Колір та його моделі
Софія Скриліна, викладач навчального центру «Арт», м. Санкт-Петербург
У КомпьюАрт № 7"2012 була представлена стаття про гармонійні поєднання кольорів і закономірності впливу кольору на сприйняття людини, що, безсумнівно, враховують у своїх проектах сучасні дизайнери. Але при роботі за комп'ютером і змішуванні кольорів на екрані монітора виникають специфічні проблеми. Дизайнер повинен отримати на екрані монітора або на твердій копії саме ті кольори, тони, відтінки та світлоти, які потрібні, кольори на моніторі не завжди збігаються з природними фарбами, дуже непросто отримати один і той же колір на екрані, на роздруківці кольорового принтера і на типографському відбитку. Справа в тому, що кольори в природі, на моніторі та на друкованому листі створюються абсолютно різними способами.
Для однозначного визначення кольорів у різних колірних середовищах існують колірні моделі, про які ми поговоримо в цій статті.
Модель RGB
Колірна модель RGB — найпопулярніший спосіб представлення графіки, який підходить для опису кольорів, що відображаються на моніторі, телевізорі, відеопроекторі, а також створюваних при скануванні зображень.
Модель RGB використовується при описі кольорів, які отримують змішуванням трьох променів: червоного (Red), зеленого (Green) та синього (Blue). З перших букв англійських назв цих кольорів складено назву моделі. Інші кольори виходять поєднанням базових. Кольори такого типу називаються адитивними, оскільки при складанні (змішуванні) двох променів основних кольорів результат стає світлішим. На рис. 1 показано, які кольори виходять при додаванні основних.
У моделі RGB кожен базовий колір характеризується яскравістю, яка може набувати 256 значень від 0 до 255. Тому можна змішувати кольори в різних пропорціях, змінюючи яскравість кожної складової. Таким чином, можна отримати 256x256x256 = 16777216 кольорів.
Кожному кольору можна зіставити код, використовуючи десяткове та шістнадцяткове уявлення коду. Десяткове уявлення — це трійка десяткових чисел, розділених комами. Перше число відповідає яскравості червоної складової, друге – зеленої, а третє – синій. Шістнадцяткове уявлення - це три двозначні шістнадцяткові числа, кожне з яких відповідає яскравості базового кольору. Перше число (перша пара цифр) відповідає яскравості червоного кольору, друге число (друга пара цифр) – зеленого, а третє (третя пара) – синього.
Щоб перевірити цей факт, відкрийте палітру кольорів у CorelDRAW або Photoshop. У полі R введіть максимальне значення яскравості червоного кольору 255, а поля G і B — нульове значення. В результаті поле зразка міститиме червоний колір, шістнадцятковий код буде таким: FF0000 (рис. 2).
Мал. 2. Подання червоного кольору в моделі RGB: ліворуч - у вікні палітри Photoshop, праворуч - CorelDRAW
Якщо до червоного кольору додати зелений з максимальною яскравістю, ввівши в поле G значення 255, вийде жовтий колір, шістнадцяткове представлення якого FFFF00.
Максимальна яскравість усіх трьох базових складових відповідає білому кольору, мінімальна – чорному. Тому білий колір має в десятковому поданні код (255, 255, 255), а в шістнадцятковому - FFFFFF16. Чорний колір кодується відповідно (0, 0, 0) або 00000016.
Усі відтінки сірого кольору утворюються змішуванням трьох складових однакової яскравості. Наприклад, при значеннях R = 200, G = 200, B = 200 або C8C8C816 виходить світло-сірий колір, а при значеннях R = 100, G = 100, B = 100 або 64646416 темно-сірий. Чим темніший відтінок сірого кольору ви хочете отримати, тим менше потрібно вводити в кожне текстове поле.
Що ж відбувається при виведенні зображення на друк, як передаються кольори? Адже папір не випромінює, а поглинає чи відбиває колірні хвилі! Під час перенесення кольорового зображення на папір використовується зовсім інша колірна модель.
Модель CMYK
Під час друку на папір наноситься фарба – матеріал, який поглинає та відображає колірні хвилі різної довжини. Таким чином, фарба виступає в ролі фільтра, що пропускає строго певні промені відбитого кольору, віднімаючи всі інші.
Колірну модель CMYK використовують для змішування фарб друкувальні пристрої – принтери та друкарські верстати. Кольори цієї моделі виходять внаслідок віднімання з білого базових кольорів моделі RGB. Тому їх називають субтрактивними.
Базовими для CMYK є такі кольори:
- блакитний (Cyan) – білий мінус червоний (Red);
- пурпуровий (Magenta) – білий мінус зелений (Green);
- жовтий (Yellow) – білий мінус синій (Blue).
Крім цих, використовується ще й чорний колір, який є ключовим (Key) у процесі кольорового друку. Справа в тому, що реальні фарби мають домішки, тому їх колір не відповідає точності теоретично розрахованим блакитному, пурпуровому та жовтому. Змішування трьох основних фарб, які мають давати чорний колір, дає натомість невизначений брудно-коричневий. Тому до основних поліграфічних фарб і внесена чорна.
На рис. 3 представлена схема, з якої видно, які кольори виходять при змішуванні базових CMYK.
Слід зазначити, що фарби моделі CMYK не такі чисті, як кольори моделі RGB. Цим пояснюється невелика невідповідність базових кольорів. Згідно зі схемою, представленою на рис. 3, при максимальній яскравості повинні виходити такі комбінації кольорів:
- змішання пурпурового (M) та жовтого (Y) повинно давати червоний колір (R) (255, 0, 0);
- змішування жовтого (Y) та блакитного (C) повинно давати зелений колір (G) (0, 255, 0);
- змішування пурпурового (M) та блакитного (C) повинно давати синій колір (B) (0, 0, 255).
