Страница:
Местоположение любой точки (а значит, и любого цвета) в цветовом пространстве задается тремя числами, соответствующими значениям цветовых координат. Запись этих чисел в виде RxGyBz (где x, y и z – целые числа от 0 до 255) называется формулой цвета RGB.
В цветовом пространстве RGB имеются характерные точки и линии. Формуле цвета R0G0B0 соответствует точка в начале цветовых координат и черный цвет (интенсивность излучения всех трех источников света равна нулю). Формуле цвета R255G255B255 соответствует "белая" точка, в ней интенсивность свечения всех источников максимальна. Эти две точки соединяет диагональ куба, вдоль которой расположены цвета монохроматической шкалы – оттенки черного цвета. Эти точки соответствуют ахроматическим цветам. На пересечении диагоналей куба расположена "серая" точка R127G127B127, определяющая цвет, который в компьютерной графике называется нейтральным серым.
Линии, проведенные через "черную" точку и произвольно выбранную точку куба, представляют собой монохроматические шкалы, в которых в качестве фонового цвета выступает черный, а цветом переднего плана является цвет, соответствующий выбранной точке. Линии, проведенные через "белую" точку и произвольно выбранную точку куба, представляют собой монохроматические шкалы, в которых в качестве фонового цвета выступает белый, а цветом переднего плана является цвет, соответствующий выбранной точке.
Точки, лежащие на осях цветовых координат, соответствуют оттенкам базовых цветов модели RGB. Наиболее удалены от начала координат "красная" R255G0B0, "зеленая" R0G255B0 и "синяя" R0G0B255 точки. В остальных вершинах куба располагаются точки, соответствующие дополнительным цветам модели RGB:
• бирюзовому, R0G255B255 (обозначается латинской буквой C);
• пурпурному, R255G0B255 (обозначается латинской буквой М);
• желтому, R255G255B0 (обозначается латинской буквой Y).
Отметим важный факт – дополнительные цвета цветовой модели RGB получаются при смешивании попарно в равной пропорции ее базовых цветов.
Цветность и треугольник цветности
Цветовой круг
Достоинства и недостатки модели цвета RGB
Стандартные цветовые пространства RGB
Модели XYZ и xyY
1.3.6. Субтрактивная модель
1.3.7. Модели HSB и HSL
В цветовом пространстве RGB имеются характерные точки и линии. Формуле цвета R0G0B0 соответствует точка в начале цветовых координат и черный цвет (интенсивность излучения всех трех источников света равна нулю). Формуле цвета R255G255B255 соответствует "белая" точка, в ней интенсивность свечения всех источников максимальна. Эти две точки соединяет диагональ куба, вдоль которой расположены цвета монохроматической шкалы – оттенки черного цвета. Эти точки соответствуют ахроматическим цветам. На пересечении диагоналей куба расположена "серая" точка R127G127B127, определяющая цвет, который в компьютерной графике называется нейтральным серым.
Линии, проведенные через "черную" точку и произвольно выбранную точку куба, представляют собой монохроматические шкалы, в которых в качестве фонового цвета выступает черный, а цветом переднего плана является цвет, соответствующий выбранной точке. Линии, проведенные через "белую" точку и произвольно выбранную точку куба, представляют собой монохроматические шкалы, в которых в качестве фонового цвета выступает белый, а цветом переднего плана является цвет, соответствующий выбранной точке.
Точки, лежащие на осях цветовых координат, соответствуют оттенкам базовых цветов модели RGB. Наиболее удалены от начала координат "красная" R255G0B0, "зеленая" R0G255B0 и "синяя" R0G0B255 точки. В остальных вершинах куба располагаются точки, соответствующие дополнительным цветам модели RGB:
• бирюзовому, R0G255B255 (обозначается латинской буквой C);
• пурпурному, R255G0B255 (обозначается латинской буквой М);
• желтому, R255G255B0 (обозначается латинской буквой Y).
Отметим важный факт – дополнительные цвета цветовой модели RGB получаются при смешивании попарно в равной пропорции ее базовых цветов.
Цветность и треугольник цветности
Большое значение имеет изображенный на рис. 1.3.9 треугольник цветности, представляющий собой лежащую в пределах цветового пространства часть плоскости, проходящей через «красную», «синюю» и «зеленую» точки. Принадлежащие ему точки называются точками единичного цвета. Цветностью или хроматикой цвета в компьютерной графике называется характеристика, имеющая одинаковое значение для всех оттенков одного цвета и различные значения для любой пары оттенков разных цветов.
