Цветовой график системы XYZ

Рисунок 52 - Цветовой график системы XYZ

Точка Е - равноинтенсивный (равностимульный) белый цвет. Точки А и В - некоторые цвета.

§ Преобладающая длина волны (λ_d) на цветовом графике системы XYZ

Чтобы определить преобладающую длину волныλ_dдля некоторого заданного цвета А,необходимо из точки Е через точку цвета провести луч до пересечения с границей поля реальных цветов. Для нахождения длины волны дополнительного цвета λ_с, луч проводят в противоположную сторону, так же до пересечения с границей поля реальных цветов.

Отметим важные особенности пурпурных цветов:

(1) Если точка λ_с принадлежит линии пурпурных цветов, то для такого цвета дополнительного не существует

(2) Пурпурные цвета являются сложными (представляют собой смесью красных и фиолетовых цветов), поэтому их характеризуют особым образом. Для нахождения λ_d луч направляют не к линии пурпурных цветов, а в противоположную сторону, в сторону спектрального локуса. При этом, рядом с найденным числом ставится знак «^/ » или «–». Например, для точки В: «λ_d = – 506 нм» или «λ_d ^/ = 506 нм».

§ Колориметрическая чистота (P_К) на цветовом графике системы XYZ

Колориметрическая чистота некоторого цвета А (см. рисунок 9.7) определяется его удаленностью от точке белого цвета Е: чем точка А ближе к точке Е, тем чистота меньше, и наоборот, чем точка А ближе к спектральному локусу, тем чистота больше. По известным координатами цветности {x,y}, колориметрическая чистота вычисляется следующим образом: 

или

- через координаты «х»     (9.21)

- через координаты «y»,   (9.22)

где x_l и y_l - координаты спектрально - чистого цвета «λ_d» того же тона, что и данный цвет (точка «преобладающей длины волны» для данного цвета»), для пурпурных цветов x_λ и y_λ берутся на линии пурпурных цветов;

Рисунок 53 – колориметрическая чистота некоторого цвета А

x_Е и y_Е - координаты точки Е (так называемого «опорного белого цвета»),
обычно полагают x_Е≈y_Е≈1/3.

Итак, формула (9.21) или (9.22) позволяет выразить колориметрическую чистоту через координаты цветности. Для удобства вычислений, на цветовом графике обычно нанесены так называемые «линии равной условной чистоты» (другое название: «линии равной условной насыщенности»).

Условная насыщенность Р_В вводится по формулам:

или

- через координаты «х»   (9.23)

- через координаты «y»   (9.24)

На рисунке 53 Цветовой график системы XYZ с нанесенными линиями условной насыщенности

Сравнивая формулы для колориметрической чистоты (9.21) и (9.22) с формулами (9.23) и (9.24) для условной чистоты, получаем:

         (9.25)

Рассмотрим два крайних случая использования формулы (9.25):

Для цветов, расположенных вблизи точки Е: Р_в ≈ 0 Þ Р_K ≈ 0.

Для цветов вблизи локуса: Р_в ≈ 100%, y_l/y ~1 Þ Р_K ≈ 100%

Нетрудно заметить, что в приведенных примерах Р_K ≈ Р_в. Таким образом, для цветов с малой и с большой условной чистотой Р_в колориметрическую чистоту цвета Р_K можно приближено прировнять условной чистоте цвета.

 

§ Аддитивное сложение двух цветов на цветовом графике системы XYZ

Цвет аддитивной смеси двух излучений Ц лежит на отрезке, соединяющем точки смешиваемых цветов. Точка Ц разделяет отрезок Ц₁Ц₂ на две части, длины которых обратно пропорциональны модулям смешиваемых цветов:

Рисунок 54 - Аддитивное сложение двух цветов на цветовом графике системы XYZ

 

 

«Первый цвет» Ц₁ → цветовой модуль «m_1»

«Второй цвет» Ц₂ → цветовой модуль «m₂»

Ц = Ц₁+Ц₂– суммарный цвет:

 m = m₁+m₂,

Таким образом, чтобы получить цвет, обозначенный на цветовом графике точкой А, необходимо смешать спектрально-чистый цвет того же тона «l_d» и белый цвет «Е» в соотношении:

Нахождение результата аддитивного смешивания двух цветов (в системе XYZ) (рисунок 54)

Отметим, что результат сложения нескольких цветов может быть найден и чисто аналитически, без использования цветового графика. Действительно, согласно свойствам цветовых векторов:

       (9.26)

где X₁, Y₁, Z₁- цветовые координаты первого из складываемых цветов (Ц₁),
X₂, Y₂ , Z₂- цветовые координаты второго из складываемых цветов (Ц₂),
X, Y, Z - цветовые координаты суммарного цвета (Ц= Ц₁+Ц₂).