На практиці виходить дещо інакше, що ми далі й перевіримо. Відкрийте діалогове вікно палітри кольорів у Photoshop. У текстові поля M та Y введіть значення 100%. Замість базового червоного кольору (255, 0, 0) ми маємо червоно-жовтогарячу суміш (рис. 4).
Тепер у текстові поля Y та C введіть значення 100%. Замість базового зеленого кольору (0, 255, 0) виходить зелений з невеликим відтінком синього. При заданні яскравості 100% у полях M та C замість синього кольору (0, 0, 255) ми маємо синій колір з фіолетовим відтінком. Більш того, не всі кольори RGB можуть бути представлені в моделі CMYK. Колірний охоплення RGB ширше, ніж у CMYK.
Основні кольори моделей RGB і CMYK залежать від схеми колірного кола (рис. 5). Ця схема застосовується для корекції кольорів зображень; приклади її використання розглядалися в Комп'юарт № 12"2011.
Моделі RGB та CMYK є апаратно залежними. Для моделі RGB значення базових кольорів визначаються якістю люмінофора у ЕПТ або характеристиками ламп підсвічування та колірних фільтрів панелі у РК-моніторів. Якщо звернутися до моделі CMYK, значення базових кольорів визначаються реальними друкарськими фарбами, особливостями друкованого процесу і носія. Таким чином, однакове зображення може різною апаратурі виглядати по-різному.
Як зазначалося раніше, RGB є найбільш популярною моделлю, що часто застосовується, для представлення кольорових зображень. У більшості випадків зображення готуються для демонстрації через монітор чи проектор та друку на кольорових настільних принтерах. У всіх випадках необхідно використовувати модель RGB.
Зауваження
Незважаючи на те, що в кольорових принтерах використовується чорнило колірної моделі CMYK, найчастіше зображення, які готуються для друку, необхідно перетворити на модель RGB. Але роздруковане зображення виглядатиме трохи темнішим, ніж на моніторі, тому перед друком його необхідно освітлити. Розмір освітлення кожного принтера визначається досвідченим шляхом.
Модель CMYK необхідно використовувати в одному випадку, якщо зображення готується до друку на друкарському верстаті. Більше того, слід врахувати, що модель CMYK не містить такої ж великої кількості кольорів, як модель RGB, тому в результаті перетворення з RGB на CMYK зображення може втратити ряд відтінків, які навряд чи вдасться відновити зворотним перетворенням. Тому намагайтеся виконувати перетворення зображення на модель CMYK на кінцевому етапі роботи з ним.
Модель HSB
Модель HSB полегшує роботу з квітами, оскільки в її основі лежить принцип сприйняття кольору людським оком. Будь-який колір визначається своїм колірним тоном (Hue) – власне кольором, насиченістю (Saturation) – відсотком додавання до кольору білої фарби та яскравістю (Brightness) – відсотком додавання чорної фарби. На рис. 6 показано графічне уявлення моделі HSB.
Спектральні кольори, або тони кольорів, розташовуються по краю колірного кола і характеризуються положенням на ньому, яке визначається величиною кута в діапазоні від 0 до 360°. Ці кольори мають максимальну (100%) насиченість (S) і яскравість (B). Насиченість змінюється за радіусом кола від 0 (у центрі) до 100% (на краях). При значенні насиченості 0% будь-який колір стає білим.
Яскравість — параметр, що визначає освітленість чи затемненість. Всі кольори кольору мають максимальну яскравість (100%) незалежно від тону. Зменшення яскравості кольору означає його затемнення. Для відображення цього процесу моделі додається нова координата, спрямована вниз, на якій відкладаються значення яскравості від 100 до 0%. В результаті виходить циліндр, утворений із серії кіл із яскравістю, що зменшується, нижній шар — чорний.
Щоб перевірити це затвердження, відкрийте діалогове вікно вибору кольору у Photoshop. У поля S і B введіть максимальне значення 100%, а поле H — мінімальне значення 0°. В результаті ми матимемо чистий червоний колір сонячного спектру. Цьому кольору відповідає червоний колір моделі RGB, його код (255, 0, 0), що вказує на взаємозв'язок цих моделей (рис. 7).
У полі H змінюйте значення кута кроком 20°. Ви отримуватимете кольори в тому порядку, в якому вони розташовані в спектрі: червоний зміниться помаранчевим, помаранчевий жовтим, жовтий зеленим і т. д. Кут 60 ° дає жовтий колір (255, 255, 0), 120 ° - зелений (0, 255, 0), 180 ° - блакитний (255, 0, 255), 240 ° - синій (0, 0, 255) і т.д.
Щоб отримати рожевий колір, на мові моделі HSB — бляклий червоний, необхідно ввести в поле H значення 0°, а насиченість (S) знизити, наприклад, до 50%, задавши максимальне значення яскравості (B).
Сірий колір для моделі HSB – це зведені до нуля тон (H) і насиченість (S) з яскравістю (B) менше 100%. Ось приклади світло-сірого: H = 0, S = 0, B = 80% та темно-сірого кольорів: H = 0, S = 0, B = 40%.
Білий колір визначається так: H = 0, S = 0, B = 100%, а щоб отримати чорний колір, достатньо знизити до нуля значення яскравості при будь-яких значеннях тону та насиченості.
У моделі HSB будь-який колір виходить із спектрального додаванням певного відсотка білої та чорної фарб. Тому HSB — дуже проста у розумінні модель, яку використовують маляри та професійні художники. Вони зазвичай є кілька основних фарб, проте інші виходять додаванням до них чорної чи білої. Однак при змішуванні художниками фарб, отриманих на базових базах, колір виходить за рамки моделі HSB.
Модель Lab
Модель Lab заснована на наступних трьох параметрах: L- яскравість (Lightness) і два хроматичні компоненти - aі b. Параметр aзмінюється від темно-зеленого через сірий до пурпурового кольору. Параметр bмістить кольори від синього через сірий до жовтого (рис. 8). Обидва компоненти змінюються від -128 до 127, а параметр L— від 0 до 100. Нульове значення компонентів кольору при яскравості 50 відповідає сірому кольору. При значенні яскравості 100 виходить білий колір, 0 - чорний.
