимаемыми человеком цветами, хранимыми в памяти, и цветами, формируемыми на устройствах вывода (возможно, при заданных условиях).

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.

Цветовой круг – это элементарное представление совершенно незаменимо при подборе цветовых сочетаний.
Цветовой круг разделен на сегменты, все вместе они составляют полный цветовой спектр.

Существуют первичные цвета, которые невозможно получить и которые образуют все остальные. Основные цвета – это желтый, красный и синий.
Вторичные цвета круга получаются при смешивании двух основных цветов.
К ним относятся:
фиолетовый (комбинация красного и синего);
оранжевый (смешение красного и желтого);
зеленый (желтый + синий).

Третичные цвета в цветовом круге – это такие цвета, которые можно создать смешением одного основного и одного вторичного цвета.
К ним относятся:
шафрановый (красный с оранжевым);
цитрусовый (желтый с зеленым);
сиреневый (синий с фиолетовым);
пурпурный (красный с фиолетовым);
янтарный (желтый с оранжевым);
Бирюзовый (синий с зеленым).

Все они составляют внешнюю кайму круга. Цвета на внутренних кольцах получены путем добавления белого или черного, в результате возникают различные оттенки одного и того же цвета.

Иоганнес Иттен
(11 ноября 1888 - 27 мая 1967)

Исаак Ньютон
(25 декабря 1642 - 20 марта 1727)

Иоганн Вольфганг фон Гёте
(28 августа 1749 - 22 марта 1832)

Вильгельм Фридрих Оствальд
(2 сентября 1853 - 4 апреля 1932)

Для введения в систему цветового конструирования создадим двенадцатичастный цветовой круг, опираясь на основные цвета – желтый, красный и синий. Основные цвета должны быть определены с максимально возможной точностью. Три основных цвета первого порядка размещаются в равностороннем треугольнике так, чтобы желтый был у вершины, красный справа внизу и синий – внизу слева.
Затем данный треугольник вписывается в круг и на его основе выстраивается равносторонний шестиугольник. В образовавшиеся равнобедренные треугольники помещаем три смешанных цвета, каждый из которых состоит из двух основных цветов, и получаем, таким образом, цвета второго порядка:
желтый + красный = оранжевый
желтый + синий = зеленый
красный + синий = фиолетовый.

Все цвета второго порядка должны быть смешаны весьма тщательно. Они не должны склонятся ни к своих компонентов.
Далее на некотором расстоянии от первого круга чертим второй и делим полученное между ними кольцо на двенадцать равных частей, размещая основные и составные цвета по месту их расположения и оставляя при этом между каждыми двумя цветами пустой сектор. В эти пустые сектора вводим цвета третьего порядка, каждый из которых создается благодаря смешиванию цветов первого и второго порядка, и помучаем:
желтый + оранжевый = желто-оранжевый;
красный + оранжевый = красно-оранжевый;
красный + фиолетовый = красно + фиолетовый;
синий + фиолетовый = сине + фиолетовый;
синий + зеленый = сине – зеленый;
желтый + зеленый = желто – зеленый.

Исаак Ньютон, проводя эксперименты со стеклом, пропустил через стеклянную призму луч солнечного света и получил удивительную картину: оказалось, что солнечный свет, который до того времени считался однородны, состоит из отдельных цветов.

Кроме того, Ньютон увидел непрерывные изменения цвета в спектре. Если белый луч проходит через призму, то он растягивается в ленту разных цветов – от красного до фиолетового.
Вышло, что белый луч – это сумма разноцветных излучений. Разные цветовые лучи, обладая разными коэффициентом преломления, отклоняются от прямого пути на разную величину – меньше всего красные, больше всего фиолетовые.
Цветовая система Ньютона - цветовой круг из семи секторов: красного, оранжевого, жёлтого, зелёного, синего и фиолетового.

Белый луч - это сумма излучений, значит, наше зрение суммирует цвета, порождая по определенным законам одни цвета из других.