В нашем случае цвета заданы по-другому, своими координатами цветности: Ц₁®{x₁, y₁}, Ц₂®{x₂, y₂}. Поэтому перед тем как воспользоваться формулами (9.26), необходимо вычислить цветовые координаты {X_i, Y_i, Z_i } для каждого из складываемых цветов, основываясь на знаниях об их «количестве».

Для простоты, предположим, что количества складываемых цветов заданы посредствам указания из цветовых модулей: Ц₁® m₁, Ц₂®m₂. Используя последовательно формулы (9.15) и (9.26) получаем:

(9.27)

где {x, y} - искомые координаты цветности суммарного цвета Ц.

 

4.3 Основы количественной колориметрии. Цветовой график МКО

Количественно оценивать любой цвет можно, исходя из явления смешения цветов. Все существующие цвета могут быть получены путем смешения трех взаимно независимых цветов — красного, зеленого и синего, взятых в определенных количествах. Эти основные цвета обозначают начальными буквами английских названий таких цветов:

R — красный (red), G — зеленый (green), В — синий (blue).

Световые потоки при смешивании образуют белый цвет (при определенной яркости и длинах волн R, G и B).

C количественной точки зрения основные независимые цвета являются единичными.

Рисунок 55 – Гипсовая призма с полями сравнения

(простейший измерительный прибор)

 

Поля сравнения цветности и яркости — грани условной

белой призмы, освещенные монохроматическим цветным

излучением — Ц и тремя взаимно независимыми излучениями красного — R, зеленого — G и синего — B цветов

 

На рис. 55 показана гипсовая призма, грани которой условно названы полями сравнения (это простейший светоизмерительный прибор).

Одно из полей, освещенное каким-либо хроматическим цветом, обозначим буквой Ц, а второе — тремя основными цветами R, G, B.

Белый гипс неизбирательно отражает белый свет, поэтому первое поле сравнения будет иметь такой же цвет, как и освещающий его светопоток Ц, и будет иметь яркость, определяемую величиной светового потока, отраженного от этого поля сравнения.

Второе поле сравнения, освещенное цветами R, G, B, должно быть неотличимо от первого как по цветности (цветовой тон и чистота цвета), так и по яркости.

Условие тождественности обоих полей сравнения математически выражается формулой (см. рис 55, а):

 (1)

Оба поля имеют одинаковую цветность и яркость, значит, и световые потоки, освещающие их, равны по величине и цветности.

Формула (1) — это цветовое уравнение, которое показывает, что для получения цвета, тождественного с цветом Ц, надо смешать

r' единиц красного цвета R, g' единиц зеленого цвета G' и b' единиц синего цвета B. Таким образом, r', g' и b' — это коэффициенты цветового уравнения, показывающие, сколько единиц каждого из основных цветов надо взять, чтобы получить данный цвет Ц. Эти коэффициенты называют координатами цвета (r', g', b'). Произведения r'R, g'G, b'B являются составляющими цвета Ц и называются цветовыми составляющими.

Опыты смешения цветов показывают, что для целого ряда цветов Ц для получения равенства обоих полей сравнения по цветности и яркости к цвету Ц, освещающему одно из полей сравнения, необходимо добавить еще некоторое количество одного из основных цветов (см.рис. 55, б).

Например, для одного из таких цветов Ц цветовое уравнение будет иметь вид:

(2)

Для каждого из таких цветов Ц тождественность полей сравнения получается только при одном определенном соотношении между r', g', b', причем к одним из цветов Ц для получения цветового равенства полей сравнения необходимо прибавить определенное количество цвета R, к другим — цвета G, к третьим — цвета B.

Перенесем цветовую составляющую g'G (2) в правую часть

тождества:

(3)

При такой форме записи цветового уравнения одной из цветовых составляющих условно приписывается отрицательное значение.

Основные цвета R, G, B в принятой системе определения цветов являются постоянными, поэтому заданный цвет Ц определяется полностью (по цветности и яркости) координатами цвета r', g', b', являющимися переменными величинами.

Во многих случаях практика требует лишь качественной характеристики цвета излучения источника света или светового потока, отраженного от поверхности предмета. В этом случае удобно пользоваться относительными значениями координат цвета, являющимися отношением каждой из координат цвета r', g' и b' к их сумме r'+g'+b'.

Относительные значения координат цвета носят название координат цветности и обозначаются r, g, b:

 (4)

 (5)

Итак, качественная характеристика цвета (цветность) определяется тремя координатами цветности r, g, b, в сумме равными единице.

