В США, канаде и японии для передачи цветного телевидения используется система ntsc. Модель описания цветов в этой системе называется y1q.

Координаты модели YIQ в системе NTSC рассчитываются по следующим формулам:

Y - 0,299xR + 0,587xG + 0,114хВ;

I - -1,74(R - Y) - 0,27(В - Y);

Q = 1,48(R - Y) + 0,41 (B - Y).

Для полноцветного изображения компонент Y, называемый сигналом ярко­сти (luminance), принимает значения между минимальным и максимальным уровнями сигналов R, G, В.

1.4.5. Модель CIE XYZ

В 1931 г. Международный комитет CIE утвердил несколько стандартных цветовых пространств, описывающих видимый спектр. При помощи этих моделей можно сравнивать между собой цветовые пространства отдельных наблюдателей и устройств на основе единых стандартов. В предложенных Комитетом трех компонентных моделях для определения цвета используются три независимые цветовые координаты. Модели CIE обладают свойством аппаратной независимости и широким цветовым охватом. Диапазон цветов» которые можно определить в этих системах, не ограничивается изобразительными возможностями технического устройства или визуальным опытом определенного наблюдателя. За основное цветовое пространство, разработанное в CIE, принято пространство XYZ. Оно построено на основе восприятия цвета некоторым стандартным наблюдателем. Это гипотетический персонаж с усредненными зрительными характеристиками, созданными по результатам многочисленных экспериментов с реальными наблюдателями. Приведем упрощенную схему испытаний. Три монохроматических источника света направляются на белый экран таким образом, что их цвет смешивается. Испытуемые с пультом в руках располагаются перед экраном. В их распоряжении предоставляются три ручки, управляющие яркостью этих источников света. На другой стороне экрана воспроизводится эталонная точка некоторого заданного цвета. Задача испытуемых состоит в том, чтобы меняя яркости управляемых источников света, сделать цвет контрольной точки совпадающим с эталонной.

Интенсивность источников света принимает значения в диапазоне от-1 до 1. При интенсивности источника света, равном 1, лампа источника работала на полную мощность. Нулевое значение соответствовало выключению источника. В положении меньше нуля свет источника «вычитался» из результирующего. Это достигалось путем увеличения соответствующего компонента яркости эталонной точки. Результаты разных испытаний немного отличались друг от друга, но усредненные показатели на удивление точно совпали с пиками чувствительности разных типов колбочек. Они и были приняты за показатели гипотетического стандартного наблюдателя.

По результатам проведенных испытаний были синтезированы три искусственные функции реакции глаза, зависящие от длины волны света и построенные таким образом, чтобы упростить ручные расчеты (рис. 1.8). Эти зависимости представляют собой математические абстракции, поскольку не существует естественных источников света с подобными характеристиками излучения. Отметим три особенности этих зависимостей. Во-первых, все они принимают только положительные значения; во-вторых, функция г равна нулю для большей части волн видимого спектра; в-третьих, по значениям функции у можно рассчитать яркость измеряемого цвета.

Рис. 1.8. Функции чувствительности системы CIE XYZ:

На основе функций чувствительности по простым зависимостям рассчитываются абстрактные цвета СIЕ, обозначаемые X, У, Z Пространство, задаваемое этими цветами, достаточно мощное — оно включает в себя весь спектр видимых глазом цветов. Координаты цветности CIE (x, у, z) задаются следующими соотношениями:

Работать с трехмерным цветовым пространством часто бывает неудобно, кроме того, во многих случаях целесообразно разделить хроматические и яркостные значения. При проецировании пространства XYZ на плоскость (х, у) получаем фигуру, которая называется хроматической диаграммой СIЕ. У этой диаграммы координаты х и у — относительные количества трех основных цветов XYZ, требуемых для составления нужного цвета. Яркость определяется величиной Y,а x и у задают цветность элемента цветового пространства. Таким образом, триада (x,у,Y) полностью определяет цвет. Обратное преобразование можно выполнить по формулам

Хроматическая диаграмма весьма содержательна и заслуживает более подробного обсуждения. Каждый цветовой оттенок видимого спектра независимо от яркости изображается на диаграмме точкой. Метамерам — цветам, выглядящим одинаково, но имеющим разные описания, — соответствует одна точка диаграммы. Диаграмма наглядно показывает результаты сложения двух цветов. Для этого надо найти точки, соответствующие слагаемым цветам, и соединить их прямой линией. Любая смесь выбранных компонентов лежит на этой прямой. Смесь трех цветов располагается внутри треугольника, построенного на хроматических координатах этих цветов.