Идея цветового круга Ньютона была следствием экспериментов по смешиванию цветов, так же как и идея самого смешения была следствием наблюдений над разложением солнечного луча.
Ньютон испытал оптические суммы разных цветов и сделал следующие выводы.
Смешение двух близких по спектру цветов дает цвет промежуточный между ними.
Смешение красного и зеленого, оранжевого и синего, желтого и фиолетового дает цвет, близкий к белому.
Смешение фиолетового и красного цветов дает пурпурные цвета, которых нет в спектре.

Таким образом, множество цветов оказалось не только непрерывным, но и замкнутым.
Смешение не близких по спектру цветов всегда ведет к потере насыщенности, к подмеси белого (серого).
Сумму двух цветов можно смешать с третьим цветом. Эффект смешения не будет зависеть от того, как составлен каждый из смешиваемых цветов. При смешении каждый цвет, как бы он ни был сложен, рассматривается как простой цвет – точка цветового круга.
Ньютон понял, что можно выбрать три спектральных цвета, смешение которых в разных количествах может дать все или почти все цвета цветового круга.
Такой цветовой триадой принято считать триаду – красный, зеленый, синий. Красный, зеленый и синий называют основными цветами ньютоновской цветовой системы.

Гёте считал, что цвет «независимо от строения и формы материала (которому он принадлежит) оказывает воздействие на душевное настроение».

Тем самым, впечатление, вызываемое цветом, определяется, прежде всего, им самим, а не его предметными ассоциациями. «Отдельные красочные впечатления... должны действовать специфически и вызывать специфические состояния». И далее, «отдельные цвета вызывают особые душевные состояния».
Сам Гете ценил свою работу по цвету выше своего поэтического творчества. Великий поэт был не согласен с теорией света и цвета Ньютона (смотрите в материале )и в противовес создал свою собственную теорию.
Работая над учением о цветовой гармонии Гёте создал свой цветовой круг.
Цветовой круг Гёте состоял из шести цветов. Последовательность цветов в цветовом круге Гете – не замкнутый спектр, как у Ньютона, а три пары цветов: три основных цвета (красный, желтый, синий), чередующихся с тремя дополнительными оранжевый, зеленый, фиолетовый. Последние получаются путем по парного смешения рядом лежащих основных цветов.

В круге Гёте гармоничные цветовые сочетания располагаются друг напротив друга по диагонали. Кроме гармоничных цветовых сочетаний, Гете выделял «характерные» и «нехарактерные». Эти цветовые сочетания также вызывают определенные душевные впечатления, но в отличие от гармоничных, они не приводят к состоянию психологического равновесия.

«Характерными» (на рисунке - допустимые сочетания) Гете называл такие цветовые сочетания, которые составляют цвета, разделенные в цветовом круге одной краской. Желтый и синий. По выражению Гете - скудное, бледное сочетание, которому не хватает (для цельности) красного. Впечатление, которое оно создает, Гете называл «обыденным». Сочетание желтого и красного (пурпура) также одностороннее, но веселое и великолепное. Желто-красный в сочетании с сине-красным вызывает возбуждение, впечатление яркого. Смешивание цветов характерной пары порождает цвет, находящийся (в цветовом круге) между ними.
«Нехарактерными» Гете называл сочетания двух рядом расположенных цветов своего круга. Их близость приводит к невыгодному впечатлению. Так желтый с зеленым Гете называл «пошло веселым», а синий с зеленым – «пошло-противным».

В своей книге об основах цвета от писал: «Опыт учит, что некоторые сочетания некоторых цветов приняты, другие неприятны или не вызывают эмоций».

Для того чтобы определить все возможные гармоничные сочетания, необходима система порядка, позволяющая подобрать нужные варианты.
В качестве такой системы Освальд в конце XIX века создал свой цветовой круг, который содержал 24 цвета. В цветовом круге представлены только хроматические цвета, здесь нет белых, серых и черных цветов. Большой цветовой круг Оствальда применяется для образования гармоничных сочетаний из двух, трех, четырех цветовых тонов.
Цвета, расположенные на круге напротив друг друга (на концах одного диаметра), называют дополнительными (комплиментарными). При смешении в определенной пропорции пара дополнительных цветов дает ахроматический цвет (черный для красок или белый для световых лучей).
Любые 3–4 цвета, расположенные на круге последовательно, называют близкими (смежными). Если представить в цветовом круге равнобедренный треугольник, то цвета, которые окажутся на его вершинах, образуют триады. Триады – три цвета, равноотстоящие друг от друга на цветовом круге.

