Формирование цветных изображений

Описания цвета в терминах выбранного цветового пространства называют цветовой моделью. С помощью модели каждый хроматический тон и оттенок можно представить в виде совокупности чисел — цветовых координат, это позволяет обмениваться цветовой информацией между компьютерами, программами и периферийными устройствами.

Базовые принципы описания цвета

Все распространенные цветовые модели в зависимости от их особенностей и области применения можно разделить на три группы:

•аппаратно-зависимые — модели, используемые в технических средствах ввода-вывода графической информации;

•аппаратно-независимые— модели, не связанные с конкретным воспроизводящим устройством, они описывают цвет в абстрактных колориметрических терминах. Эти модели предложены международной комиссией по освещению С IE (Commission Internationale d'Eclairage), их широко применяют в теоретических исследованиях и системах управления цветом;

• интуитивные — модели, построенные на основе субъективного восприятия цвета человеком.

В технических средствах КГ используются два типа цветных объектов — самосветящиеся, излучающие объекты (экраны электронно-лучевых трубок, плазменные панели, матрицы светодиодов) и несамосветящиеся объекты, отражающие или преломляющие падающий на них свет (бумажные оттиски, светофильтры и т. п.).

Для излучающих объектов используется аддитивное формирование оттенков, когда требуемый цвет формируется за счет смешения трех основных оттенков цветов. В этом случае целесообразно использовать модель, основанную на принципе сложения цветов. Самой известной моделью такого типа является модель RGB. Ее название образовано по первым буквам базовых цветовых координат Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий).

Цвет несамосветящихся объектов получается в результате отражения светового потока некоторого внешнего источника или источников. Он формируется как сумма непоглощенных составляющих потока. Корректное описание этого цветового феномена дает так называемая субтрактивная цветовая модель CMY. Ее название образовано по первым буквам цветовых координат Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый).

На рис. 2, а цветной вклейки показаны результаты смешения цветов в аддитивной модели для трех самосветящихся площадок чистых цветов (красного, зеленого и синего). На рис. 2, б представлены результаты смешения цветов в субтрактивной модели для трех несамосветящихся площадок чистых цветов (голубого, пурпурного и желтого).

Приведем основные правила сложения цветовых координат, которые описывается восемью простыми формулами:

1) желтый = красный + зеленый;

2) белый = красный + зеленый + синий;

3) пурпурный = красный + синий;

4) голубой = синий + зеленый;

5) красный = желтый + пурпурный;

6) зеленый - желтый + голубой;

7) черный = желтый + пурпурный + голубой;

8) синий = пурпурный + голубой.

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительным называется цвет, который в сумме с данным дает чистый белый. Дополнительным для красного служит голубой, поскольку голубой полу чается смешением зеленого и синего. Дополнительным для зеленого является пурпурный (пурпурный = красный + синий), для синего — желтый (желтый = красный + зеленый).

Модель RGB

Модель RGB (Red, Green, Blue— красный, зеленый, синий) — аддитивная аппаратно-зависимая модель, применяемая для описания цвета компьютерных мониторов, телевизионных экранов, дисплеев портативных цифровых устройств и телефонов.

Модель RGB — одна из первых цветовых моделей, ее появление датируется началом прошлого века — временем рождения первых устройств цветного телевещания. Можно привести множество аргументов в защиту ее состоятельности. Достаточно упомянуть классические опыты физиков XVIII в., которые доказали разложимость любого видимого света на три цветовые составляющие.

Цветовое пространство модели RGB можно представить в виде куба в декартовой системе координат (рис. 1.6). Каждый цвет в этом кубе задается точкой и определяется как сумма трех цветовых координат (основных цветов) красного, зеленого и синего. Главная диагональ куба с равными количествами каждого основного цвета представляет ахроматические (серые) цвета: черному цвету соответствует точка (0, 0, 0), а белому — точка (1, 1, 1). Нулевое значение соответствует отсутствию светимости цветовой координаты, единичное значение описывает ее максимальную интенсивность. Так, белый цвет дает смешение трех цветовых координат предельной силы.

Модель RGB — простая цветовая система, правила синтеза которой полностью согласуются с интуицией человека. Она отличается широким цветовым охватом и корректно описывает механизмы генерации цвета в приборах, излучающих свет. Эта модель имеет ряд недостатков, ограничивающих ее применение. Она не способна воспроизводить весь видимый человеком спектр. Сочетание цветов синий + зеленый дает только приближение для чистого голубого, а комбинация зеленый + красный продуцирует приблизительный аналог чистого желтого. На рис. 1.7 представлены зависимости интенсивностей цветовых координат R, G, В от длины волны света видимой части спектра. Как видно на приведенных графиках, некоторые из цветовых координат могут быть меньше нуля. Это означает, что в модели представлены не все цвета, которые способен воспринять глаз человека. Однако во многих случаях цветовая модель RGB дает вполне удовлетворительные объяснения цветовых феноменов, что и объясняет ее широкое распространение в системах автоматизированного проектирования и графических пакетах.

Рис. 1.6. Цветовой куб модели RGB Рис. 1.7. Спектральные кривые для модели RGB

Модели CMY и CMYK

При обсуждении модели RGB речь шла в основном об источниках света. Большинство окружающих нас объектов источниками не являются. Они не излучают, а поглощают и отражают падающий свет в разных пропорциях.