Поняття яскравості у моделях Lab та HSB нетотожні. Як і в RGB, змішання кольорів із шкал aі bдозволяє отримати більш яскраві кольори. Зменшити яскравість результуючого кольору можна за рахунок параметра L.
Відкрийте вікно вибору кольору у Photoshop, у полі яскравості Lвведіть значення 50 для параметра aвведіть найменше значення -128, а параметр bобнулить. В результаті ви отримаєте синьо-зелений колір (рис. 9). Тепер спробуйте збільшити значення параметра aна одиницю. Зверніть увагу: у жодній моделі числові значення не змінилися. Спробуйте, збільшуючи значення цього параметра, змінити в інших моделях. Швидше за все, у вас це вдасться зробити при значенні 121 (зелена складова RGB зменшиться на 1). Ця обставина підтверджує факт того, що модель Lab обільший колірний охоплення порівняно з моделями RGB, HSB і CMYK.
У моделі Lab яскравість повністю відокремлена від зображення, тому в деяких випадках цю модель зручно використовувати для перефарбування фрагментів та підвищення насиченості зображення, впливаючи лише на складові кольору. aі b. Також можливе регулювання контрасту, різкості та інших тонових характеристик зображення за рахунок зміни параметра яскравості L. Приклади корекції зображення моделі Lab наводилися в КомпьюАрт № 3"2012.
Колірне охоплення моделі Lab ширше, ніж у RGB, тому кожне повторне перетворення з однієї моделі в іншу практично безпечне. Більше того, можна перевести зображення в режим Lab, корекцію в ньому, а потім безболісно перевести результат назад в модель RGB.
Модель Lab апаратно незалежна, служить ядром системи управління кольором у графічному редакторі Photoshop і застосовується у прихованому вигляді при кожному перетворенні колірних моделей як проміжна. Її колірний діапазон покриває діапазони RGB та CMYK.
Індексовані кольори
Для публікації зображення в Інтернеті використовується не вся палітра кольорів, що складається з 16 млн кольорів, як в режимі RGB, а тільки 256 кольорів. Цей режим називається "Індексовані кольори" (Indexed Color). На роботу з такими зображеннями накладається низка обмежень. До них не можуть бути застосовані фільтри, деякі команди тонової та корекції кольорів, недоступні всі операції з шарами.
З зображенням, завантаженим з Інтернету (зазвичай у форматі GIF) часто виникає така ситуація. Намалювати в ньому щось вийде лише кольором, відмінним від обраного. Це пояснюється тим, що вибраний колір виходить за рамки палітри кольорів індексованого зображення, тобто цього кольору немає у файлі. В результаті відбувається заміна вибраного на палітрі кольору на найближчий схожий колір із колірної таблиці. Тому перед редагуванням такого зображення необхідно перевести його в модель RGB.
Статтю підготовлено за матеріалами книги Софії Скриліної «Photoshop CS6. Найнеобхідніше»: http://www.bhv.ru/books/book.php?id=190413.
Англійські слова r ed, g reen, b lue - червоний, зелений, синій) або КЗС- адитивна колірна модель, як правило, що описує спосіб кодування кольору для відтворення кольорів за допомогою трьох кольорів, які прийнято називати основними.
Вибір основних кольорів обумовлений особливостями фізіології сприйняття кольору сітківкою ока. Колірна модель RGB знайшла широке застосування у техніці.
Колірна модель RGB може використовувати різні базові кольори (у тому числі кольори, що не реалізуються фізично), різну колірну температуру для «білої точки», і різний показник гамма-корекції.
Числове уявлення
Для більшості додатків значення координат r, g і b можна вважати відрізку , що представляє простір RGB у вигляді куба 1×1×1.
У комп'ютерах представлення кожної з координат представляються як одного октету , значення якого позначаються зручності цілими числами від 0 до 255 включно, де 0 - мінімальна, а 255 - максимальна інтенсивність. У цьому випадку частіше використовується гамма-компенсований колірний простір sRGB, зазвичай з показником 1,8 (Mac) або 2,2 (PC).
Разом з тим, використовуються також 16-бітовий колір (з діапазонами 0...65535 або 0...32768, залежно від конкретної реалізації), а для зображень HDR - 32-бітовий колір (в цілих значення або в
- Переклад
Я збираюся зробити екскурс в історію науки про людське сприйняття, яка призвела до створення сучасних відеостандартів. Також я спробую пояснити термінологію, що часто використовується. Крім того, я коротко розповім, чому типовий процес створення гри з часом все більше і більше нагадуватиме процес, що використовується в кіноіндустрії.
Піонери досліджень кольоросприйняття
Сьогодні ми знаємо, що сітківка людського ока містить три різні типи фоторецепторних клітин, званих колбочками. Кожен із трьох типів колб містить білок із сімейства білків опсинів, який поглинає світло в різних частинах спектру:Поглинання світла опсинами
Колбочки відповідають червоній, зеленій та синій частинам спектру і часто називаються довгими (L), середніми (M) та короткими (S) відповідно до довжин хвиль, до яких вони найбільш чутливі.
Однією з перших наукових праць взаємодії світла і сітківки був трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Ісаака Ньютона, написаний між 1670-1675 гг. У Ньютона була теорія, що світло з різними довжинами хвиль призводило до резонансу сітківки з тими самими частотами; ці коливання потім передавалися через оптичний нерв «сенсоріум».