Ранее уже отмечалось, что линиям, проходящим через "черную" или "белую" точку, соответствуют шкалы оттенков одного цвета. Проведем две прямые через любую точку цветового пространства RGB (заданную точку) так, чтобы одна из них прошла через "черную" точку, а другая – через "белую". Одна из этих прямых обязательно пройдет через какую-нибудь точку треугольника цветности. Причем цвета, соответствующие этой точке единичного цвета и заданной точке, будут принадлежать одной монохромной шкале и будут являться оттенками одного и того же цвета, различающимися только яркостью и насыщенностью (содержанием черного или белого). Таким образом, в треугольнике цветности "представлены" все цвета цветовой модели, хотя и оттенками различной яркости. Это позволяет использовать треугольник цветности в качестве графического представления цветового охвата модели.
В середине треугольника цветности лежит ахроматическая точка, соответствующая нейтральному серому (оттенку черного цвета). Если соединить ее с любой из точек, лежащих на сторонах треугольника цветности, то снова получится монохромная шкала. В ней в качестве базового цвета фона будет выступать нейтральный серый, а переднего плана – цвет, соответствующий заданной точке. И все точки этой шкалы будут соответствовать оттенкам одного цвета. Следовательно, чтобы задать цветность (хроматику), достаточно указать направление, в котором необходимо двигаться от серой точки к краю треугольника цветности.
ПримечаниеЦветность определяет, в каком месте спектра располагается цвет.
Напомним, что оттенки получаются из спектрально чистого цвета смешиванием его с черным или белым.
Ранее уже отмечалось, что линиям, проходящим через "черную" или "белую" точку, соответствуют шкалы оттенков одного цвета. Проведем две прямые через любую точку цветового пространства RGB (заданную точку) так, чтобы одна из них прошла через "черную" точку, а другая – через "белую". Одна из этих прямых обязательно пройдет через какую-нибудь точку треугольника цветности. Причем цвета, соответствующие этой точке единичного цвета и заданной точке, будут принадлежать одной монохромной шкале и будут являться оттенками одного и того же цвета, различающимися только яркостью и насыщенностью (содержанием черного или белого). Таким образом, в треугольнике цветности "представлены" все цвета цветовой модели, хотя и оттенками различной яркости. Это позволяет использовать треугольник цветности в качестве графического представления цветового охвата модели.
В середине треугольника цветности лежит ахроматическая точка, соответствующая нейтральному серому (оттенку черного цвета). Если соединить ее с любой из точек, лежащих на сторонах треугольника цветности, то снова получится монохромная шкала. В ней в качестве базового цвета фона будет выступать нейтральный серый, а переднего плана – цвет, соответствующий заданной точке. И все точки этой шкалы будут соответствовать оттенкам одного цвета. Следовательно, чтобы задать цветность (хроматику), достаточно указать направление, в котором необходимо двигаться от серой точки к краю треугольника цветности.
Цветовой круг
Понятие цветности лежит в основе очень широко распространенной в компьютерной графике абстракции – цветового круга. Цветовым кругом называется диаграмма, в которой по окружности расположены спектральные цвета, в центре – ахроматическая точка, а радиусам соответствуют монохромные шкалы. На рис. 1.3.10 приведены два варианта цветового круга, отличающиеся цветом ахроматической точки.
Рис. 1.3.10. Цветовой круг: а – с белым цветом в центре; б – с черным цветом
Красный цвет условно принято изображать сверху цветового круга, а соответствующему радиусу присваивать нулевое направление. На цветовом круге цветность любого цвета выражается величиной угла, который составляет соответствующий ему радиус с нулевым направлением. Таким образом, цветность желтого цвета составляет 60°, зеленого – 120°, красного – 0°.
Цветовой круг тесно связан с цветовой моделью RGB. Если куб цветового пространства RGB спроецировать на плоскость в направлении, совпадающем с монохромной диагональю, получится шестиугольник, углы которого в точности совпадут с расположением цветов на цветовом круге.
Красный цвет условно принято изображать сверху цветового круга, а соответствующему радиусу присваивать нулевое направление. На цветовом круге цветность любого цвета выражается величиной угла, который составляет соответствующий ему радиус с нулевым направлением. Таким образом, цветность желтого цвета составляет 60°, зеленого – 120°, красного – 0°.
Цветовой круг тесно связан с цветовой моделью RGB. Если куб цветового пространства RGB спроецировать на плоскость в направлении, совпадающем с монохромной диагональю, получится шестиугольник, углы которого в точности совпадут с расположением цветов на цветовом круге.
Достоинства и недостатки модели цвета RGB
Главные достоинства модели цвета RGB состоят в ее простоте, наглядности и в том, что любой точке ее цветового пространства соответствует визуально воспринимаемый цвет. Благодаря простоте этой модели она легко реализуется аппаратно. В частности, в мониторах управляемыми источниками света с различным спектральным распределением служат микроскопические частицы люминофора трех видов. Они хорошо заметны через увеличительное стекло, но при рассматривании монитора невооруженным глазом из-за явления визуального смыкания (см. разд. 3.1.1) видно непрерывное изображение. Интенсивность светового излучения в мониторах на основе электроннолучевых трубок регулируется с помощью трех электронных пушек, возбуждающих свечение люминофоров.
