Описание цвета в компьютерной графике. Цветовые модели

Графические редакторы независимо от того, растровые они или векторные, работают с изображениями, в которых непременно присутствует цвет, пусть даже просто черный и белый. Дескрипторы информационной модели компьютерного изображения содержат информацию об использованных в нем цветах.

Редактирование изображений, в особенности растровых, включает и изменение информации о цветах. В связи с этим становится актуальным выражение цвета в численном виде.

В процессе подготовки иллюстрации исходная фотография превращается в электронную форму, обрабатывается в графических программах, отображается на экране монитора, распечатывается на принтере или офсетной машине. На каждом этапе цвета обрабатываемого документа получают различным образом, и для корректной передачи цвета необходимо согласование всех этапов подготовки изображения. Таким образом, возникает необходимость однозначного описания цвета.

Цвет является важнейшим изобразительным инструментом. Как составная часть изображения цвет выполняет сразу две важные функции: он является средством кодирования информации об изображенном предмете и средством воздействия на ассоциативную память зрителя, призванным вызвать у него определенные эмоции.

Физически в основе цвета лежит волновая природа электромагнитных колебаний высокой частоты — света. Световые волны разной длины по-разному воздействуют на сетчатку глаза. В силу физиологии органов зрения цветовосприятие — субъективный процесс, и его характеристики во многом определяются индивидуальными особенностями человека. Дневной свет, например, субъективно воспринимается как лишенный цветовой составляющей, но в физическом смысле он представляет собой смесь колебаний всех частот (не только оптического, но и смежных диапазонов).

Одни устройства могут воспринимать цвета — это глаза человека, фотопленка, сканер. Другие воспроизводят цвета — фотобумага, принтер, офсетная машина.

При каждом из этих процессов число цветов хоть и велико, но меньше полного диапазона. Так, глаз не воспринимает цвета ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Фотоаппарат бессилен перед очень темными оттенками. Традиционная офсетная печать не передает очень светлые и яркие тона.

Диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован или описан каким-либо способом, называется цветовым охватом. Цветовой охват монитора, офсетной машины и глаза разный, причем у глаза он наибольший. Часть из того, что воспринимает глаз, не может передать экран монитора (на экране, например, нельзя точно передать чистые голубой или желтый цвета). Часть цветов, которые отображает монитор, невозможно напечатать с помощью принтера или офсетной машины (на печати плохо передаются светлые оттенки, составляющие которых имеют низкую плотность). Существующую разницу цветовых охватов устройств вывода можно представить с помощью схемы (рис. 3.6).

Каждый из охватов может быть выражен определенной моделью цвета. Цветовые модели представляют собой средства для концептуального и количественного описания цветов определенных областей спектра.

В настоящее время для математического описания цвета предложено несколько цветовых моделей. Одновременное существование различных цветовых моделей объясняется тем, что ни одна из моделей не является идеальной или универсальной и каждая наиболее применима в своей определенной прикладной области.

Рис. 7. Цветовой охват монитора, офсетной машины и человеческого глаза

 

Устройство моделей одинаково: в каждой из них принято несколько базовых компонентов, и каждый базовый компонент вносит вклад в создание конкретного цвета. Базовые компоненты модели называются каналами, таким образом, цветовые модели состоят из одного или нескольких цветовых каналов. Цвета, которые можно описать, используя выбранную модель, входят в ее цветовой охват или образуют цветовое пространство модели.

 

Ахроматические модели

Имея представление о природе цвета, можно понять, что белый цвет соответствует равномерной смеси частот электромагнитных колебаний оптического диапазона, а черный — отсутствию света. Для описания изображений, содержащих пиксели только этих двух цветов, а также промежуточных оттенков серого цвета используют две ахроматические (не включающие цвета) модели. Их важность в компьютерной графике обусловлена тем, что ахроматические изображения очень распространены и с ними приходится работать довольно часто. Ахроматическими называются монохромные и полутоновые изображения.

 

Монохромные изображения

Монохромное (или штриховое) изображение представляет собой изображение, каждый пиксель которого может быть только одного из двух цветов: основного (чаще черного) или фонового (чаще белого). Промежуточные варианты исключены. Для представления цвета такого изображения используют единственный монохромный канал.