«Промені світла, падаючи на дно ока, збуджують коливання в сітківці, які поширюються волокнами оптичних нервів у мозок, створюючи почуття зору. Різні типи променів створюють коливання різної сили, які за своєю силою збуджують відчуття різних кольорів…»
Більш ніж через сотню років Томас Юнг дійшов висновку, що так як частота резонансу - це властивість, яка залежить від системи, то щоб поглинути світло всіх частот, у сітківці має бути безліч різних резонансних систем. Юнг вважав це малоймовірним, і розсудив, що кількість обмежена однією системою для червоного, жовтого та синього. Ці кольори традиційно використовувалися у субтрактивному змішуванні фарб. За його словами :
Оскільки з причин, вказаних Ньютоном, можливо, що рух сітківки має швидше коливальну, ніж хвильову природу, частота коливань повинна залежати від її речовини. Так як майже неможливо вважати, що кожна чутлива точка сітківки містить нескінченну кількість частинок, кожна з яких здатна коливатися в ідеальній згоді з будь-якою можливою хвилею, стає необхідним припустити, що кількість обмежена, наприклад, трьома основними кольорами: червоним, жовтим і синім.Припущення Юнга щодо сітківки було неправильним, але зробив правильний висновок: у вічі існує кінцева кількість типів клітин.
В 1850 Герман Гельмгольц першим отримав експериментальний доказ теорії Юнга. Гельмгольц попросив випробуваного зіставити кольори різних зразків джерел світла, регулюючи яскравість кількох монохромних джерел світла. Він дійшов висновку, що для зіставлення всіх зразків необхідно і достатньо трьох джерел світла: у червоній, зеленій та синій частині спектра.
Народження сучасної колориметрії
Перенесемося на початок 1930-х. На той час наукова спільнота мала досить гарне уявлення про внутрішню роботу ока. (Хоча знадобилося ще 20 років, щоб Джорджу Уолду вдалося експериментально підтвердити присутність і функції родопсинів у колбочках сітківки. Це відкриття привело його до Нобелівської премії з медицини в 1967 році.) Commission Internationale de L'Eclairage поставила завдання по створенню вичерпної кількісної оцінки сприйняття кольору людиною.Кількісна оцінка була заснована на експериментальних даних, зібраних Вільямом Девідом Райтом і Джоном Гілдом при параметрах, схожих з обраними вперше Германом Гельмгольцем. 1 нм для зеленого та 700 нм для червоного.Експериментальна установка Джона Гілда, три ручки регулюють основні кольори
Через значне накладання чутливості колб M і L неможливо було зіставити деякі довжини хвиль з синьо-зеленою частиною спектра. Для «порівняння» цих кольорів як точку відліку потрібно було додати трохи основного червоного кольору:
Якщо ми на мить уявімо, що всі основні кольори роблять негативний внесок, то рівняння можна переписати так:
Результатом експериментів стала таблиця RGB-тріад для кожної довжини хвилі, що відображалося на графіку таким чином:
Функції зіставлення кольорів RGB за CIE 1931
Зрозуміло, що кольори з негативним червоним компонентом неможливо відобразити за допомогою основних кольорів CIE.
Тепер ми можемо знайти трихромні коефіцієнти для світла розподілу спектральної інтенсивності S як такий внутрішній твір:
Здається, що чутливість до різних довжин хвиль можна проінтегрувати таким чином, але насправді вона залежить від фізичної чутливості ока, лінійної по відношенню до чутливості до довжин хвиль. Це було емпірично підтверджено в 1853 Германом Грассманом, і представлені вище інтеграли в сучасному формулюванні відомі нам як закон Грассмана.
Термін "колірний простір" виник тому, що основні кольори (червоний, зелений та синій) можна вважати базисом векторного простору. У цьому просторі різні кольори, що сприймаються людиною, представлені променями, що виходять із джерела. Сучасне визначення векторного простору введено в 1888 році Джузеппе Пеано, але більш ніж за 30 років до цього Джеймс Клерк Максвелл вже використовував теорію того, що пізніше стало лінійною алгеброю, для формального опису трихроматичної колірної системи.
CIE вирішила, що для спрощення обчислень зручніше працюватиме з колірним простором, в якій коефіцієнти основних кольорів завжди позитивні. Три нових основних кольори виражалися в координатах колірного простору RGB наступним чином:
Цей новий набір основних кольорів неможливо реалізувати у фізичному світі. Це просто математичний інструмент, що полегшує роботу з колірним простором. Крім того, щоб коефіцієнти основних кольорів завжди були позитивними, новий простір скомпонований таким чином, що коефіцієнт кольору Y відповідає яскравості, що сприймається. Цей компонент відомий як яскравість CIE(Докладніше про неї можна почитати в чудовій статті Color FAQ Чарльза Пойнтона (Charles Poynton)).
Щоб спростити візуалізацію підсумкового колірного простору, ми здійснимо останнє перетворення. Розділивши кожен компонент на суму компонентів ми отримаємо безрозмірну величину кольору, яка не залежить від його яскравості:
Координати x та y відомі як координати кольоровості, і разом з яскравістю Y CIE вони становлять колірний простір xyY CIE. Якщо ми розташуємо на графіку координати кольору всіх кольорів із заданою яскравістю, у нас вийде наступна діаграма, яка вам напевно знайома:
Діаграма xyY CIE 1931
І останнє, що потрібно дізнатися – що вважається білим кольором колірного простору. У такій системі відображення білий колір – це координати x та y кольору, які виходять, коли всі коефіцієнти основних кольорів RGB рівні між собою.
З часом з'явилося кілька нових колірних просторів, які в різних аспектах вносили поліпшення простору CIE 1931. Незважаючи на це, система xyY CIE залишається найпопулярнішим колірним простором, що описує властивості пристроїв відображення.