Но у модели цвета RGB есть два принципиальных недостатка. Первый – недостаточность цветового охвата. Независимо от размера цветового пространства модели цвета RGB, в ней невозможно воспроизвести много воспринимаемых глазом цветов (например, спектрально чистые голубой и оранжевый). У таких цветов в формуле цвета RGB имеются отрицательные значения интенсивностей базового цвета, а реализовать не сложение, а вычитание базовых цветов при технической реализации аддитивной модели очень сложно. Этот недостаток устранен в перцептивной аддитивной модели (см. далее).
Второй недостаток модели цвета RGB состоит в невозможности единообразного воспроизведения цвета на различных устройствах из-за того, что базовые цвета этой модели зависят от технических параметров устройств вывода изображений. Поэтому, строго говоря, единого цветового пространства RGB не существует, области воспроизводимых цветов различны для каждого устройства вывода. Более того, даже сравнивать эти пространства численно можно только с помощью других моделей цвета.
Но у модели цвета RGB есть два принципиальных недостатка. Первый – недостаточность цветового охвата. Независимо от размера цветового пространства модели цвета RGB, в ней невозможно воспроизвести много воспринимаемых глазом цветов (например, спектрально чистые голубой и оранжевый). У таких цветов в формуле цвета RGB имеются отрицательные значения интенсивностей базового цвета, а реализовать не сложение, а вычитание базовых цветов при технической реализации аддитивной модели очень сложно. Этот недостаток устранен в перцептивной аддитивной модели (см. далее).
Второй недостаток модели цвета RGB состоит в невозможности единообразного воспроизведения цвета на различных устройствах из-за того, что базовые цвета этой модели зависят от технических параметров устройств вывода изображений. Поэтому, строго говоря, единого цветового пространства RGB не существует, области воспроизводимых цветов различны для каждого устройства вывода. Более того, даже сравнивать эти пространства численно можно только с помощью других моделей цвета.
Стандартные цветовые пространства RGB
Чтобы цветовое пространство RGB можно было использовать на различных устройствах, получая при этом одинаковые визуальные результаты, достаточно однозначно зафиксировать его базовые цвета в цветовых координатах перцептивной модели цвета. Многие программы компьютерной графики позволяют сегодня работать со стандартными цветовыми пространствами RGB, из которых наиболее часто применяются:
• sRGB – так называемое стандартное пространство RGB. Характеристики базовых цветов этого цветового пространства выбраны так, чтобы его можно было без искажений цвета воспроизводить на любых мониторах, даже невысокого класса. Широко применяется в графике для Web, любительской цифровой фотографии, печати на недорогих цветных принтерах. В профессиональной фотографии и полиграфии практически не применяется из-за сравнительно узкого цветового охвата – за границами этого цветового пространства лежит более половины видимых глазом цветов.
• Adobe RGB (1998) – расширенное цветовое пространство RGB. Первоначально это цветовое пространство разрабатывалось в рамках стандарта телевидения высокой четкости, затем получило распространение в профессиональной фотографии и сканировании изображений на сканерах высокого качества. Цветовой охват этого пространства почти на треть шире, чем у sRGB, и за счет этого на устройствах низшего класса (недорогих сканерах, мониторах, фотокамерах) многие цвета этого пространства воспроизводятся неточно.
• Wide Gamut RGB – цветовое пространство с теоретически максимальным цветовым охватом для модели RGB. В качестве базовых цветов выбраны чистые спектральные цвета. При стандартной глубине цвета слишком много цветов из цветового охвата этого пространства становятся недоступными, поэтому для работы необходима глубина цвета 48 бит и выше.
Для определения и проверки эталонных базовых цветов стандартизированных цветовых пространств RGB применяют перцептивные цветовые модели XYZ или Lab.
• sRGB – так называемое стандартное пространство RGB. Характеристики базовых цветов этого цветового пространства выбраны так, чтобы его можно было без искажений цвета воспроизводить на любых мониторах, даже невысокого класса. Широко применяется в графике для Web, любительской цифровой фотографии, печати на недорогих цветных принтерах. В профессиональной фотографии и полиграфии практически не применяется из-за сравнительно узкого цветового охвата – за границами этого цветового пространства лежит более половины видимых глазом цветов.
• Adobe RGB (1998) – расширенное цветовое пространство RGB. Первоначально это цветовое пространство разрабатывалось в рамках стандарта телевидения высокой четкости, затем получило распространение в профессиональной фотографии и сканировании изображений на сканерах высокого качества. Цветовой охват этого пространства почти на треть шире, чем у sRGB, и за счет этого на устройствах низшего класса (недорогих сканерах, мониторах, фотокамерах) многие цвета этого пространства воспроизводятся неточно.