Геометрическим местом чистых хроматических тонов служит линия, которая называется спектральной кривой (спектральным годографом). Все видимые цвета располагаются внутри фигуры, ограниченной спектральной кривой и линией пурпурных цветов. Чем ближе цвет к спектральной кривой, тем он чище и насыщеннее.

Точка, расположенная почти в самой середине диаграммы, описывает эталонный белый цвет. Если соединить эту точку с точкой на спектральной кривой, то получим геометрическое место точек, задающее цвета с одинаковым оттенком. Чем ближе цвет к спектральной кривой, тем большей чистотой он обладает. Хроматическая диаграмма дает точное описание колориметрического термина «чистота» —длина радиус-вектора с центром в белой точке. Светло-серые тона лежат в окрестности центра диаграммы, который представляет эталонный белый цвет.

В диапазоне между пурпурными и красными тонами зрение человека более чувствительно к небольшим изменениям цвета, чем в диапазоне между зелеными и желтыми тонами. Диаграмма отражает этот световой феномен. Ее часть, окрашенная преимущественно в желтые и зеленые тона,отличается более вытянутой формой. В белой, красной и пурпурной областях она более плотная.

1.4.6. Модели CIE Luv и CIE Lab

Несмотря на информативность и наглядность, хроматическая диаграмма CIE XYZ не может претендовать на статус универсальной цветовой модели. Она не обладает свойством перцепционной равномерности расстояние между некоторыми ее точками непропорционально разности зрительного восприятия соответствующих цветов. Например, две точки в красной (нижней правой) части диаграммы, удаленные друг от друга на 0,1, воспринимаются наблюдателем как значительно различающиеся цвета. Тогда как две такие точки в зеленой (верхняя левая) части диаграммы представляют очень похожие цвета.

Предпринимались многочисленные попытки исправления этого недостатка, самые известные из них - модели CIE Luv и CIE Lab. Первая была предпринята в 1976 г.— модификация системы CIE XYZ, приспособленная к более равномерному восприятию цвета. Она строится на координатах u и v, которые рассчитываются по формулам

Хроматическая диаграмма модели CIE Luv, показанная на рис. 5 цветной вклейки, сохраняет структурные особенности диаграммы CIE XYZ: спектральную кривую, распределение ахроматических тонов и линию пурпурных цветов.

Модель CIE Lab (LAB) представляет собой нелинейное преобразование цветового пространства XYZ. Любой цвет в модели определяется значением яркости L(Lightness) и двумя хроматическим координатами а и b, которые рассчитываются на основе аргументов XYZ по громоздким иррациональным зависимостям. Проще говоря, L —это яркость, координата а принимает значения цветового круга от зеленого до красного, координата b — от голубого до желтого.

В природе не существует излучателей, которые могли бы воспроизвести диапазон цветовых значений хроматических координат а и b, поэтому модель применяется в теоретических исследованиях при обмене информацией о цвете и для синтеза цвета в компьютерных программах. Внутреннее описание цветов в Photoshop и в некоторых других программах обработки графики выполняется в системе Lab. Основным достоинством модели CIE Lab следует считать широкий цветовой диапазон. Ее хроматическая диаграмма позволяет определить цветовой охват любого устройства или модели, работающей по принципу сложения цветов. Внутри диаграммы Lab располагаются графики охватов любых моделей и устройств, основанных на принципе вычитания цветов: печатающих машин, принтеров и др. Система позволяет описать такие цвета и оттенки, которые недоступны ни для одной из прочих моделей. Например, яркий оранжевый, металлический блеск или даже ультранасыщенные тона, которые не способны дать природные красители и излучатели.

Для пользователей графических пакетов система Lab может показаться поначалу неудобной, поскольку она не согласуется с интуитивными представлениями о правилах синтеза цвета, существующих у каждого пользователя. Сильно упрощая ситуацию, ее можно сравнить с двухканальной моделью RGB с перевернутым каналом яркости. Смешение координат а и b дает новый цвет высокой интенсивности, для настройки его яркости следует воспользоваться третьей координатой L.

Обе модели (Lab и Luv) отличаются высокой персептивной равномерностью. Их метрики различаются способами расчета, но в обеих системах близкие точки соответствуют сходным хроматическим оттенкам. Модель Lab доминирует в области промышленной печати и при генерации цвета в различных отраслях промышленности. Модель Luv преобладает в телевидении и киноиндустрии.

1.4.7. Интуитивные цветовые модели

Интуитивные цветовые модели базируются на предположении, что цвет может быть описан единственной монохроматической волной — цветовым тоном с заданием насыщенности и светлоты.