Исходя из этого любой цвет может быть изображен графически.

Как известно, алгебраическая сумма, т. е. с учетом знака (рис. 56) перпендикуляров,опущенных из любой точки, находящейся внутри или вне равностороннего треугольника, на его стороны, равна его высоте.

Возьмем высоту равностороннего треугольника, равную единице. Тогда сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки внутри или вне его на его стороны, будет равна единице. Поскольку сумма координат цветности также равна единице, то каждый из перпендикуляров, опущенных из точки внутри (вне) равностороннего треугольника на его стороны, может представлять одну из координат цветности (см. рис. 53).

 

Рисунок 56 – Графическое изображение представления цвета с помощью треугольной модели

 

Изображение цвета с помощью цветового треугольника, в вершинах которого расположены основные цвета R, G, B

Исходя из этого любой цвет может быть изображен точкой внутри (или вне) равностороннего треугольника, имеющего высоту, равную единице.

В вершинах такого цветового треугольника расположены основные цвета R, G, B.

Все цвета, которые могут быть получены непосредственным смешением трех основных цветов R, G, B в соответствии с уравнением (1) размещаются внутри цветового треугольника), (рис. а). Перпендикуляры, опущенные из точки Ц, которая изображена внутри треугольника, на его стороны, равны соответствующим координатам цветности и в сумме — единице.

Перпендикуляр, опущенный на сторону, лежащую против той вершины треугольника, где расположен цвет R, дает координату цветности r. Остальные перпендикуляры, опущенные на стороны треугольника, расположенные против вершин, в которых находятся цвета G и В, дают координаты цветности g и b. В этом случае все три координаты цветности r, g и b — п о л о ж и т е л ь н ы.

Те цвета, которые не могут быть получены непосредственным смешением цветов R, G и B, располагаются вне цветового треугольника (см. рис. 3, б). В этом случае перпендикуляры, опущенные из точки цвета Ц на стороны треугольника, также равны соответствующим координатам цветности и в сумме — единице.

Однако, в отличие от варианта а), в варианте б) одна из координат цветности (- r) о т р и ц а т е л ь н а. Этот случай соответствует уравнению (3).

В первой трехцветной международной колориметрической системе определения цветов RGB, построенной по изложенным выше принципам, в качестве основных цветов были взяты следующие величины монохроматических излучений:

— R (красный) — 700 нм,

— G (зеленый) — 546,1 нм,

— B (синий) — 435,8 нм.

Красный цвет был получен с помощью лампы накаливания и красного светофильтра, зеленый и синий цвета — путем выделения излучений с длинами волн 546,1 и 435,8 нм из спектра излучений ртутной лампы.

Трехцветной колориметрической системой была названа такая система определения цвета, которая основана на возможности воспроизведения данного цвета путем аддитивного смешения трех основных цветов R, G, и B.

Световые потоки единичных основных цветов R, G, и B подобраны так, чтобы при их смешении в центре равностороннего цветового треугольника получался белый цвет.

На сторонах цветового треугольника располагаются цвета, получающиеся в результате смешения цветов R, G, и B, находящихся в вершинах треугольника. На биссектрисах треугольника располагаются цвета, получающиеся при смешении каждого из основных цветов с белым цветом, находящимся в центре. Для того чтобы нанести на цветовой треугольник положение всех остальных спектральных цветов, необходимо знать значение цветности (координат цветности r, g, и b) для всех спектральных цветов. Эти значения были в свое время получены в результате лабораторных исследований, которые заключались в уравнивании цвета двух полей сравнения при освещении одного из них последовательно спектральными монохроматическими излучениями всей видимой области спектра через интервал 5 нм, а второго — комбинациями основных цветов R, G, и B.

На рис. 57 показан цветовой треугольник с линией спектральных цветов по данным этих исследований. Цифрами вдоль линии спектральных цветов указаны длины волн (в нм) соответствующих спектральных цветов.

Рисунок 57 – цветовой треугольник с линией спектральных цветов

Все спектральные цвета, кроме основных R, G, и B, расположены здесь вне цветового треугольника, и, следовательно, для каждого из них одна из координат цвета является отрицательной.

Такой график носит название цветового графика. На линии, соединяющей красный цвет с длиной волны 700 нм и фиолетовый цвет с длиной волны 400 нм, расположены неспектральные, чистые пурпурные, цвета.

Таким образом, цветности всех цветов располагаются на цветовом графике на площади, ограниченной кривой спектральных цветов (в форме вытянутого языка) и прямой линией пурпурных цветов. Зная координаты цветности r', g' и b' какого-либо цвета (излучаемого или отражаемого), можно рассчитать координаты цвета [см. формулу (4)] и нанести цвет Ц1 на цветовой график.

