Компьютерная графика в дизайне

На гранях куба, определяющего цветовое пространство, и внутри него каждой точке соответствует свой цвет. При разбиении каждой из осей цветовых координат на 256 интервалов глубина цвета модели составляет 24 бита. Это означает, что в ней имеется 2

цветов, т. е. 16 777 216.

Примечание

В задачах, требующих высокой точности воспроизведения цвета, может устанавливаться удвоенная глубина цвета 48 битов и даже учетверенная – 96 битов. Конечно, при этом соответственно вдвое или вчетверо увеличивается объем памяти, необходимый для размещения информационной модели изображения.

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

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.

Примечание

Напомним, что оттенки получаются из спектрально чистого цвета смешиванием его с черным или белым.

Цветность определяет, в каком месте спектра располагается цвет.

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.

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.

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.

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.

Примечание

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.

По 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).

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.

Примечание

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.

Нормирование 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.

Рис. 1.3.13. Двухмерное нормированное цветовое пространство xyY

Рассмотрим особенности цветовой диаграммы CIE xyY.