Набор из трех параметров — цветовой тон, насыщенность и светлота, или интенсивность (освещенность), — наглядно показывает, что видимый цвет трехмерен. Эти параметры можно интерпретировать как три координаты, с помощью которых можно графически представлять положение видимого цвета в цветовом пространстве. В начале XX в. художник Мансел (А.Н. Munsell), создатель цветовых таблиц, впервые дал интуитивное описание трехмерного цветового пространства. Сегодня на базе идей Мансела построено достаточно много цветовых пространств различных типов. Самой распространенной из них является модель HSB Она была разработана как попытка преодолеть аппаратную зависимость модели RGB. В модели HSB все цвета определяются тремя координатами: оттенком (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Название модели образовано по первым буквам английских названий цветовых координат.

Цветовым тоном, или оттенком (Hue), называется спектрально-чистый цвет определенной длины волны, например чистый красный или чистый зеленый. Цветовой тон — объективная характеристика, поскольку ее можно измерить по длинам преобладающих в световом пучке волн.

Яркость характеризует интенсивность, энергию цвета. Изменение яркости можно представить как смешение чистого тона и черного цвета. Большое содержание черного делает цвет затененным, неинтенсивным. С уменьшением процента черного освещенность увеличивается. Солнечный луч обладает высокой яркостью света, свечение, исходящее от светлячка — очень низкой яркостью. Черный цвет имеет нулевую яркость, а белый — предельную.

Насыщенность (Saturation) описывает чистоту цвета. Один и тот же тон может быть тусклым или насыщенным. Изменение насыщенности можно представить как разбавление чистого цвета белым или серым. Чем больше содержание белого, тем более блеклым становится цвет. Все цвета естественного происхождения имеют низкую насыщенность, поэтому чистые тона выглядят слишком яркими, ненатуральными.

Кроме модели HSB существует несколько моделей, в которых яркостная и цветовая характеристики рассматриваются отдельно, например HSI, HLS. Во всех этих моделях цвет задается не как смешение трех цветов, а по значениям цветового тона, насыщенности и интенсивности. В модели HSI используется тон (Hue), насыщенность (Saturation) и интенсивность (Intensity), в модели HLS — тон (Hue), насыщенность (Saturation) и светлота (Lightness).

Для описания модели HSB удобно воспользоваться геометрической аналогией. Пусть цвета видимого спектра располагаются по кругу, как цифры на циферблате часов. Каждому оттенку соответствует точка на окружности. Чтобы указать положение спектрального цвета, достаточно задать угол поворота радиуса- вектора. В большинстве графических программ принято начинать отсчет от красного цвета и располагать основные и дополнительные цвета с приращением в 60°. Величина насыщенности описывается как длина радиуса-вектора. Чем менее насыщенным является цвет, тем ближе к центру окружности располагается представляющая его точка. Центр круга соответствует черному цвету. Обычно насыщенность измеряется в процентах: минимальная насыщенность равна 0, максимальная — 100. Чтобы учесть в модели яркость, надо добавить третью координату. Все цветовое пространство системы HSB можно представить в виде стопки цветовых кругов, каждый из которых соответствует своему значению яркости. Яркость в большинстве графических программ изменяют в процентах в диапазоне от 0 (минимальная) до 100 (максимальная).

Система HSB очень удобна для пользователя. В ней можно синтезировать новые цвета и получать различные варианты заданного цвета, опираясь на интуицию. Например, известно, что чистый синий цвет лежит на цветовом круге под углом 240°. Если требуется сместить тон в сторону пурпурного оттенка, то для этого достаточно увеличить угол поворота. Цвет кажется слишком насыщенным? Решение известно. Надо сместить точку в радиальном направлении ближе к центру. Велика яркость? Уменьшаем соответствующую координату. Подобную стратегию синтеза цвета невозможно реализовать в системе RGB, поскольку трудно предвидеть последствия даже небольших изменений цветовых координат. Еще одним несомненным достоинством системы HSB является ее независимость от аппаратуры. Примерно такую оценку могли бы дать этой системе пользователи и разработчики компьютерных программ.

Мнения физиков и инженеров-оптиков по поводу этой системы, видимо, будут отличаться от приведенных оценок. Система HSB является абстрактной. Это значит, что нет таких устройств, которые синтезируют цвет в этой системе. Не существует и прямой процедуры измерения цветового тона и насыщенности. В любом методе ввода информации о цвете сначала измеряются красная, синяя и зеленая составляющие, которые потом пересчитываются в координаты HSB. Поскольку при вводе и выводе цвета система HSB привязана к системе RGB. то ее аппаратная независимость является во многом умозрительным тезисом и не имеет большого практического значения.