На прямой линии, соединяющей белый цвет Е (в геометрическом центре треугольника BGR) с цветом Ц1 и продолженной до линии спектральных цветов, будут расположены цвета, получаемые при смешении в разных пропорциях спектрального цвета (с цветовым тоном λ1) и белого цвета Е. Одним из таких цветов и является цвет Ц1. Все цвета, расположенные на прямой линии λ1 E, имеют одинаковый цветовой тон λ1, но отличаются друг от друга по чистоте (насыщенности) цвета, т. е. по степени разбавленности белым цветом.

На линии спектральных цветов насыщенность цветового тона равна 100 %.

Для цвета Ц1 чистота цвета больше 0 и меньше 100 %. Любой цвет, имеющий чистоту менее 100 % (т. е. не являющийся спектральным), может быть получен смешением какого угодно множества пар цветов. Цвета, расположенные на кривой спектральных цветов, являются 100 %-ми насыщенными цветами спектра (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый) и смесями соседних цветов между собой. Пурпурные чистые цвета также определяются как 100 %-е насыщенные.

Все плюсы рассмотренной цветовой системы (в виде цветового графика), ее наглядность, доступность не исключают, однако, основного ее недостатка — наличия в ней отрицательных координат цветности, что значительно усложняет цветовые расчеты. Геометрически это обусловлено тем, что цветовой треугольник, построенный на основе цветов R, G и B, неизбежно оказывается внутри линии спектральных и пурпурных цветов.

Не представляется возможным построить цветовую систему, в которой отсутствовали бы отрицательные координаты цветности, путем применения в качестве основных цветов любых монохроматическихизлучений [3].

Недостатки такой системы определения цветов давно заставили ученых в области колориметрии работать над созданием более совершенной системы, свободной от отрицательных координат цветности.

 

И в 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) приняла и утвердила новую колориметрическую систему определения цвета — XYZ. Эта система, как и предыдущая, построена на основе трех основных цветов, условно названных X, Y и Z и являющихся в этой системе единичными. Вся область существующих цветов заключена здесь в н у т р и прямоугольного треугольника, в вершинах которого расположены основные цвета X, Y и Z. Цветовой график в этой системе помещается таким образом, что все координаты цветности для существующих цветов оказываются положительными. Выражение основных цветов X, Y и Z через цвета R, G и B осуществляется путем ряда математических преобразований. Единицам X, Y и Z не следует придавать здесь никакого иного смысла, кроме расчетного. Выражения для X, Y и Z получаются путем преобразования уравнений в колориметрической системе RGB. Цветовое уравнение описывает процесс смешения цветов. Любой существующий цвет Ц выражается в системе XYZ следующим образом:

Рисунок 58 - Расположение основных цветов X, Y и Z на цветовом графике системы RGB

Здесь, как и в системе RGB, x', y', z' являются координатами цвета.

Координаты цветности X, Y и Z выражаются через координаты цвета:

(7)

(8)

На основании значений координат цветности r, g и b были вычислены координаты цветности в колориметрической системе XYZ для всех спектральных цветов [3].

Независимыми, как следует из равенства X + Y + Z = 1, являются только две из трех координат цветности.

Цветовой график в системе XYZ получается на основе откладывания по оси ординат одной из координат цветности, а по оси абсцисс — другой из них для всех спектральных и наиболее чистых пурпурных цветов.

В колориметрической системе XYZ общепринятым является цветовой график, по оси ординат которого откладываются координаты цветности Y (вертикальная ось), а по оси абсцисс — координаты цветности X (горизонтальная ось).

Поскольку X + Y + Z = 1, то, зная координаты цветности X и Y, можно получить значение третьей координаты цветности Z путем вычитания из единицы суммы значения координат X и Y. Поэтому в этом графике можно обходиться лишь двумя координатами X и Y, что упрощает расчеты и схему самого графика.

Таким образом, стандартный график МКО XYZ представляет собой прямоугольную координатную сетку с осями X и Y прямоугольного треугольника (который сам по себе чаще всего и не показан на графике). Прямоугольная сетка представляет собой часть поля этого прямоугольника. Сетка по осям ординат и абсцисс через одно деление (может быть меньше или больше) имеет обозначения членений осей Y и X как десятых долей единицы.

В нижнем левом углу, где пересекаются (сходятся) оси Y и Х, — нулевое значение шкал отсчета, далее по оси ординат Y идут (через 1 квадрат) членения от 0,1 до 0,8, а по оси абсцисс Х — членения от 0,1 до 0,7.