• Wide Gamut RGB – цветовое пространство с теоретически максимальным цветовым охватом для модели RGB. В качестве базовых цветов выбраны чистые спектральные цвета. При стандартной глубине цвета слишком много цветов из цветового охвата этого пространства становятся недоступными, поэтому для работы необходима глубина цвета 48 бит и выше.
Для определения и проверки эталонных базовых цветов стандартизированных цветовых пространств RGB применяют перцептивные цветовые модели XYZ или Lab.
Модели XYZ и xyY
Исследования человеческого зрения показали, что аддитивный синтез цвета по схеме с тремя базовыми световыми потоками (см. рис. 1.3.8) имеет существенные ограничения. В частности, если источники излучают свет визуально воспринимаемого диапазона, то при любом сочетании базовых цветов не удается получить все цвета, видимые глазом.
На протяжении первой трети XX века Международная комиссия по освещению проводила исследования физиологии человеческого зрения, на основе которых в 1931 году была предложена перцептивная цветовая модель, получившая название XYZ.
Рис. 1.3.11. Спектральное распределение источников света в цветовой модели XYZ
Смешивая световые потоки от источников с таким спектральным распределением, можно синтезировать любой цвет спектра. Следует отметить, что X,Y и Z нельзя называть базовыми цветами, – таких цветов в природе не существует. Кроме того, и не любое сочетание значений этих цветовых координат соответствует видимому цвету. Поэтому цветовые пространства моделей цвета XYZ (рис. 1.3.12) и RGB существенно различаются.
Рис. 1.3.12. Цветовое пространство модели цвета XYZ
Цветовое пространство модели цвета XYZ представляет собой криволинейный конус с вершиной в начале цветовых координат. По мере удаления от вершины светлота цветов, соответствующих точкам, лежащим внутри этого конуса, возрастает. Представленная на рис. 1.3.12 видимая часть цветового треугольника в модели цвета XYZ имеет форму сегмента неправильной параболы. На ее криволинейной границе располагаются спектрально чистые цвета, на прямолинейной хорде – цвета, полученные смешиванием красного и пурпурного. При удалении от границы фигуры насыщенность цвета уменьшается и в центре располагается ахроматическая точка.
Поскольку работать с объемным представлением цветового пространства в виде неправильного конуса не слишком удобно, на практике чаще пользуются нормированным цветовым пространством, получившим название xyY.
Рис. 1.3.13. Двухмерное нормированное цветовое пространство xyY
Рассмотрим особенности цветовой диаграммы CIE xyY.
1. Так же, как и треугольник цветности модели RGB, она включает в себя по одному оттенку всех цветов, визуально воспринимаемых стандартным наблюдателем. Таким образом, диаграмма представляет собой графическое отображение цветового охвата человеческого глаза – локус.
2. Чистые спектральные цвета, соответствующие излучению только одной из частот видимой части спектра, расположены в ней на криволинейной части границы – линии спектральной цветности. Цвета, отсутствующие в спектре, но синтезируемые в виде оттенков монохромной шкалы с базовыми красным и фиолетовым цветами, расположены на прямолинейном участке границы – линии пурпурной цветности.
3. В середине хроматической области цветовой диаграммы расположена ахроматическая точка, цветность которой не определена. Эта точка называется также точкой опорного белого цвета. При смещении из этой точки по прямой линии, соединяющей ее с любой точкой границы цветовой диаграммы, определяется насыщенность цвета, т. е. цвет становится ближе к чистому спектральному и менее бледным.
Ахроматическая точка на диаграмме может считаться белой только условно. Ее фактический оттенок и местоположение зависит от источника света, выбранного для синтеза цвета, или от источника освещения. Координаты этой точки однозначно определяются цветовой температурой источника. Цветовая температура – это характеристика интенсивности излучения источника света (табл. 1.3.1). Ее значение равняется температуре нагрева абсолютно черного тела, при которой последнее испускает излучение с той же цветностью, что и измеряемый источник.
В практических целях цветовая диаграмма xyY применяется для сравнения цветовых охватов устройств ввода и вывода с локусом и между собой. Для этого внутри локуса выбираются точки, соответствующие выбранным для аддитивного синтеза цвета базовым цветам. После соединения их отрезками прямых получается геометрическая фигура, представляющая цветовой охват устройства. На рис. 1.3.14 изображены цветовые охваты стандартных цветовых пространств RGB и полиграфического процесса цветной офсетной печати.