Как возникает цветность подобных объектов? Все пассивные объекты мы видим в отраженном цвете. Если яблоко имеет красный цвет, то это значит, что оно отражает длинные волны и поглощает короткие. Почему некоторый предмет окрашен в синий цвет? Это происходит потому, что он поглощает красную и зеленую составляющие и отражает только синюю. Как при отражении получается голубой цвет? Голубой представляет собой смешение синего и зеленого цветов. Следовательно, поверхность голубого цвета отражает синий и зеленый цвета, а значит, поглощает красную составляющую. Пурпурный краситель поглощает зеленый и отражает красный и синий. Если смешать голубой краситель и пурпурный, то цвет такой краски уже можно предсказать. Пурпурная составляющая поглотит зеленую, голубая -— красную, остается только синяя компонента, поэтому результирующий цвет будет синим.

Смешивая попарно пурпурный, желтый и голубой красители, можно получить в отраженном свете оттенки основных цветов красного, зеленого и синего. Сочетания основных цветов позволяют синтезировать множество производных цветов, поэтому пурпурный, желтый и голубой могут быть приняты в качестве базиса субтрактивной (вычитательной) цветовой модели.

Модель CMY (Cyan, Magenta, Yellow — голубой, пурпурный, желтый) — аппаратно-ориентнрованная модель, используемая в полиграфии для субтрактивного формирования оттенков, основанного на поглощении слоем краски части падающего светового потока. Цветовые координаты модели CMY являются дополнительными к координатам RGB, т. е. сложение каждой дополнительной пары дает чистый белый. Поэтому модель CMY можно представить в виде куба, начало отсчета которого находится в точке с координатами RGB, равными (I, I, I). Эта точка соответствует белому цвету.

Описанное соответствие координат справедливо только для нормализованных пространств, где значения RGB и CMY задаются в безразмерных величинах. В графических пакетах и CAD-системах эти значения могут рассчитываться по разным шкалам. Например, во многих программах растровой графики координаты CMY задаются в процентах, a RGB — в числах (от 0 до 255). В подобных случаях формулы пересчета принимают более сложный вид.

Таким образом, модель CMY представляет собой некоторое дополнение модели RGB, при нулевых значениях составляющих (отсутствии краски) образуется белый цвет. Смешение равных значений трех компонентов дает оттенки серого. При смешении максимальных значений трех составляющих (Cyan + Magneta + Yellow) должен получиться черный цвет.

Если нанести на белый лист бумаги красители пурпурного, желтого и голубого цветов, то они поглотят все три составляющие падающего света и такой лист должен выглядеть черным. В это теоретически правильное заключение практика вносит свои поправки. Существующие красители по своим химическим свойствам далеки от идеала и часто содержат примеси. Смешение таких красителей дает не черный цвет, а грязно-коричневый темного оттенка. Свой вклад вносит и бумага, поверхность и цвет которой никогда не бывают идеальными. Для повышения качества печати применяется специальный черный краситель, позволяющий получить ровный и глубокий черный цвет. Большинство современных репродуцирующих устройств (принтеров и типографских машин) печатают в четыре краски, и только самые дешевые струйные принтеры, сегодня практически вышедшие из употребления, используют только три краски.

Модель CMY с дополнительной черной составляющей называется моделью CMYK. Черный цвет (Black) представлен в названии последней буквой для того, чтобы не путать его в сокращениях с синим (Blue). Эта система служит теоретической основой цифровой печати. Во многих графических пакетах цветовые координаты рассматриваются как красители, которые наносятся на поверхность бумаги, поэтому интенсивность каждой координаты измеряется в процентах от О (отсутствие краски) до 100 (максимальная интенсивность краски).

В системе RGB световые потоки суммируются и результирующие цвета получаются яркими. В субтрактивной системе световые потоки вычитаются, производя более темные и менее насыщенные оттенки. Этим объясняется тот эффект, когда яркие и живые цвета картинки, представленной на экране монитора, часто становятся выцветшими и тусклыми после вывода на печать.

Если учитывать только номенклатуру технических устройств, то окажется, что модель CMYK менее распространена, чем модель RGB. Только печатные машины и некоторые типы принтеров высокого класса используют эту модель напрямую. Традиционно в этом ряду упоминают еще и барабанные сканеры, но внутренние сенсоры подобных устройств работают в системе RGB, а считанная с оригинала информация потом преобразуется в CMYK программным или аппаратным способом.

Модели YUV и YIQ

YUV и YIQ — аппаратно-ориентированные модели, используемые в телевидении и позволяющие сократить передаваемую полосу частот за счет использования психофизиологических особенностей зрения в коротковолновой области. Это модифицированные системы RGB, приспособленные для нужд телевещания.

В моделях YUV и YIQ телевизионный сигнал кодируется посредством трех координат: Y— сигнал яркости, одинаковый во всех моделях, и два сигнала, определяющих цвет пикселя — (U и V) или (I и Q), являющиеся цветоразностными сигналами. При этом зеленый цвет (G), принятый за базовый, отсутствует в составе телевизионного сигнала и восстанавливается в телевизионном приемнике вместе с красным (R) и синим (В) цветом на основе принятых сигналов. Эти модели позволяют принимать сигналы не только цветного, но и черно-белого телевидения.

В Европе телевидение основывается на модели YUV и использует два способа кодирования сигналов модели — системы PAL и SEC AM. Приведем простые правила расчета координат этой модели по значениям RGB:

• модель YUV системы SECAM

Y= 0,299xR + 0,587xG + 0.114хВ,

U = 1,5 (В - Y),

V= -1,9 (R-Y);

• модель YUV системы PAL

Y= 0,299xR + 0,587xG + 0,114хВ,

U = 1,493 (В - Y),

V= -1,877 (R - Y).