На поле координатной сетки нанесена знакомая нам кривая линия спектральных цветов(напоминающая язык), замыкаемая в основании (под углом к оси Х) прямой линией пурпурных цветов. Попериметру контура цветового графика нанесены значения цветовых тонов (в нм) в следующей последовательности: фиолетовый —в левом нижнем углу, над ним — синий, голубой, зеленый (за вершиной графика справа), желто-зеленый, желтый, оранжевый,красный.

А на прямом нижнем участке — условные значения длин волн ряда пурпурных цветов (со знаком ': 500 ' –560 ') от красного до фиолетового. В верхней части графика, где происходит переход от голубого к зеленому и от зеленого к желто-зеленому, он растянут (интервалы между значениями цветовых тонов больше). В левой и правой его частях, ближе к основанию, график сжат (значения цветовых тонов очень близко расположены друг к другу).

В середине поля графика расположена точка белого цвета Е. На прямых линиях, соединяющих белый цвет (Е) со спектральными цветами (на кривой линии) и с пурпурными цветами (на прямой линии), располагаются цвета ненасыщенные,получающиеся от смешения спектральных или пурпурных цветов с белым [3].

График МКО (как и цветовые круги) не дает картины смешения спектральных и пурпурных цветов с черным и серыми различной светлоты. Это присуще двухмерным цветовым моделям. В этом их недостаток. Полноту картины смешения всех цветов (хроматических с ахроматическими) дают лишь трехмерные модели (см. тему 5).

 

Рисунок 59 - Цветовой график МКО. Для определения доминирующей длины

волны (нм) спектральных цветов или дополнительной длины волны пурпурных цветов вдоль линии спектральных цветностей указаны длины волн

монохроматического цвета.

 

В качестве точки отсчета используется точка цветности для стандартного излучения (А, В, С, D 65 МКО) или для равноэнергетического света (Е). На графике точка С — цветность излучения С МКО (дневной свет); точка Р — цветность пигмента кадмия красного (длина волны 605 нм). Чистота цвета — частное от деления отрезка СР на всю длину линии (до точки 605)

На рис. П.1.14 показан график МКО 1931 г. Точка С (внутри его поля) обозначает цветность излучения и подразумевает спектральный состав дневного рассеянного солнечного света. Новые стандарты излучений, разработанные МКО позднее, ввели, помимо С — дневного света, дополнительные обозначения:

— А МКО — свет лампы накаливания с вольфрамовой нитью, мощностью 500 Вт;

— В МКО — дневной свет — прямой солнечный свет (его спектральный состав).

Дальнейшие уточнения привели к появлению обозначений D МКО — это различные фазы дневного света: D 55, D 65 (спектральный состав типичного дневного света в диапазоне 300–830 нм), D 75. На координатной сетке графика МКО обозначения могут располагаться в разных местах, на соответствующем расстоянии от точки Е — равноэнергетического света (смешение всех спектральных цветов — белый цвет).

Таким образом, в современных графиках МКО, являющихся наглядным и удобным графическим средством исследований в области колориметрии и определения (расчета) цветов, в качестве точки отсчета используются точки цветности для различных фаз дневного света (рассеянного), прямого солнечного света и искусственного света (лампы накаливания 500 Вт), обозначаемые, как указано выше, буквами — A, B, C, D 55, D 65, D 75.

Это позволяет рассчитывать изменения того или иного цвета (как чистого насыщенного, так и смешанного, разбеленного) в зависимости от различного естественного или искусственного освещения [1], [3].

Лекция 5. Системы цветов в компьютерной графике

· Цветовая модель RGB

· Цветовая модель CMYK

· Цветовая модель HSB

· Цветовая модель HSL

· Цветовая модель CIE Lab

· Индексированные цвета

· Преобразование цветовых моделей

·

5.1 Понятие цветовой модели

Мир, окружающий человека, воспринимается по большей части цветным. Цвет имеет не только информационную, но и эмоциональную составляю­щую. Человеческий глаз — очень тонкий инструмент, но, к сожалению, вос­приятие цвета субъективно. Очень трудно передать другому человеку свое ощущение цвета.

Вместе с тем для многих отраслей производства, в том числе для полигра­фии и компьютерных технологий, необходимы более объективные способы описания и обработки цвета.

Для описания цвета придуманы различные цветовые модели. Наиболее используемые делятся на три больших класса: аппаратно-зависимые (описывающие цвет применительно к конкретному устройству цветовоспроизведения, например, монитору, — RGB, CMYK), аппаратно-независимые (для однозначного описания информации о цвете — XYZ, Lab) и психологические (основывающиеся на особенностях человеческого восприятия — HSB, HSV, HSL) (рис. 60).