Рис. 1.3.14. Сопоставление цветовых охватов устройств вывода на цветовой диаграмме xyY
Кроме сравнения цветовых охватов, цветовая модель XYZ и производная от нее модель xyY применяются для взаимного преобразования цветов из цветового пространства одной модели в цветовое пространство другой.
К недостаткам цветовых моделей XYZ и xyY следует отнести сложность учета светлоты цвета и отсутствие равноконтрастности. Последнее проявляется в том, что одинаковые расстояния в цветовом пространстве CIE XYZ и на цветовой диаграмме xyY в различных их частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между выбранными цветами при одинаковой светлоте. Иными словами, системы цветовых координат получаются нелинейными. Цветоразличительные свойства зрения минимальны на границе локуса (в зоне спектральных цветов) и максимальны в области нулевых цветностей (для ахроматической шкалы).
Эти недостатки были успешно преодолены в равноконтрастных цветовых моделях, одна из которых (CIE Lab) рассмотрена в разд. 1.3.8.
На протяжении первой трети XX века Международная комиссия по освещению проводила исследования физиологии человеческого зрения, на основе которых в 1931 году была предложена перцептивная цветовая модель, получившая название XYZ.
ПримечаниеПо результатам исследований, проведенных над группой наблюдателей, была определена усредненная цветовая реакция на световые потоки с различным спектральным распределением (т. н. стандартный наблюдатель). В результате были определены спектральные распределения для базовых световых потоков аддитивной схемы синтеза цвета, получившие названия X, Y и Z (рис. 1.3.11).
Международная комиссия по освещению, МКО (Commission Internacionale de l'Eclairage, CIE) – интернациональный орган, работавший первоначально под эгидой Парижской палаты мер и весов, внесла огромный вклад в изучение цвета. На основе полученных этой комиссией научных результатов работают все современные технологии, связанные с воспроизведением цвета. Термин "перцептивный" происходит от слова perception – восприятие. Таким образом, перцептивная модель цвета – это модель, основанная на особенностях восприятия цвета человеком.
Смешивая световые потоки от источников с таким спектральным распределением, можно синтезировать любой цвет спектра. Следует отметить, что X,Y и Z нельзя называть базовыми цветами, – таких цветов в природе не существует. Кроме того, и не любое сочетание значений этих цветовых координат соответствует видимому цвету. Поэтому цветовые пространства моделей цвета XYZ (рис. 1.3.12) и RGB существенно различаются.
Цветовое пространство модели цвета XYZ представляет собой криволинейный конус с вершиной в начале цветовых координат. По мере удаления от вершины светлота цветов, соответствующих точкам, лежащим внутри этого конуса, возрастает. Представленная на рис. 1.3.12 видимая часть цветового треугольника в модели цвета XYZ имеет форму сегмента неправильной параболы. На ее криволинейной границе располагаются спектрально чистые цвета, на прямолинейной хорде – цвета, полученные смешиванием красного и пурпурного. При удалении от границы фигуры насыщенность цвета уменьшается и в центре располагается ахроматическая точка.
Поскольку работать с объемным представлением цветового пространства в виде неправильного конуса не слишком удобно, на практике чаще пользуются нормированным цветовым пространством, получившим название xyY.
ПримечаниеНормирование выполняется следующим образом: вместо координат XYZ вводятся координаты х = X/(X + Y + Z), y = X/(X + Y + Z) и z = X/(X + Y + Z). Затем из всего множества точек нового цветового пространства выбираются удовлетворяющие условию принадлежности к треугольнику цветности: х + у + z = 1. Для треугольника цветности значение третьей координаты не требуется, поскольку оно однозначно определяется значениями первых двух координат: z = 1 – (х + у). Тем не менее третья цветовая координата необходима для полного описания любого цвета. Поэтому в нормированную цветовую модель вводят еще одну координату (Y), описывающую светлоту, не имеющую прямого отношения к цветности, но влияющую на образование оттенков. На рис. 1.3.13 приведено графическое представление нормированной модели цвета xyY – цветовая диаграмма CIE 1931.
Это название объясняется тем, что в нормированном варианте координаты х и y сохраняются, а координата z исчезает, поскольку этот вариант цветового пространства двухмерный (цветовая диаграмма или локус). Она строится путем проецирования треугольника цветности на плоскость xy. Конечно, на цветовой диаграмме представлены не все цвета пространства XYZ, но для сравнения цветовых охватов и преобразования цветовых пространств, ради которых и создавалась эта цветовая модель, фактор светлоты оттенков можно не рассматривать.
Рассмотрим особенности цветовой диаграммы CIE xyY.
1. Так же, как и треугольник цветности модели RGB, она включает в себя по одному оттенку всех цветов, визуально воспринимаемых стандартным наблюдателем. Таким образом, диаграмма представляет собой графическое отображение цветового охвата человеческого глаза – локус.