1.4.8. Цветовой круг

Цветовой круг — описание системы HSB, которое используется как мнемоническая фигура для упрощения ориентации в цветовом пространстве. У полиграфистов и оптиков он играет роль своеобразного навигационного прибора, без которого часто бывает сложно принять верное решение о способе синтеза искомого цвета.

На цветовом круге на равном расстоянии друг от друга расположены первичные и вторичные цвета. Каждый вторичный (первичный) цвет находится между двумя первичными (вторичными). Сложение двух основных цветов дает дополнительный цвет, расположенный между ними. Например, смешивая зеленый и синий, получаем голубой. При смешении двух дополнительных цветов получаем основной цвет, лежащий между ними. Так, смесь желтого и пурпурного образует красный.

Пары цветов, расположенные на круге под углом 180°, называются комплиментарными, или дополнительными. Таковыми являются зеленый и пурпурный, голубой и красный, синий и желтый. Добавление любой краски цветового круга компенсирует дополнительную краску, как бы разбавляет ее в результирующем цвете. Например, чтобы изменить цветовое соотношение в сторону зеленых тонов, следует понизить содержание пурпурного цвета, который является дополнительным к зеленому.

Приведем несколько правил сложения цветов. Они, конечно, объясняются основными физическими закономерностями, но самый простой способ их получения —это использование мнемоники цветового круга:

•наложение красного и зеленого с максимальной интенсивностью дает чистый желтый цвет. Уменьшение интенсивности красного смещает результирующий в сторону зеленых оттенков, а снижение интенсивности зеленого делает цвет оранжевым;

•смешение синего и красного в максимальной пропорции дает фиолетовый цвет. Уменьшение доли синего влечет сдвиг в область розового цвета, а уменьшение красного сдвигает цвет в сторону пурпурного;

•зеленый и синий цвета образуют голубой. Существует около 65000 различных оттенков голубого, которые можно синтезировать, смешивая в разных пропорциях данные цветовые координаты;

•наложение голубой и пурпурной красок максимальной плотности дает глубокий синий цвет;

•пурпурный и желтый красители образуют красный цвет. Чем выше плотность составляющих, тем выше его яркость. Уменьшение интенсивности пурпурного придает цвету оранжевый оттенок, снижение доли желтой составляющей дает розовый цвет;

•желтый и голубой дают ярко-зеленый цвет. Уменьшение доли желтого порождает изумрудный, а снижение доли голубого —салатовый.

1.4.9. Стандартные источники света CIE

Восприятие цвета наблюдателем зависит не только от источника света, но и условий освещения. Точное определение характеристик источника света является важной частью описания цвета во многих приложениях. Стандарты источников света CIE предлагают универсальную систему предопределенных спектральных данных для нескольких широко применяемых типов источников света.

Стандартные источники света CIE, утвержденные в 1931 г., обозначены буквами А, В и С:

•источник цвета типа А представляет собой лампу накаливания с цветовой температурой примерно 2856 К;

•источник цвета типа В — прямой солнечный свет с цветовой температурой примерно 4874 К;

•источник цвета типа С — непрямой солнечный свет с цветовой температурой примерно 6774 К.

Впоследствии в стандарт CIE к этому набору типов были добавлены типы D. Е и F. Типу D соответствуют различные условия дневного освещения с определенной цветовой температурой. Например, источники D50 и D65 — стандартные источники, широко применяемые для освещения специальных кабин для просмотра полиграфических оттисков (индексы «50» и «65» соответствуют цветовой температуре 5000 и 6500 К соответственно).

При проведении цветовых вычислений учитываются также спектральные данные источников света. Хотя источники света, по сути, являются эмиссионными (излучающими) объектами, их спектральные данные практически ничем не отличаются от спектральных данных отражающих цветных объектов. Соотношение определенных цветов в различных типах источников света можно выяснить, исследовав относительное распределение мощности световых потоков с различной длиной волны.

Таким образом, описания цветов, составленные по трем координатам, сильно зависят от стандартных цветовых систем CIE и от источников света. В свою очередь, спектральное описание цвета эту дополнительную информацию напрямую не использует. Тем не менее стандарты CIE играют важную роль в процессе преобразования цветовой информации из трехкоординатной формы представления данных в спектральную форму. Методы описания цвета можно разделить на два типа:

•спектральные данные фактически описывают свойства поверхности объекта, показывая, как эта поверхность воздействует на свет (отражает его, пропускает или излучает). На эти поверхностные свойства не влияют условия внешней среды, такие как освещение, индивидуальность восприятия каждого из зрителей и различия в методах интерпретации цвета;

•трехкоординатные данные задают цвет при помощи трех координат. Эти характеристики описывают, как представляется цвет зрителю или сенсорному устройству или как цвет будет воспроизводиться на каком-либо устройстве, например на мониторе или принтере. Координаты систем, например CIE XYZ и CLE Lab, задают положение цвета в цветовом пространстве. Системы воспроизведения цвета (например, RGB и CMY) описывают цвет посредством трех величин. которые порождают его при смешивании.