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.

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.

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.

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.

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.

CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, Key color - субтрактивная (subtract, англ. - вычитать) схема формирования цвета, используемая в полиграфии для стандартной триадной печати. Обладает меньшим, в сравнении с RGB, цветовым охватом.

CMYK называют субстрактивной моделью потому, что бумага и прочие печатные материалы являются поверхностями, отражающими свет. Удобнее считать, какое количество света отразилось от той или иной поверхности, нежели сколько поглотилось. Таким образом, если вычесть из белого три первичных цвета - RGB, мы получим тройку дополнительных цветов CMY. «Субтрактивный» означает «вычитаемый» — из белого вычитаются первичные цвета.

В отличие от модели RGB, модель CMY описывает цвета, полученные в результате отражения света объектами, то есть полностью противоположна предыдущей. Данная модель является субтрактивной (вычитающей), поскольку цвета в ней образуются путем вычитания из черного цвета базовых цветов: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta), желтого (Yellow). В цветовой модели CMY уровень составляющих задается значениями в диапазоне от 0 до 100 % (величина 100 % в этой модели соответствует 255 единицам модели RGB). Поскольку цветовая модель CMY является обратной модели RGB, то при смешивании двух субтрактивных цветов результирующий цвет оказывается более темным, чем исходные, а при смешивании всех трех составляющих должен получаться черный цвет. Соответственно белый цвет — это полное отсутствие краски (значения всех цветовых составляющих равны 0).

Теоретически смесь трех базовых красок должна давать глубокий черный цвет, но в реальности так не получается, поскольку при смешивании данных трех красок образуется не черный, а грязно-коричневый цвет. Для устранения этого недостатка к трем краскам добавили четвертую, черную (Black), и цветовая модель получила название CMYK — Cyan, Magenta, Yellow, Black. В слове Black используется не первая буква, а последняя, чтобы не путать с цветом Blue модели RGB. Таким образом, черный цвет в модели CMYK образуется с помощью только одной составляющей — черной (0,0,0,100), хотя иногда применяется и более глубокий черный. Область применения цветовой модели CMYK — полноцветная печать. Именно с этой моделью работает большинство устройств печати.

Key Color (черный) используется в этой цветовой модели в качестве замены смешению в равных пропорциях красок триады CMY. Дело в том, что только в идеальном варианте при смешении красок триады получается чистый черный цвет. На практике же он получится, скорее, грязно-коричневым - в результате внешних условий, условий впитываемости краски материалом и неидеальности красителей.

Его применяют для печати текста и оформления других важных деталей, а также для корректировки общего тонального диапазона изображений. Насыщенность цвета в модели CMYK измеряется в процентах, так что каждый цвет имеет 100 градаций яркости.

Основной задачей процесса репродуцирования - является конвертация изображения из модели RGB в модель CMYK. Данное преобразование осуществляется при помощи специальных программных фильтров с учетом всех будущих установок печати: системы триадных красок, коэффициента растискивания растровой точки, способа генерации черного цвета, баланса красок и других. Таким образом, цветоделение является сложным процессом, от которого во многом зависит качество итогового изображения. Но даже при оптимальной конвертации из RGB в CMYK неизбежно происходит потеря некоторых оттенков. Это связано с разной природой данных цветовых моделей. Следует отметить также, что модели RGB и CMYK не могут передать всего спектра цветов, видимых человеческим глазом.

Эта модель наиболее точно описывает параметры цвета, так как обладает самым широким охватом. Её часто используют в качестве внутренней модели многих программных продуктов и с ее помощью осуществляется пересчет из одной модели цвета в другую.

В цветовом пространстве Lab значение светлоты отделено от значения хроматической составляющей цвета (тон, насыщенность). Светлота задана координатой L (изменяется от 0 до 100, то есть от самого темного до самого светлого), хроматическая составляющая — двумя декартовыми координатами a и b. Первая обозначает положение цвета в диапазоне от зеленого до пурпурного, вторая — от синего до желтого.