Передавальні функції
Перш ніж розглядати відеостандарти, необхідно запровадити та пояснити ще дві концепції.Оптико-електронна передатна функція
Оптико-електронна передатна функція (optical-electronic transfer function, OETF) визначає те, як лінійне світло, що фіксується пристроєм (камерою), повинен кодуватися в сигналі, тобто. це функція форми:Раніше V був аналоговим сигналом, але зараз, зрозуміло, має цифрове кодування. Зазвичай, розробники ігор рідко стикаються з OETF. Один із прикладів, в якому функція буде важливою: необхідність поєднання у грі відеозапису з комп'ютерною графікою. У цьому випадку необхідно знати, з якою OETF було записано відео, щоб відновити лінійне світло та правильно змішати його з комп'ютерним зображенням.
Електронно-оптична передатна функція
Електронно-оптична передатна функція (electronic-optical transfer, EOTF) виконує протилежне OETF завдання, тобто. вона визначає, як сигнал буде перетворено на лінійне світло:Ця функція більш важлива для розробників ігор, тому що вона визначає, як створений ними контент відображатиметься екранах телевізорів та моніторів користувачів.
Відношення між EOTF та OETF
Поняття EOTF і OETF хоч і взаємопов'язані, але служать різним цілям. OETF потрібна для представлення захопленої сцени, з якого ми потім можемо реконструювати вихідне лінійне освітлення (це представлення концептуально буфер кадру HDR (High Dynamic Range) звичайної гри). Що відбувається на етапах виробництва звичайного фільму:- Захоплення даних сцени
- Інвертування OETF для відновлення значень лінійного освітлення
- Корекція кольору
- Мастеринг під різні цільові формати (DCI-P3, Rec. 709, HDR10, Dolby Vision тощо):
- Зменшення динамічного діапазону матеріалу для відповідності динамічному діапазону цільового формату (тональна компресія)
- Перетворення на колірний простір цільового формату
- Інвертування EOTF для матеріалу (при використанні EOTF у пристрої відображення зображення відновлюється як потрібно).
До поточного моменту стандартний техпроцес гри виглядав наступним чином:
- Рендеринг
- Буфер кадру HDR
- Тональна корекція
- Інвертування EOTF для передбачуваного пристрою відображення (зазвичай sRGB)
- Корекція кольору
Стандартний робочий процес корекції кольору SDR (зображення належить Джонатану Блоу (Jonathan Blow))
Після впровадження HDR більшість ігор почала рухатися до техпроцесу, схожого на використовуваний у виробництві фільмів. Навіть за відсутності HDR схожий з кінематографічним техпроцесом дозволяв оптимізувати роботу. Виконання корекції кольору в HDR означає, що у вас є цілий динамічний діапазон сцени. Крім того, стають можливими деякі ефекти, які раніше були недоступними.
Тепер ми готові розглянути різні стандарти, які використовуються для опису форматів телевізорів.
Відеостандарти
Rec. 709
Більшість стандартів, що стосуються мовлення відеосигналів, випущено Міжнародним союзом електрозв'язку (International Telecommunication Union, ITU), органом ООН, який в основному займається інформаційними технологіями.Рекомендація ITU-R BT.709, яку найчастіше називають Rec. 709 – це стандарт, що описує властивості HDTV. Перша версія стандарту була випущена у 1990 році, остання – у червні 2015 року. У стандарті описуються такі параметри, як співвідношення сторін, роздільна здатність, частота кадрів. З цими характеристиками знайома більшість людей, тому я не розглядатиму їх і зосереджуся на розділах стандарту, що стосуються відтворення кольору та яскравості.
У стандарті детально описана кольоровість, обмежена колірним простором xyY CIE. Червоні, зелені та сині джерела освітлення відповідного стандарту дисплея повинні бути обрані таким чином, щоб їх окремі координати кольоровості були наступними:
Їхня відносна інтенсивність має бути налаштована таким чином, щоб біла точка мала кольоровість
(Ця біла точка також відома як CIE Standard Illuminant D65 та аналогічна захопленню координат кольоровості розподілу спектральної інтенсивності звичайного денного освітлення.)
Властивості кольоровості можна візуально подати так:
Охоплення Rec. 709
Область схеми кольоровості, обмежена трикутником, створеним основними кольорами заданої системи відображення, називається охопленням.
Тепер ми переходимо до частини стандарту, присвяченої яскравості, і тут стає дедалі складніше. У стандарті зазначено, що "Загальна оптико-електронна передавальна характеристика в джерелі"дорівнює:
Тут є дві проблеми:
- Немає специфікації про те, чому відповідає фізична яскравість L = 1
- Незважаючи на те, що це стандарт мовлення відео, в ньому не вказано EOTF
Де L = 1 відповідає яскравість приблизно 100 кд/м² (одиницю кд/м² у цій галузі називають «ніт»). Це підтверджується ITU в останніх версіях стандарту таким коментарем:
У стандартній виробничій практиці функція кодування джерел зображення регулюється таким чином, щоб кінцеве зображення мало необхідний вигляд, який відповідає видимому на еталонному моніторі. Як еталонна приймається функція декодування з Рекомендації ITU-R BT.1886. Еталонне середовище перегляду вказане у Рекомендації ITU-R BT.2035.Rec. 1886 – це результат робіт з документації характеристик ЕПТ-моніторів (стандарт опубліковано у 2011 році), тобто. є формалізацією існуючої практики.
Кладовище слонів ЕПТ
Нелінійність яскравості як функції напруги привела до того, як фізично влаштовані ЕПТ-монітори. За чистою випадковістю ця нелінійність (дуже) є інвертованою нелінійністю сприйняття яскравості людиною. Коли ми перейшли до цифрового представлення сигналів, це призвело до успішного ефекту рівномірного розподілу помилки дискретизації по всьому діапазону яскравості.
Rec. 709 розрахована на використання 8-бітного або 10-бітного кодування. У більшості контенту використовується 8-бітове кодування. Для нього у стандарті зазначено, що розподіл діапазону яскравості сигналу має розподілятися у кодах 16-235.