2. Чистые спектральные цвета, соответствующие излучению только одной из частот видимой части спектра, расположены в ней на криволинейной части границы – линии спектральной цветности. Цвета, отсутствующие в спектре, но синтезируемые в виде оттенков монохромной шкалы с базовыми красным и фиолетовым цветами, расположены на прямолинейном участке границы – линии пурпурной цветности.
3. В середине хроматической области цветовой диаграммы расположена ахроматическая точка, цветность которой не определена. Эта точка называется также точкой опорного белого цвета. При смещении из этой точки по прямой линии, соединяющей ее с любой точкой границы цветовой диаграммы, определяется насыщенность цвета, т. е. цвет становится ближе к чистому спектральному и менее бледным.
ПримечаниеЦветовая диаграмма не может содержать в себе всех цветов из цветового пространства CIE xyY, поскольку при ее построении использованы только две цветовые координаты. Значения координат х и у определяют цветность и насыщенность цвета, но не его светлоту.
Более подробно понятие насыщенности цвета рассмотрено в разд. 1.3.7.
Ахроматическая точка на диаграмме может считаться белой только условно. Ее фактический оттенок и местоположение зависит от источника света, выбранного для синтеза цвета, или от источника освещения. Координаты этой точки однозначно определяются цветовой температурой источника. Цветовая температура – это характеристика интенсивности излучения источника света (табл. 1.3.1). Ее значение равняется температуре нагрева абсолютно черного тела, при которой последнее испускает излучение с той же цветностью, что и измеряемый источник.
Таблица 1.3.1. Некоторые источники света и их цветовые температуры
ПримечаниеОтметим, что для получения адекватных результатов сравнения цветовых охватов различных устройств следует применять стандартные источники освещения (как правило, D50).
Цветовой охват модели CMYK, использующейся при цветной офсетной печати, имеет форму шестиугольника, а не треугольника, поскольку приходится учитывать в качестве базовых цветов результаты равномерного попарного смешивания всех трех хроматических базовых цветов этой модели (см. разд. 1.3.6).
Кроме сравнения цветовых охватов, цветовая модель XYZ и производная от нее модель xyY применяются для взаимного преобразования цветов из цветового пространства одной модели в цветовое пространство другой.
К недостаткам цветовых моделей XYZ и xyY следует отнести сложность учета светлоты цвета и отсутствие равноконтрастности. Последнее проявляется в том, что одинаковые расстояния в цветовом пространстве CIE XYZ и на цветовой диаграмме xyY в различных их частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между выбранными цветами при одинаковой светлоте. Иными словами, системы цветовых координат получаются нелинейными. Цветоразличительные свойства зрения минимальны на границе локуса (в зоне спектральных цветов) и максимальны в области нулевых цветностей (для ахроматической шкалы).
Эти недостатки были успешно преодолены в равноконтрастных цветовых моделях, одна из которых (CIE Lab) рассмотрена в разд. 1.3.8.
1.3.6. Субтрактивная модель
Субтрактивными моделями цвета (от англ. subtract – вычитать) называются цветовые модели, в которых световой поток со спектральным распределением, визуально воспринимающимся как нужный цвет, создается за счет пропорционального вычитания из исходного белого светового потока его отдельных спектральных диапазонов. Этот механизм был рассмотрен в разд. 1.3.1.
Так же, как при построении цветового пространства аддитивной модели цвета, базовые цвета субтрактивной модели можно выбрать множеством способов. Однако на практике пользуются почти исключительно триадными цветами: бирюзовым, пурпурным и желтым. В компьютерной графике и полиграфии принято обозначать эти цвета по первым буквам их английских названий: Cyan, Magenta, Yellow.
Пурпурная краска поглощает зеленый спектральный компонент светового потока, отражая все остальные световые волны. Желтая краска поглощает синий спектральный компонент, отражая все остальное. Отметим, что в цветовом круге (см. рис. 1.3.10) бирюзовый и красный, пурпурный и зеленый, желтый и синий расположены на концах соединяющих их диаметров. В теории цвета такие пары цветов называются дополнительными или комплементарными. Основное свойство дополнительных цветов равной насыщенности и светлоты – при смешивании в равной пропорции они дают ахроматический цвет.
На любой участок поверхности бумаги можно нанести от 0 до 100 % краски, поэтому цветовые координаты субтрактивной модели принято разделять на 100 интервалов. Поэтому формула цвета для такой модели выглядит следующим образом: Ca%Mb%Yc%. Например, C50%M100%Y100% – формула, соответствующая 50 %-му оттенку красного цвета.
При увеличении количества нанесенной на бумагу краски отраженный световой поток становится все слабее. Поэтому в теории при смешивании максимально допустимых цветовой моделью количеств трех базовых красок должен получаться черный цвет, а при их полном отсутствии – белый. Смешивание базовых красок в равных пропорциях соответствует оттенкам ахроматической шкалы (монохромной шкалы с базовыми черным и белым цветами).