Рисунок 60 - Иерархия цветовых моделей

В графических редакторах для присвоения цветовых параметров объектам можно использовать несколько цветовых моделей в зависимости от задачи. Эти модели различаются по принципам описания единого цветового про­странства, существующего в объективном мире.

 

5.2 Цветовая модель RGB.

Множество цветов видны оттого, что объекты, их иизлучающие, светятся.

К таким цветам можно отнести, например, белый свет, цвета на экранах телевизора, монитора, кино, слайд-проектора и так далее. Цветов огромное количество, но из них выделено только три, которые считаются основными (первичными): это — красный, зеленый, синий.

При смешении двух основных цветов результирующий цвет осветляется: из смешения красного и зеленого получается желтый, из смешения зеленого и синего получается голубой, синий и красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, в результате образуется белый. Такие цвета называют­ся аддитивными.

Рисунок 61 – цветовая модель RGB

 

Модель, в основе которой лежат указанные цвета, носит название цветовой модели RGB — по первым буквам английских слов R ed (Красный), G reen (Зеленый), B lue (Синий) (рис 61).

 

Рисунок 62 - Аддитивное смешение цветов

Эта модель представляется в виде трехмерной системы координат. Каждая координата отражает вклад соответствующей составляющей в кон­кретный цвет в диапазоне от нуля до максимального значения. В результате получается некий куб, внутри которого и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство (рис.63).

 

Рисунок 63 - модель RGB

Важно отметить особенные точки и линии этой модели.

· Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует, а это равносильно темноте, т. е. это — точка черного цвета.

· Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют мак­симальное значение, что дает белый цвет.

· На линии, соединяющей эти точки (по диагонали куба), располагаются серые оттенки: от черного до белого. Это происходит потому, что все три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до мак­симального значения. Этот диапазон иначе называют серой шкалой (Grayscale). В компьютерных технологиях сейчас чаще всего используются 256 градаций (оттенков) серою. Хотя некоторые сканеры имеют возможность кодировать до 1024 оттенков серого и выше.

· Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

       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.

Эта модель, конечно, не совсем привычна для художника или дизайнера, но ее необходимо принять и в ней разобраться вследствие того, что с этой мо­делью работают сканер и экран монитора — два важнейших звена в обра­ботке цветовой информации.

Цветовая модель RGB была изначально разработана для описании цвета на цветном мониторе, но поскольку мониторы разных моделей и производителей различаются, были предложены несколько альтернативных цветовых моделей, соответствующих "усредненному" монитору. К таким относятся, например, sRGB и AdobeRGB. Цветовая модель RGB может использовать разные оттенки основных цветов, разную цветовую температуру (задание "белой точки"), и разный показатель гамма-коррекции.

Представление базисных цветов RGB согласно рекомендациям ITU, в пространстве XYZ: Температура белого цвета: 6500 кельвинов (дневной свет):

 

Красный: x = 0,64 y = 0,33
Зелёный: x = 0,29 y = 0,60
Синий: x = 0,15 y = 0,06

Матрицы для перевода цветов между системами RGB и XYZ (величину Y часто ставят в соответствие яркости при преобразовании изображения в чёрно-белое):

X = 0,431 * R + 0,342 * G + 0,178 * B
Y = 0,222 * R + 0,707 * G + 0,071 * B
Z = 0,020 * R + 0,130 * G + 0,939 * B

R = 3,063 * X - 1,393 * Y - 0,476 * Z
G = -0,969 * X + 1,876 * Y + 0,042 * Z
B = 0,068 * X - 0,229 * Y + 1,069 * Z

5.3 Числовое представление
Для большинства приложений значения координат r, g и b можно считать принадлежащими отрезку [0,1], что представляет пространство RGB в виде куба 1×1×1.

 

Рисунок 64 – цветовая модель в виде куба в вершинах которого располагаются основные цвета

В компьютерах для представления каждой из координат традиционно используется один октет, значения которого обозначаются для удобства целыми числами от 0 до 255 включительно. Следует учитывать, что чаще всего используется гамма-компенсированое цветовое пространство sRGB, обычно с показателем 1.8 (Mac) или 2.2 (PC).

 

Рисунок 65 – числовое представление цветовой модели

 

В HTML используется #RrGgBb-запись, называемая также шестнадцатеричной: каждая координата записывается в виде двух шестнадцатеричных цифр, без пробелов (см. цвета HTML).

Например, #RrGgBb-запись белого цвета - #FFFFFF.
COLORREF - стандартный тип для представления цветов в Win32. Используется для определения цвета в RGB виде. Размер - 4 байта. При определении какого-либо RGB цвета, значение переменной типа COLORREF можно представить в шестнадцатеричном виде так:
0x00bbggrrrr, gg, bb - значение интенсивности соответственно красной, зеленой и синей составляющих цвета.