В режиме Lab числовые значения описывают все цвета, которые видит человек с нормальным зрением. Поскольку значения Lab описывают, как выглядит цвет, а не сколько конкретной краски требуется устройству (например, монитору, настольному принтеру или цифровой камере) для воспроизведения цветов, Lab считается аппаратно-независимой цветовой моделью. Системы управления цветом используют Lab в качестве справочника цветов, чтобы получать предсказуемые результаты при преобразовании цвета из одного цветового пространства в другое.

Информация о цвете и яркости разделены и являются независимыми. Это дает возможность изменять тоновые градационные характеристики изображения не затрагивая цветовые.
Использование фильтров в канале Lightness не искажает цветовую информацию.

- Высокая концентрация цветовой информации в середине осей а и b. Это затрудняет тонкую коррекцию цвета с помощью градационных кривых.

Цвет в модели HSB описывается при помощи трех параметров: тона, насыщенности и яркости.

Цветовой тон – близость цвета к тем или иным цветам спектра. Наблюдая разложенный в спектр белый свет, глаз человека видит семь участков спектра, резко отличающихся по зрительному ощущению: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. При внимательном рассмотрении человеческий глаз улавливает гораздо больше цветов, только по цветовому диапазону можно различить около 200 цветов. Цветовой тон характеризуется длиной волны того спектрального излучения, к которому ближе всего данный цвет.

HSB - модель, которая в принципе является аналогом RGB, она основана на её цветах, но отличается системой координат.

Насыщенность – степень выраженности тона в цвете, то есть, насколько к данному спектральному цвету примешан одинаковый с ним по яркости белый цвет. Если к чистому спектральному цвету добавить белый цвет, то при неизменной общей яркости насыщенность спектрального цвета уменьшается.

Яркость определяется уровнем действующего на глаз излучения. Если одна часть объекта освещена прямым светом, а другая – рассеянным от того же источника, то человек воспринимает цвет по разному, не смотря на то, что цветовой тон и насыщенность остаются одинаковыми.

Эта модель более удобна, чем другие, так как она хорошо согласуется с принципом восприятия цвета человеком, и наиболее проста для понимания: сначала можно определить цветовой тон, а затем задать ему насыщенность и яркость. Но, к сожалению, эта модель не самая удобная для использования в издательских системах, поэтому на практике она применяется мало.

Почему в отсутствие наблюдателя понятие цвета является неопределенным? Какие роли играют цвета в изображении?
В чем состоит субъективность восприятия цвета? Чем обусловлен феномен сумеречного зрения, состоящий в том, что в условиях недостаточной оснащенности человек не воспринимает цвета предметов?
Почему в компьютерной графике приходится раздельно рассматривать излученный и отраженный свет?
Что представляет собой цветовое пространство?
Какое изображение называется штриховым? Может ли штриховое изображение быть хроматическим?
Сколько базовых цветов используется в монохромной модели? В чем состоит принципиальное отличие штрихового и монохромного изображений?
В чем заключается разница между аппаратно зависимой и перцептивной моделями цвета? По каким принципам в качестве базовых цветов аддитивной модели выбраны красный, зеленый и синий?
В чем состоит принципиальные достоинства и недостатки модели цвета RGB?

9. Каким образом выбраны спектральные распределения базовых световых потоков для перцептивной цветовой модели XYZ? Чем отличаются цветовые пространства RGB и XYZ? По каким причинам?
10. Почему в субтрактивной модели цвета неудобно применять в качестве базовых те же цвета, что и в аддитивной?
11. Что представляют собой обогащенный черный цвет? Для каких целей его применяют?
12. Каковы основные недостатки субтрактивной модели цвета?
13. Как цветность определяется по цветовому кругу?
14. Как устроено цветовое пространство HSB? В чем состоит основные недостатки модели цвета HSB?
15. Чем светлота отличается от яркости?
16. Каковы достоинства и недостатки модели цвета Lab?