При выборе в качестве цветовых декартовых координат в трехмерном пространстве получается цветовое пространство, очень похожее на пространство модели RGB – изменена только система координат, что приводит лишь к развороту цветового куба.
К сожалению, на практике даже удовлетворительное воспроизведение черного с помощью красок хроматических базовых цветов невозможно. В красках имеются примеси, степень размола пигмента в них может меняться, и в результате при нанесении на бумагу трех базовых красок по 100 % получается не сочный черный цвет, а темный оттенок коричневого. Кроме того, оттенки черного, полученные применением равных количеств красок базовых цветов, оказываются засоренными посторонним цветом на всем протяжении ахроматической шкалы.
Недостатки субтрактивной модели такие же, как у модели RGB: аппаратная зависимость, причем в большей степени, чем у аддитивной модели, и ограниченный цветовой охват. Для борьбы с этими недостатками применяют дополнительные базовые цвета (см. разд. 1.3.10), системы управления цветом (см. разд. 1.3.11) и печать плашечными цветами.
Так же, как при построении цветового пространства аддитивной модели цвета, базовые цвета субтрактивной модели можно выбрать множеством способов. Однако на практике пользуются почти исключительно триадными цветами: бирюзовым, пурпурным и желтым. В компьютерной графике и полиграфии принято обозначать эти цвета по первым буквам их английских названий: Cyan, Magenta, Yellow.
ПримечаниеВыбор именно этих цветов в качестве базовых обусловлен природой образования цвета отраженным светом. При отражении светового потока от окрашенного листа бумаги (см. рис. 1.3.3) бирюзовая краска избирательно поглощает волны, относящиеся к красному цвету, и отражает все остальные. Чем больше этой краски нанесено на лист, тем сильнее поглощается красный спектральный компонент светового потока. Таким образом, с помощью бирюзовой краски можно управлять красным спектральным компонентом отраженного потока света.
Несмотря на то, что в субтрактивной модели базовые цвета можно выбирать произвольно, выбор красного, зеленого и синего (RGB) в данном случае был бы крайне неудачным. Рассчитывать количества таких красок для получения нужного цвета отраженного светового потока очень сложно из-за того, что каждая из них поглощает волны не одного, а сразу двух из основных поддиапазонов видимого спектра. Красная краска поглощает волны синего и зеленого поддиапазонов, зеленая – красного и синего и синяя – желтого и зеленого. Следовательно, при одновременном нанесении любой пары таких красок будет получаться черный цвет.
Пурпурная краска поглощает зеленый спектральный компонент светового потока, отражая все остальные световые волны. Желтая краска поглощает синий спектральный компонент, отражая все остальное. Отметим, что в цветовом круге (см. рис. 1.3.10) бирюзовый и красный, пурпурный и зеленый, желтый и синий расположены на концах соединяющих их диаметров. В теории цвета такие пары цветов называются дополнительными или комплементарными. Основное свойство дополнительных цветов равной насыщенности и светлоты – при смешивании в равной пропорции они дают ахроматический цвет.
На любой участок поверхности бумаги можно нанести от 0 до 100 % краски, поэтому цветовые координаты субтрактивной модели принято разделять на 100 интервалов. Поэтому формула цвета для такой модели выглядит следующим образом: Ca%Mb%Yc%. Например, C50%M100%Y100% – формула, соответствующая 50 %-му оттенку красного цвета.
При увеличении количества нанесенной на бумагу краски отраженный световой поток становится все слабее. Поэтому в теории при смешивании максимально допустимых цветовой моделью количеств трех базовых красок должен получаться черный цвет, а при их полном отсутствии – белый. Смешивание базовых красок в равных пропорциях соответствует оттенкам ахроматической шкалы (монохромной шкалы с базовыми черным и белым цветами).
При выборе в качестве цветовых декартовых координат в трехмерном пространстве получается цветовое пространство, очень похожее на пространство модели RGB – изменена только система координат, что приводит лишь к развороту цветового куба.
К сожалению, на практике даже удовлетворительное воспроизведение черного с помощью красок хроматических базовых цветов невозможно. В красках имеются примеси, степень размола пигмента в них может меняться, и в результате при нанесении на бумагу трех базовых красок по 100 % получается не сочный черный цвет, а темный оттенок коричневого. Кроме того, оттенки черного, полученные применением равных количеств красок базовых цветов, оказываются засоренными посторонним цветом на всем протяжении ахроматической шкалы.
