Анализ цвета

Проблема описания цвета решается таким образом, что мы должны представлять себе цветовую информацию как некий цветовой, или, точнее, световой поток. В общем случае цвет — это совокупность разных световых волн с преобладанием определенных частот.

Строить описание цветовой информации на частотных характеристках — задача очень сложная и малотехнологичная. Поэтому выполняется принудительное разделение светового потока с помощью совокупности фильтров. Этот этап называется анализом цвета.

ЧАСТЬ VI.

ЦВЕТ И ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ

Глава 16. Анализ и синтез цвета Глава 17. Цветовые модели

Эта часть книги полностью посвящена цвету — самому сложному и загадочному явлению как подлунного мира, так и мира изобразительного искусства, а также технологий (кино, телевидения, видео и полиграфии).

Цвет — это объективно-субъективное явление, которое представляет наиболее сложную часть компьютерной графики.

В главе 16 рассматриваются два этапа кодирования цветовой информации: на этапе анализа происходит исключение собственно цветовой информации, а на этапе синтеза — воспроизведение кодовой информации другими средствами (например, светящимися точками экрана монитора, цветными каплями чернил в принтерах или цветными пятнами в полиграфическом производстве).

В главе 17 рассматриваются основные цветовые модели, используемые в компьютерных технологиях.

Цвет — сложное явление

Бежевые туфли и такого же цвета лиловые чулки.

Илья Ильф

Мир, окружающий человека, — это вселенная цвета. Цвет имеет не только информационную, но и эмоциональную составляющую. Человеческий глаз в сочетании с высокоорганизованным мозгом является очень тонким инструментом, который может воспринимать, различать и интерпретировать чрезвычайно тонкие оттенки цвета, но, к сожалению, ощущение цвета субъективно. Очень трудно пересказать другому человеку свое видение цвета, даже если это какой-нибудь известный или привычный цвет, скажем, цвет неба, цвет листвы или лепестков всеми любимых растений. Устоявшиеся в языке определения цвета типа "светло-серый", "темно-каштановый" и прочие у разных людей вызовут различные представления.

Длительное исследование проблем, связанных с областью цвета, привело к парадоксальным выводам: цвет — это не субстанция материи, а скорее особенность человеческого восприятия. Это означает, что цвет возникает только при определенных условиях: если имеется источник излучения — освещение, наличествует пигмент или краска у предмета и, что особенно важно, если присутствует наблюдатель. Совершенно естественно, что цвету уделяют внимание многие науки.

Физика

Для физики нет различия между понятиями "свет" и "цвет". Все, что относится к свету, равным образом характеризует и цвет.

Физиология

Из вышесказанного можно сделать вывод, что цвет в отсутствие человека не существует в природе. Такую проблему (и не только в отношении цвета) уже много веков обсуждают философы. Вопрос об объективности цвета, безусловно, вызывает интерес, но можно остановиться на таком решении этой проблемы. В природе цвета действительно нет, но поскольку источник энергии излучения расположен вне человека, то световой поток для человека объективен (не зависит от него), хотя восприятие субъективно (зависит от конкретного человека).

Фундамент органов зрения — сетка чувствительных рецепторов, которые реагируют на разные длины волн и посылают в мозг комбинации электрических сигналов. Эти сигналы и формируют то ощущение, которое мы называем "цветом" — зрительное восприятие света и цвета.

Рецепторы, которые называются "палочками", ориентированы только на восприятие яркостных характеристик. Можно сказать, что они создают изображение в режиме "серая шкала" (grayscale). Эти репепторы довольно чувствительны и позволяют воспринимать зрительную информацию при недостаточном освещении (в сумерках).

И второй тип рецепторов, которые называются "колбочки", отвечает за цветовое восприятие. Но поскольку цвет нельзя воспринимать непосредственно, то эти "колбочки" бывают трех видов, каждый из которых ориентирован только на свой цветовой диапазон: красный, зеленый или синий. По степени возбуждения каждого вида рецепторов мозг "судит" об интенсивности светового потока в каждом из цветовых диапазонов и формирует ощущение определенного цвета.