Монохромные изображения могут использоваться для хранения штриховой графики, например рисунков тушью или гравюр.

Для записи растрового изображения в памяти компьютера необходимо сохранить информацию о цвете каждого пикселя изображения.

Рис. 8. В Photoshop открыто монохромное изображение

 

Информация о цвете пикселя должна помещаться в ячейки памяти компьютера, который работает с цифровой информацией в двоичной системе счисления. Двоичный разряд может иметь два значения: единицу и ноль. В нашем случае при записи пикселей монохромного изображения, если пиксель окрашен в белый цвет, это означает, что точка люминофора экрана, отвечающая за отображение цвета данного пикселя, должна будет светиться (состояние — 1); если же пиксель окрашен в черный цвет, значит соответствующая точка экрана светиться не должна (состояние — 0).

Таким образом, чтобы «запомнить» цвет одного пикселя монохромного изображения, в памяти компьютера будет занята 1 ячейка (1 бит) памяти (состояние 1 или 0). На рис. 3.7 показано монохромное изображение в Photoshop.

Количество бит памяти, которое требуется для хранения информации о цвете одного пикселя изображения, называется глубиной цвета. Глубина цвета — один из важнейших параметров растрового изображения.

Глубина цвета монохромного изображения — 1 бит, поэтому такой тип изображений иногда называют однобитным или битовым.

Если монохромное изображение будет иметь размеры 100 * 100 пикселей, то для его хранения потребуется 100 пикселей х 100 пикселей х 1бит = 10000 бит = 1250 байт = 1,22 Кбайт памяти.

 

Полутоновые изображения

Полутоновое изображение отличается от монохромного тем, что составляющие его пиксели могут быть любого из оттенков, составленных смешением двух базовых цветов. Оттенком называется смесь базовых цветов модели в фиксированной пропорции. Таким образом, оттенки отличаются друг от друга процентным содержанием в них базового цвета.

Полутоновые изображения используются для хранения чернобелых фотографий, карандашных иллюстраций, а также в других случаях, когда без цвета можно обойтись.

На рис. 9 показано полутоновое изображение в Photoshop.

Рис. 9. В Photoshop открыто полутоновое изображение

 

Чтобы однозначно определить цвет пикселя полутонового изображения, условно все оттенки серого цвета, полученные в результате плавного перехода от черного к белому, разбили на 256 частей. Такое количество градаций яркости оказалось вполне достаточным, чтобы корректно отобразить, например, черно-белое фото.

Шкалу, содержащую 256 градаций яркости, где нулевое значение соответствует черному цвету (яркость — 0), а 255 — белому (максимальная яркость), называют серой шкалой (рис. 3.9).

Рис. 10. Серая шкала. Оттенки серого цвета появляются в процессе плавного перехода от черного цвета к белому

Для записи цвета пикселя полутонового изображения нужно указать номер цвета из оттенков серой шкалы (т.е. один из 256 возможных вариантов). Чтобы записать максимальное значение — 255 в двоичном коде, потребуется восьмизначное двоичное число, для хранения которого нужно 8 ячеек памяти (2⁸=256). Таким образом, глубина цвета полутонового изображения — 8 бит.

Если полутоновое изображение будет иметь размеры 100 х 100 пикселей, то для его хранения потребуется 100 пикселей х 100 пикселей х х 8 бит = 80 000 бит =10 000 байт = 9,76 Кбайт памяти.

Итак, для представления цвета полутонового изображения используется один полутоновый канал, содержащий 256 оттенков серого цвета. В связи с этим полутоновое изображение, имеющее те же физические размеры, что и монохромное (при одинаковом разрешении), займет в памяти компьютера в 8 раз больше места.

 

Хроматические модели

В отличие от точек ахроматических моделей точки изображений в хроматических моделях могут иметь оттенок любого цвета (отсюда название — полноцветные модели). Цвета в таких изображениях получаются также путем сложения базовых компонентов в различных пропорциях.

Существует много различных типов полноцветных моделей, но в графических редакторах, как правило, применяется не более четырех. Эти модели известны под названиями RGB, CMYK, Lab и HSB.