HDR10
Що стосується HDR-відео, то в ньому є два основні суперники: Dolby Vision та HDR10. У цій статті я зосереджуся на HDR10, тому що це відкритий стандарт, який швидше став популярним. Цей стандарт вибрано для Xbox One S та PS4.Ми знову почнемо з розгляду частини кольору колірного простору, що використовується в HDR10, визначеної в Рекомендації ITU-R BT.2020 (UHDTV). У ній вказані такі координати кольоровості основних кольорів:
І знову як біла точка використовується D65. Під час візуалізації на схемі xy Rec. 2020 виглядає так:
Охоплення Rec. 2020
Очевидно помітно, що охоплення цього кольору значно більше, ніж у Rec. 709.
Тепер ми переходимо до розділу стандарту про яскравість, і тут знову все стає цікавішим. У своїй кандидатській дисертації 1999 року “Contrast sensitivity of the human eye and its effect on image quality”(«Контрастна чутливість людського ока та її вплив на якість зображення») Пітер Бартен представив трохи лякаюче рівняння:
(Багато змінних цього рівняння власними силами є складними рівняннями, наприклад, яскравість ховається всередині рівнянь, що обчислюють E і M).
Рівняння визначає, наскільки чутливе око до зміни контрастності за різної яскравості, а різні параметри визначають умови перегляду та деякі властивості спостерігача. «Мінімальна різниця, що розрізняється»(Just Noticeable Difference, JND) зворотна рівняння Бартена, тому для дискретизації EOTF, щоб позбавитися прив'язки до умов перегляду, має бути вірно наступне:
Суспільство інженерів кіно та телебачення вирішило, що рівняння Бартена буде гарною основою для нової EOTF. Результатом стало те, що ми зараз називаємо SMPTE ST 2084 або Perceptual Quantizer (PQ).
PQ було створено вибором консервативних значень параметрів рівняння Бартена, тобто. очікуваних типових умов перегляду споживачем. Пізніше PQ був визначений як дискретизація, яка при заданому діапазоні яскравості та кількості семплів найточніше відповідає рівнянню Бартена з вибраними параметрами.
Дискретизовані значення EOTF можна знайти за допомогою наступної формули рекурентної знаходження k< 1 . Останнім значенням дискретизації буде необхідна максимальна яскравість:
Для максимальної яскравості 10 000 нит з використанням 12-бітної дискретизації (яка використовується в Dolby Vision) результат виглядає наступним чином:
EOTF PQ
Як можна побачити, дискретизація не займає весь діапазон яскравості.
У стандарті HDR10 також використовується EOTF PQ, але з 10-бітною дискретизацією. Цього недостатньо, щоб залишатися нижче порогу Бартена в діапазоні яскравості 10 000 ніт, але стандарт дозволяє вбудовувати сигнал метадані для динамічної регуляції пікової яскравості. Ось як 10-бітна дискретизація PQ виглядає для різних діапазонів яскравості:
Різні EOTF HDR10
Але навіть так яскравість трохи вища за поріг Бартена. Однак ситуація не настільки погана, як це може здатися з графіка, тому що:
- Крива логарифмічна, тому відносна похибка насправді не така велика
- Не слід забувати, що параметри, взяті для створення порога Бартена, вибрано консервативно.
Ось приклад того, як виглядає 8-бітова дискретизація Rec. 709 з піковою яскравістю 100 ниток:
EOTF Rec. 709 (16-235)
Як можна бачити, ми набагато вищі за поріг Бартена, і, що важливо, навіть найнерозбірливіші покупці будуть налаштовувати свої телевізори на значно більші 100 нит пікові яскравості (зазвичай на 250-400 нит), що підніме криву Rec. 709 ще вище.
На закінчення
Одна з найбільших відмінностей між Rec. 709 і HDR у цьому, що яскравість останнього вказується в абсолютних значеннях. Теоретично це означає, що контент, призначений для HDR, виглядатиме однаково на всіх сумісних телевізорах. Принаймні, до їхньої пікової яскравості.Існує популярна помилка, що HDR-контент загалом буде яскравішим, але в загальному випадку це не так. HDR-фільми найчастіше виготовлятимуться таким чином, щоб середній рівень яскравості зображення був тим самим, що й для Rec. 709, але так, щоб найяскравіші ділянки зображення були яскравішими і детальнішими, а отже, середні тони і тіні будуть темнішими. У поєднанні з абсолютними значеннями яскравості HDR це означає, що для оптимального перегляду HDR потрібні хороші умови: при яскравому освітленні зіниця звужується, а значить, деталі на темних ділянках зображення складніше розглянути.
Теги:
- rgb
- простору квітів
- color spaces
- стандарти відео
- hdr
- hdtv
Ми сприймаємо навколишній світ за допомогою різних факторів, один із яких – це колір. Відкриває людина очі і бачить різні кольори, а якщо потрібно про ці кольори розповісти іншій людині, то можна сказати щось на кшталт «штани у нього як стиглий лимон» або «очі у неї як ясне небо» і людині в принципі зрозуміло якого кольору штани і очі навіть якщо він їх не бачить.
Тобто передати інформацію про колір від людини людині, що ніякої праці не складає. А якщо колірною інформацією повинні оперувати не люди, а якісь технічні пристрої, тут варіант «очі як ясне небо» не піде. Потрібен якийсь інший опис кольору, зрозумілий цим пристроям (монітори, принтери, фотоапарати тощо). Саме для цього і потрібні колірні моделі.
Типи колірних моделей
Існує чимало колірних моделей, що найчастіше використовуються можна розділити на три групи:
- апаратно-залежні- колірні моделі даної групи описую колір стосовно конкретного, відтворюючого кольору пристрою (наприклад монітору), - RGB, CMYK
- апаратно-незалежні- ця група колірних моделей для того, щоб дати однозначну інформацію про колір - XYZ, Lab
- психологічніці моделі ґрунтуються на особливостях сприйняття людини. HSB, HSV, HSL
Розглянемо окремо деякі, часто використовувані, колірні моделі.