Сложность цвета основана на том,

Глава 16.

Анализ и синтез цвета

Сложность цвета основана на том, что подавляющее большинство цветов, воспринимаемых человеком, — это субъективное ("кажущееся") явление. В данной главе рассматриваются принципы, которые позволяют решить проблемы репродуцирования техническими системами цветных изображений.

Человек воспринимает мир цветным, однако цвет — не только физическое, но в значительной степени психофизиологическое явление, поскольку физика оперирует отдельными волнами, а физиология — совокупностями волн, воспринимаемых человеком субъективно, в форме сложных цветовых ощущений (перцепций).

Не существует устройств, которые бы регистрировали цвет так, как его воспринимает человек. Устройства способны регистрировать только уровни яркости, поэтому первым этапом работы с цветом является анализ цвета — исключение собственно цветовой информации в результате пропускания цветового потока через цветные фильтры (красный, зеленый и синий). Яр-костная информация за каждым фильтром фиксирует вклад каждой составляющей в цветное изображение.

Для восстановления цветовой информации яркостные данные используют в процессе синтеза для управления степенью свечения источники излучения основных цветов (например, на экране монитора, хотя это не единственный способ синтеза цвета).

Анализ и синтез цвета

ЧАСТЬ VI ЦВЕТ и ЦВЕТОВЫЕ МОДЕЛИ Глава 16 Анализ и синтез цвета Цвет — сложное явление Физика Физиология Анализ цвета Синтез цвета

Определение

Свет с точки зрения физики представляет собой фундаментальное природное явление (не забудем, что мировой константой является скорость света в вакууме), которое вызывается электромагнитными колебаниями. Диапазон волн занимает довольно незначительное место в общей шкале электромагнитных колебаний, а именно так называемую "видимую часть".

Световые волны образуются в результате нагревания (например, металлическая спираль электрической лампочки) или химической реакции (например, реакции горения). Образовавшиеся потоки световых волн, отражаясь от других объектов, которые сами не "светятся", обеспечивают зрительное восприятие этих объектов. Следует обратить внимание на это разделение, поскольку в дальнейшем это послужит основанием для создания разных цветовых моделей.

Информацию о цветовых моделях, которые используются в компьютерных технологиях графики и полиграфии, см. в главе 17 данной части.

Любые колебания, в том числе и световые, характеризуются длиной волны — расстоянием между двумя соседними гребнями. И этот диапазон чрезвычайно узок: примерно от 400 до 700 нанометров (нм) (табл. 16.1).

Таблица 16.1. Длины волн диапазонов цветов


	Цветовой диапазон	Длина волны (нанометры, нм, nm)
	Красные	650-700
	Оранжевые	600-649
	Желтые	550-599
	Зеленые	500-549
	Синие	450-499
	Фиолетовые	400-450

Цветовые каналы сканированного изображения

Рис. 16.1. Цветовые каналы сканированного изображения

Цветовые каналы в виде отдельных документов

Рис. 16.2. Цветовые каналы в виде отдельных документов

Синтез цвета

А любовь, она и есть

Только то — что кажется!

Михаил Танич

При сохранении полноцветного изображения цветовые каналы составляют один документ. Можно было до этого момента и не знать, что в любом таком изображении, как минимум, три условно цветовых канала.

Но эти каналы являются цифровыми, поэтому невидимыми. Для того чтобы визуализировать их, необходимо обратиться к этапу синтеза цвета.

Справка

Нанометр (нм, nm) — это одна миллионная часть миллиметра, или одна миллиардная часть метра, а диапазон длин волн света составляет всего около 300 единиц. (Для сравнения: весь известный диапазон электромагнитных колебаний простирается от 104 метров (десять в четвертой степени, т. е. 10 километров) до 10-14 метров (десять в минус четырнадцатой степени, это такая малая доля метра, что даже трудно определить словами).

Спектр видимых волн мы можем видеть после дождя в радуге или в физической лаборатории, пропустив тонкий луч белого света через треугольную призму (знаменитые опыты английского физика Исаака Ньютона).