Максимальное их значение - 0xFF.

Определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREF C = (r,g,b);

b, g и r - интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно синей, зеленой и красной составляющих определяемого цвета C. То есть ярко-синий цвет может быть определён как (0,0,255), красный как (255,0,0), ярко-фиолетовый - (255,0,255), чёрный - (0,0,0), а белый - (255,255,255).

Поскольку в модели используется три независимых значения, ее можно представить в виде трехмерной системы координат.

Каждая координата отражает вклад одной из составляющех в результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения (его численное значение в данный момент не играет роли, обычно это число 255, т. е. на каждой из осей откладывается уровень серого в каждом из цветовых каналов).

В результате получается некий куб, внутри которого и "находятся" все цвета, образуя цветовое пространство модели RGB. Любой цвет, который можно выразить в цифровом виде, входит в пределы этого пространства.

Рисунок 66 – трехмерная цветовая модель

 

Объем такого куба (количество цифровых цветов) легко рассчитать: поскольку на каждой оси можно отложить 256 значений, то 256 в кубе (или 2 в двадцать четвертой степени) дает число 16 777 216.

Это означает, что в цветовой модели RGB можно описать более 16 миллионов цветов, но использование цветовой модели RGB вовсе не гарантирует, что такое количество цветов может быть обеспечено на экране или на оттисках. В определенном смысле это число - скорее предельная (потенциальная) возможность.
Важно отметить особенные точки и линии данной модели:
Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует, что равносильно темноте, т. е. это точка черного цвета.

Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют максимальное значение, что обеспечивает белый цвет.

 

Рисунок 67– трехмерная цветовая модель с диагональю на которой расположены оттенки серого цвета

 

На линии, соединяющей эти точки (по диагонали) , располагаютсясерые оттенки: от черного до белого. Это происходит потому, что значения всех трех составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до максимального значения. Такой диапазон иначе называют серой шкалой (grayscale). В компьютерных технологиях сейчас чаще всего используются 256 градаций (оттенков) серого. Хотя некоторые сканеры имеют возможность кодировать и 1024оттенка серого.

Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные (бинарные) смешения исходных цветов: из красного и зеленого получается желтый, из зеленого и синего - голубой, а из красного и синего - пурпурный.

Рисунок 67 – Цветовой куб

 

Следует отметить, что у аддитивной модели синтеза цвета существуют ограничения. В частности, не удается с помощью физически реализуемых источников основных цветов получить голубой цвет (как в теории - путем смешения синей и зеленой составляющих), на экране монитора он создается с некоторыми техническими ухищрениями.

Кроме того, любой получаемый цвет находится в сильной зависимости от вида и состояния применяемых источников.Одинаковые числовые параметры цвета на различных экранах будут выглядеть по-разному. И, по сути дела, модель RGB - это цветовое пространство какого-то конкретного устройства, например сканера или монитора.

Эта модель, конечно, совсем не очевидна для художника или дизайнера, но ее необходимо принять и разобраться в ней вследствие того, что она является теоретической основой процессов сканирования и визуализации изображений на экране монитора.

Коды цветов будут даны в цикле лекций о цветовых стандартах и каталогах, там выложу списки цветов с кодами. Здесь рассматриваем принципы работы систем.Некоторые специальные термины
В современных специальных журналах часто используются такие понятия, как треу­гольник цветности, диаграмма цветности, локус, цветовой охват. В этом разделе мы попытаемся разобраться в сущности и назначении этих терминов на примере RGB - модели (хотя это можно было бы сделать и на базе любой другой цветовой модели).

Начнем рассмотрение этих понятий с принципа образования плоскости единич­ных цветов. Плоскость единичных цветов (Q) (рис. 3.5) проходит через отложен­ные на осях координат яркости единичные значения выбранных основных цветов.
Единичным цветом в колориметрии называют цвет, сумма координат которого (или, по-другому, модуль цвета т) равна 1.
Поэтому можно считать, что плоскость Q, пересекающая оси координат в точках B_r(R=1,G=0,В=0), B_g(R=0,G=1,В=0) и B_b(R=0,G=0,В=1), является единичным местом точек в пространстве RGB (рис. 69).

Рисунок 68 - Плоскость единичных цветов и образование треугольника цветности
цветности

 

Каждой точке плоскости единичных цветов (Q) соответствует след цветового век­тора, пронизывающего плоскость в соответствующей точке на расстоянии от цен­тра координат:

m = (R²+G²+B²)^0.5 = 1.