Ця колірна модель описує колір джерела світла (сюди можна віднести, наприклад, екран монітора або телевізора). З величезної безлічі кольорів, як основні (первинні) було виділено три кольори: червоний ( B ed), зелений ( G reen), синій ( B lue). Перші літери назв основних кольорів утворили назву колірної моделі RGB.
Коли змішуються два основних кольори, колір, що вийшов, освітлюється: червоний і зелений дають жовтий, зелений і синій дають блакитний, з синього і червоного вийде пурпуровий. Якщо змішати усі три основні кольори, утворюється білий. Такі кольори називаються адитивними.
Цю модель можна подати у вигляді тривимірної системи координат, де кожна відображає значення одного з основних кольорів у діапазоні від нуля до максимуму. Вийшов куб, всередині якого знаходяться всі кольори, що утворюють колірний простір RGB.
Важливі точки та лінії моделі RGB
- Початок координат: у цій точці значення всіх основних кольорів дорівнюють нулю, випромінювання відсутнє, тобто це - точка чорного кольору.
- У найближчій до глядача точці всі складові мають максимальне значення, тобто максимальне світіння - точка білого кольору.
- На лінії, що з'єднує ці точки (діагоналі куба), розташовані відтінки сірого кольору: від чорного до білого. Цей діапазон інакше називають сірою шкалою (Grayscale).
- Три вершини куба дають чисті вихідні кольори, інші три відбивають подвійні змішування вихідних кольорів.
Плюс цієї моделі полягає в тому, що вона описує всі 16 мільйонів кольорів, а мінус у тому, що при друку частина (найяскравіші та найсиченіші) цих кольорів загубиться.
Так як RGB апаратно-залежна модель, то одна і та ж картинка на різних моніторах може відрізнятися за кольором, наприклад тому, що екрани цих моніторів зроблені за різними технологіями або монітори по-різному налаштовані.
Якщо попередня модель описує кольори, що світяться, то CMYK навпаки, для опису кольорів відображених. Ще вони називаються субтрактивними («віднімальними»), тому що вони залишаються після віднімання основних адитивних. Так як кольорів для віднімання у нас три, то і основних субтрактивних кольорів теж буде три: блакитний ( C yan), пурпуровий ( M agenta), жовтий ( Y ellow).
Три основні кольори моделі CMYK називають поліграфічною тріадою. Друкуючи цими фарбами, відбувається поглинання червоної, зеленої та синьої складових. У зображенні CMYK кожен піксель має значення процентного вмісту тріадних фарб.
Коли змішуємо дві субтрактивні фарби, то результуючий колір затемняється, а якщо змішати три, то має вийти чорний колір. За нульового значення всіх фарб отримуємо білий колір. А коли значення всіх складових рівні – отримуємо сірий колір.
Насправді виходить, що якщо змішати три фарби при максимальних значеннях, замість глибокого чорного кольору у нас вийде швидше за брудний темно-коричневий. Це тому, що поліграфічні фарби не ідеальні і не можуть відобразити весь колірний діапазон.
Щоб компенсувати цю проблему до цієї тріади додали четверту фарбу чорного кольору, вона і додала останню букву в назві колірної моделі З - C yan (Блакитний), М - M agenta (Пурпурний), Y - Y ellow (Жовтий), До- blac K(Чорний). Всі фарби зазвичай позначаються початковою літерою назви, але чорну позначили останньою літерою, чому? .
Як і RGB, CMYK також модель апаратно-залежна. Залежить кінцевий результат від фарби, типу паперу, від друкарської машини, від особливостей технології друку. Тому те саме зображення в різних друкарнях може бути надрукованим по-різному.
Колірна модель HSB
Якщо вищезгадані моделі з'єднати в одну, то результат можна зобразити у вигляді колірного кола, де основні кольори моделей RGB і CMY розташовані в наступній залежності: кожен колір знаходиться навпроти комплементарного кольору, що його доповнює між кольорами, за допомогою яких він утворений.
Щоб підсилити якийсь колір, потрібно послабити колір навпроти (доповнюючий). Наприклад, щоб посилити жовтий, потрібно послабити синій.
Для опису кольору в даній моделі є три параметри H ue (відтінок) - показує положення кольору на колірному колі та позначається величиною кута від 0 до 360 градусів, S aturation (насиченість) – визначає чистоту кольору (зменшення насиченості схоже на додавання білого кольору у вихідний колір), B rightness (яскравість) – показує освітленість або затіненість кольору (зменшення яскравості схоже на додавання чорної фарби). Перші літери в назві цих параметрів і назвали колірної моделі.
Модель HSB добре узгоджується з людським сприйняттям: колірний тон – довжина хвилі світла, насиченість – інтенсивність хвилі, а яскравість – кількість світла.
Мінусом моделі HSB є необхідність конвертувати її в RGBдля відображення на екрані монітора або в CMYKдля друку.
Цю модель створила Міжнародна комісія з висвітлення для того, щоб уникнути недоліків попередніх моделей. Було необхідно створити апаратно незалежну модель визначення кольору незалежну від параметрів устройства.
У моделі Lab колір представлений трьома параметрами:
- L- Світлота
- a- Хроматичний компонент в діапазоні від зеленого до червоного
- b- Хроматичний компонент в діапазоні від синього до жовтого
При перекладі кольору з якоїсь моделі в Lab, всі кольори зберігаються, оскільки простір Lab найбільший. Тому цей простір використовують як посередника при конвертації кольору з однієї моделі в іншу.
Колірна модель Grayscale
Найпростіший і зрозуміліший простір використовується для відображення чорно-білого зображення. Колір у цій моделі описується лише одним параметром. Значення параметра може бути у градаціях (від 0 до 256) або у відсотках (від 0 до 100%). Мінімальне значення відповідає білому кольору, а максимальне – чорному.
Індексні кольори
Навряд чи додрукар доведеться працювати з індексними кольорами, але знати що це таке, не завадить.