ПримечаниеДля компенсации описанного недостатка субтрактивной цветовой модели в ее состав ввели дополнительный базовый цвет – черный. Черная краска применяется в цветной офсетной печати для улучшения качества теней, оттенков черного и воспроизведения ахроматических фрагментов изображения. Таким образом, в модифицированной версии субтрактивной цветовой модели (CMYK) имеется четыре базовых цвета – буквой "K" обозначается черный.
Из-за этого дешевые струйные принтеры, работавшие с тремя цветными чернильницами CMY, больше не выпускают.
ПримечаниеКаждый из четырех параметров модели CMYK представляет собой целое число, которое может изменяться в пределах от 0 до 100. Для хранения четырех таких чисел в двоичной форме достаточно 4 х 7 = 28 битов, но в большинстве реализаций под каждое число в дескрипторе информационной модели цвета отводят не 7, а 8 битов, поэтому считается, что глубина цвета в модели CMYK равна 32 битам на элемент изображения.
В отдельных случаях в цветном отпечатке черный цвет синтезируется за счет смешивания черной и хроматических красок. Такой черный цвет с хроматической добавкой называется обогащенным черным. Он воспринимается визуально как черный, но более насыщенный, чем С0%M0%Y0%K100 %. Обогащенный черный улучшает внешний вид градиентных заливок (см. разд. 2.4.2).
Недостатки субтрактивной модели такие же, как у модели RGB: аппаратная зависимость, причем в большей степени, чем у аддитивной модели, и ограниченный цветовой охват. Для борьбы с этими недостатками применяют дополнительные базовые цвета (см. разд. 1.3.10), системы управления цветом (см. разд. 1.3.11) и печать плашечными цветами.
1.3.7. Модели HSB и HSL
В предшествующих разделах уже упоминались такие характеристики цвета, как цветность, насыщенность и яркость. Уточним их определения.
Цветность (цветовой тон) или хроматика – числовая характеристика, имеющая одинаковое значение для всех оттенков одного цвета и различные значения для любой пары оттенков разных цветов. Определяет расположение цвета в спектре. В компьютерной графике цветность обозначают первой буквой слова hue (оттенок) – H. Цвета с различной цветностью описывают названиями на естественном языке (например, голубой, оранжевый) или указывают их местоположение на цветовом круге в градусах (см. рис. 1.3.10). Например, зеленому цвету соответствует значение Н120°, а синему – Н240°.
Насыщенность – числовая характеристика цвета, задающая соотношение между количеством энергии, переносимой световыми волнами, лежащими в диапазоне, соответствующем цветности, и всеми остальными волнами светового потока. Она эквивалентна величине, на которую хроматический цвет отличается от равного ему по яркости ахроматического. Цветам с различной насыщенностью ставят в соответствие выраженную в процентах относительную величину, определяющую местоположение заданного цвета на монохроматической шкале, в которой цветом переднего плана является чистый спектральный цвет, а фоновым – белый. Насыщенность 50 означает, что мы имеем дело с 50 %-ным оттенком спектрального цвета. В компьютерной графике насыщенность обозначают первой буквой слова saturation (насыщенность) – S. На цветовом круге (см. рис. 1.3.10, а) цвета равной насыщенности располагаются вдоль концентрических окружностей, а все степени насыщенности одного цвета можно проследить вдоль радиуса, соединяющего белую точку в центре и точку спектрального цвета на окружности.
Цветность (цветовой тон) или хроматика – числовая характеристика, имеющая одинаковое значение для всех оттенков одного цвета и различные значения для любой пары оттенков разных цветов. Определяет расположение цвета в спектре. В компьютерной графике цветность обозначают первой буквой слова hue (оттенок) – H. Цвета с различной цветностью описывают названиями на естественном языке (например, голубой, оранжевый) или указывают их местоположение на цветовом круге в градусах (см. рис. 1.3.10). Например, зеленому цвету соответствует значение Н120°, а синему – Н240°.
Насыщенность – числовая характеристика цвета, задающая соотношение между количеством энергии, переносимой световыми волнами, лежащими в диапазоне, соответствующем цветности, и всеми остальными волнами светового потока. Она эквивалентна величине, на которую хроматический цвет отличается от равного ему по яркости ахроматического. Цветам с различной насыщенностью ставят в соответствие выраженную в процентах относительную величину, определяющую местоположение заданного цвета на монохроматической шкале, в которой цветом переднего плана является чистый спектральный цвет, а фоновым – белый. Насыщенность 50 означает, что мы имеем дело с 50 %-ным оттенком спектрального цвета. В компьютерной графике насыщенность обозначают первой буквой слова saturation (насыщенность) – S. На цветовом круге (см. рис. 1.3.10, а) цвета равной насыщенности располагаются вдоль концентрических окружностей, а все степени насыщенности одного цвета можно проследить вдоль радиуса, соединяющего белую точку в центре и точку спектрального цвета на окружности.