Как формат для спецификации и передачи информации о цвете спектральные данные имеют ряд определенных преимуществ перед трехкоординатными форматами. Прежде всего, спектральные данные являются единственным, объективным описанием цветного объекта. И наоборот, системы RGB и CMYK дают такое описание, которое зависит от внешних условий: типа устройства воспроизведения, условий освещения и др.

1.4.10. Формирование цветов на экране монитора

Давно миновали дни, когда оператор общался с вычислительной системой посредством телетайпа или колоды перфокарт. В настоящее время монитор — неотъемлемая часть любого домашнего или профессионального компьютера. Современный пользователь часто не подозревает, что существуют отличные от дисплея интерфейсы, позволяющие общаться с машиной. Векторные мониторы, столь популярные в недалеком прошлом, используются в IT-областях предельно узкой специализации.

Сейчас самым распространенным устройством отображения информации является цветной растровый монитор. Работу растровых мониторов, независимо от того, выполнены ли они на классических электронно-лучевых трубках или на современных жидкокристаллических панелях, адекватно описывает модель RGB. Количество цветовых оттенков, доступных растровому монитору, ограничено и зависит от технических характеристик всех устройств, образующих видеотракт, главным образом от видеокарты (видеоадаптера).

Самыми простыми устройствами отображения являются монохромные мониторы, позволяющие изображать только два цвета. Наиболее развитые графические системы способны отображать 16,7 и более миллионов цветов. Максимальное число цветов, одновременно отображаемых на экране, определяется числом разрядов, выделенных для каждого пиксела в видеопамяти. В развитых графических системах на каждый пиксел отводится 24 (или более) двоичных разряда для описания цвета: восемь — для красной составляющей, восемь — для зеленой и восемь — для синей.

Используя восемь двоичных разрядов, можно представить 2х = 256 различных градаций яркости. Три независимых цветовых канала способны создать в общей сложности 256x256x256 = 16 777215 цветовых градаций. Это означает, что видеоадаптер может отобразить более 16,7 млн. цветов. Смешивая разные интенсивности красной, зеленой и синей составляющих, можно получить почти любой цвет видимой части спектра. В таких видеосистемах информация о цвете каждого пиксела монитора представляется в виде тройки значений R, G и В. Эти данные видеопамяти передаются непосредственно на монитор или сначала в таблицу цветности, а затем на монитор.

В дисплеях с таблицей цветности (Look up table, LUT) значение считанного пиксела не сразу передается на цифроаналоговое преобразование, а используется в качестве адреса. По этому адресу из таблицы выбираются значения яркостей по R, G, В, которые определяют действительный цвет точки монитора. Эта схема формирования изображения обладает несколькими преимуществами по сравнению с прямым выводом на экран. Так, обработкой всего лишь нескольких байтов таблицы цветности можно одновременно изменить цвет у всех точек изображения с одинаковым кодом пиксела, не затрагивая содержимого видеопамяти. С помощью таблицы цветности реализуются не только различные визуальные эффекты, но может быть осуществлена необходимая фильтрация изображения, получены любые битовые срезы, выполнена гамма-коррекция и коррекция цвета без обращения к видеопамяти.

При работе с цветом сознание человека оперирует терминами, отличными от координат RGB. Лишь немногие профессионалы способны по интенсивностям отдельных каналов предсказать результирующий цвет. Еще меньше людей могут успешно решить обратную задачу— синтезировать искомый цвет в системе RGB, поскольку не существует простого алгоритма для определения координат RGB по тону, яркости и насыщенности оттенка. В различного рода графических редакторах эта задача обычно решается с помощью интерактивного выбора из палитры цветов и формированием цветов в палитре путем подбора значений RGB до получения требуемого визуального результата. Более удобно в этом случае использовать модели HSB или HLS, позволяющие непосредственно задать требуемый оттенок. Однако при занесении данных в таблицу цветности или в видеопамять полноцветных дисплеев требуется перевод значений цветового тона, яркости и насыщенности в систему RGB.

1.4.11. Интерполяция цветов