 

Следовательно, цветность любого излучения может быть представлена на плоско­сти единственной точкой. Можно себе представить и точку, соответствующую бе­лому цвету (Б). Она образуется путем пересечения ахроматической оси с плоско­стью Q (рис. 69)

В вершинах треугольника находятся точки основных цветов.Определение точек цветов, получаемых смешением любых трех основных, производится по правилу графического сложения. Поэтому данный треугольник называется треугольником цветности, или диаграммой цветности. Часто в литературе встречается другое название - локус, которое можно интерпретировать как геометрическое место всех цветов, воспроизводимых данным устройством.

В колориметрии для описания цветности нет необходимости прибегать к простран­ственным представлениям. Достаточно использовать плоскость треугольника цвет­ности (рис. 3.5). В нем положение точки любого цвета может быть задано только дву­мя координатами. Третью легко найти по двум другим, так как сумма координат цветности (или модуль) всегда равна 1. Поэтому любая пара координат цветности может служить координатами точки в прямоугольной системе координат на плоскости.
Итак, мы выяснили, что цвет графически можно выразить в виде вектора в про­странстве или в виде точки, лежащей внутри треугольника цветности.Почему RGB-модель нравится компьютеру?

В графических пакетах цветовая модель RGB используется для создания цветов изоб­ражения на экране монитора, основными элементами которого являются три элект­ронных прожектора и экран с нанесенными на него тремя разными люминофорами. Точно так же, как и зрительные пигменты трех типов колбочек, эти люми­нофоры имеют разные спектральные характеристики. Но в отличие от глаза они не поглощают, а излучают свет.Один люминофор под действием попадающего на него электронного луча излучает красный цвет, другой - зеленый и третий - синий.

Мельчайший элемент изображения, воспроизводимый компьютером, называется пикселом (pixel от pixture element). При работе с низким разрешением отдельные пикселы не видны. Однако если вы будете рассматривать белый экран включенно­го монитора через лупу, то увидите, что он состоит из множества отдельных точек красного, зеленого и синего цветов (рис. 3.6, 2), объединенных в RGB -элементы в виде триад основных точек.Цвет каждого из воспроизводимых кинескопом пик­селов (RGB-элементов изображения) получается в результате смешивания крас­ного, синего и зеленого цветов входящих в него трех люминофорных точек.

При просмотре изображения на экране с некоторого расстояния эти цветовые состав­ляющие RGB -элементов сливаются, создавая иллюзию результирующего цвета.

Рисунок 69 - В основе работы монитора лежит возбуждение с помощью электронного пучка трех типов фосфоров (1); экран монитора состоит из множества триад точек красного, зеленого и синего цвета, называемых пикселами (2).

Рисунок 70 - Картинка схема пиксела

Рисунок 71 – Пиксель в ЖК мониторе

 

Рисунок 72 – Схема устройства электронно-лучевой трубки

Рисунок 73 – Формирование и вывод цвета в электронно-лучевом мониторе

Для назначения цвета и яркости точек, формирующих изображение монитора, нужно задать значения интенсивностей для каждой из составляющих RGB -элемента (пиксела) .В этом процессезначения интенсивностей используются для уп­равления мощностью трех электронных прожекторов, возбуждающих свечение соответствующего типа люминофора. В то же время число градаций интенсивно­сти определяет цветовое разрешение, или, иначе, глубину цвета, которые характе­ризуют максимальное количество воспроизводимых цветов. На рис. 3.7 приведе­на схема формирования 24-битового цвета, обеспечивающая возможность воспроизведения 256х256х256=16,7 млн цветов.
Последние версии профессиональных графических редакторов (таких, как, напри­мер, CorelDRAW 9, Corel Photo-Paint 9, Photoshop 5.5) наряду со стандартной 8-битовой глубиной цвета поддерживают 16-битовую глубину цвета, которая по­зволяет воспроизводить 65 536 оттенков серого.

Рисунок 74 -  Каждый из трех цветовых компонентов RGB-триады может принимать одно из 256 дискретных значений - от максимальной интенсивности (255) до нулевой интенсивности, соответствующей черному цвету.

На рисунке 75 приведена иллюстрация получения с помощью аддитивного синтеза шести (из 16,7 млн) цветов. Как уже упоминалось ранее, в случае, когда все три цветовые компоненты имеют максимальную интенсивность, результирующий цвет кажется белым. Если все компоненты имеют нулевую интенсивность, то резуль­тирующий цвет - чистый черный.

 

Рисунок 75 - Иллюстрация формирования 6 из 16,7 млн возможных цветов путем вариации интенсивностей каждой из трех компонентов R, G и В цветовой модели RGB.