Отже, колись давно, на зорі комп'ютерних технологій, комп'ютери могли відображати на екрані не більше 256 кольорів одночасно, а до цього 64 та 16 кольорів. Виходячи з таких умов, був придуманий індексний спосіб кодування кольору. Кожен колір, який міститься у зображенні, отримав порядковий номер, за допомогою цього номера описувався колір усіх пікселів, які мають відповідний колір. Але у різних зображення набори кольорів різні і тому довелося в кожній картинці зберігати свій набір кольорів (набір кольорів назвали - колірна таблиця).
Сучасні комп'ютери (навіть найпростіші) здатні відображати на екрані 16800000 кольорів, тому немає особливої необхідності у використанні індексних кольорів. Але з розвитком Інтернету ця модель знову використовується. Все тому, що такий файл може мати набагато менший розмір.
Навіщо потрібні різні колірні моделі і чому той самий колір може виглядати по-різному
Надаючи послуги дизайну як в області веб, так і в сфері поліграфії, ми нерідко стикаємося з питанням Клієнта: чому одні й ті ж фірмові кольори в дизайн-макеті сайту та в дизайн-макеті поліграфічної продукції виглядають по-різному? Відповідь це питання полягає у відмінностях колірних моделей: цифрової і поліграфічної.
Колір комп'ютерного екрана змінюється від чорного (відсутність кольору) до білого (максимальна яскравість усіх складових кольорів: червоного, зеленого та синього). На папері, навпаки, відсутності кольору відповідає білий, а змішання максимальної кількості фарб - темно-бурий, який сприймається як чорний.
Тому при підготовці до друку зображення має бути переведене з адитивної ("складової") моделі квітів RGBу субтрактивну ("віднімає") модель CMYK. Модель CMYK використовує протилежні вихідним кольорам - протилежний червоному блакитному, протилежний зеленому пурпуровий і протилежний синьому жовтий.
Цифрова колірна модель RGB
Що таке RGB?
Абревіатура RGB означає назви трьох кольорів, що використовуються для виведення на екран кольорового зображення: Red (червоний), Green (зелений), Blue (синій).
Як формується колір RGB?
Колір на екрані монітора формується при поєднанні променів трьох основних кольорів – червоного, зеленого та синього. Якщо інтенсивність кожного з них досягає 100%, виходить білий колір. Відсутність трьох кольорів дає чорний колір.
Таким чином, будь-який колір, який ми бачимо на екрані, можна описати трьома числами, що позначають яскравість червоної, зеленої та синьої колірних складових у цифровому діапазоні від 0 до 255. Графічні програми дозволяють комбінувати необхідний RGB-колір із 256 відтінків червоного, 256 відтінків зеленого та 256 відтінків синього. Разом виходить 256 х 256 х 256 = 16,7 мільйонів кольорів.
Де використовуються зображення в режимі RGB?
Зображення RGB використовуються для показу на екрані монітора. При створенні кольорів, призначених для перегляду в браузерах, як основа використовується та сама колірна модель RGB.
Поліграфічна колірна модель CMYK
Що таке CMYK?
Система CMYK створена та використовується для друкарського друку. Абревіатура CMYK означає назви основних фарб, що використовуються для чотириколірного друку: блакитний (Сyan), пурпуровий (Magenta) та жовтий (Yellow). Літерою К позначають чорну фарбу (BlacK), що дозволяє досягти насиченого чорного кольору під час друку. Використовується остання, а не перша буква слова, щоб не плутати Black та Blue.
Як формується колір CMYK?
Кожне з чисел, що визначає колір CMYK, являє собою відсоток фарби даного кольору, що становить колірну комбінацію. Наприклад, для отримання темно-жовтогарячого кольору слід змішати 30% блакитної фарби, 45% пурпурової фарби, 80% жовтої фарби та 5% чорної. Це можна позначити так: (30/45/80/5).
Де використовуються зображення в режимі CMYK?
Область застосування колірної моделі CMYK – повнокольоровий друк. Саме з цією моделлю працює більшість пристроїв друку. Через невідповідність колірних моделей часто виникає ситуація, коли колір, який потрібно надрукувати, не може бути відтворений за допомогою моделі CMYK (наприклад, золотий або срібний).
У цьому випадку застосовуються фарби Pantone (готові змішані фарби безлічі кольорів та відтінків), їх також називають плашковими (оскільки ці фарби не змішуються під час друку, а є криючими).
Усі файли, призначені для виведення в друкарні, мають бути конвертовані у CMYK. Цей процес називається кольороподілом. RGB охоплює більший діапазон кольорів, ніж CMYK, і це необхідно враховувати при створенні зображень, які згодом планується друкувати на принтері або в друкарні.
При перегляді CMYK-зображення на екрані монітора одні й самі кольори можуть сприйматися трохи інакше, ніж під час перегляду RGB-зображення. У моделі CMYK неможливо відобразити дуже яскраві кольори моделі RGB, модель RGB у свою чергу не здатна передати темні густі відтінки моделі CMYK, оскільки природа кольору різна.
Відображення кольору на екрані монітора часто змінюється і залежить від особливостей освітлення, температури монітора та кольору навколишніх предметів. Крім того, багато кольорів, видимих у реальному житті, не можуть бути виведені під час друку, не всі кольори, що відображаються на екрані, можуть бути надруковані, а деякі кольори друку не видно на екрані монітора.
Так, готуючи логотип компанії для публікації на сайті, ми використовуємо модель RGB. Підготовляючи той же логотип для друку в друкарні (наприклад, на візитівках або фірмових бланках), ми використовуємо CMYK-модель, і кольори цієї моделі візуально на екрані можуть трохи відрізнятися від тих, які ми бачимо в RGB. Не варто цього побоюватися: адже на папері кольори логотипу максимально відповідатимуть тим кольорам, які ми бачимо на екрані.