В цветовой спектр входят следующие основные диапазоны длин волн: красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые. Для того чтобы запомнить эту последовательность, русским школьникам предлагается следующая фраза "Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан".

Английские школьники запоминают по первым буквам ROY G BIV используют фразы Read Out Your Good Book In Verse ("Читать вслух свои хорошие книги в стихах") и Richard Of York Gave Battle In Vain ("Ричард из Йорка дал битву напрасно") для порядка цветов Red, Orange, Yellow, Green, Blue, Indigo и Violet.

Световые волны, которые падают на поверхность любых объектов, изменяются в силу характера этой поверхности: часть световых волн определенной длины поверхность поглощает, оставшаяся часть световых волн отражается. Таким образом, поверхность изменяет .состав длин волн, достигающих органов зрения наблюдателя. У наблюдателя возникает ощущение "цвета объекта".

Состав длин волн можно измерить и представить в виде спектральных данных, понимаемых как процентное содержание каждой из длин, попадающей в орган зрения или датчик прибора (спектрофотометра). Спектрофотометр анализирует цвет с шагом порядка 10 нм и в каждой точке устанавливает степень интенсивности отражения (пропускания).

Такая спектральная характеристика отображается с помощью спектральной кривой, которая напоминает гистограмму: по оси х — длины волн (диапазон от 400 до 700 нм), а по оси у — интенсивность их отражения (или пропускания для прозрачных оригиналов).

Информацию о гистограмме см. в части VII.

Спектральная характеристика представляет собой самое полное и самое объективное описание цвета, но ее составление сопряжено с огромными трудностями и колоссальными временными и материальными издержками. Выполнять измерение цвета таким способом в массовом производстве и массовых технологиях (например, в сканировании или цифровой фотосъемке) пока не представляется возможным.

Справка

Слово "анализ" восходит к греческому слову "analysis", что переводится как "разложение", оно применяется практически во всех областях науки и означает "разделение (мысленное или реальное) объекта на составные элементы".

Стоит снова вспомнить принудительную дискретизацию, о которой речь шла в частях II u III.

Задача этого этапа — избавиться от цвета и перейти к такой форме, которую легко регистрировать, а именно к яркости.

Справка

Слово "синтез" происходит от греческого слова "synthesis", что означает "соединение". Действительно, синтез— это соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (например, систему). Синтез неразрывно связан с анализом, который и обеспечивает разделение цельного объекта на элементы.

На этапе анализа мы оперировали устройствами ввода информации, а теперь следует перейти к устройствам вывода, которые позволяют синтезировать цвет из тех данных, которые были сохранены на этапе анализа. Среди выводных устройств наиболее показательно устройство, которое мы каждый день используем — это монитор. На примере монитора можно рассмотреть, каким же образом происходит синтез цвета.

Каждый пиксел монитора, т. е. каждый элемент сетки монитора, состоит из трех более мелких элементов, которые представляют собой капли люминофора красного, зеленого и синего цветов.

Справка

Слово "люминофор" происходит от латинского слова "lumen", что означает "свет" и от греческого слова "phoros", что означает "несущий". Люминофор — это органические и неорганические вещества, способные светиться (люми-несцировать) под действием внешних факторов, например при облучении потоком электронов в электронно-лучевой трубке.

Цветной кинескоп содержит три электронных пушки, которые излучают потоки электронов и порознь возбуждают соответствующие люминофоры. И вот в зависимости от того, насколько велика энергия, настолько ярко светятся капли люминофора в каждом пикселе. Таким образом, каждый поток электронов создает на экране одноцветное (монохромное) изображение, красное, зеленое и синее изображения). В результате три монохромных изображения, сливаясь оптически, в совокупности формируют впечатление полноцветного изображения. Это означает, что реально на экране представлены оттенки только трех цветов, а многообразие различных цветов зрителю только кажется.

Важная мысль

Не существует технических устройств, которые бы позволяли измерять цвет непосредственно. Все технические системы описания и воспроизведения цвета обеспечивают работу с помощью опосредованных операций: анализа и синтеза цвета.

Важная мысль

Для того чтобы описать цветовую информацию, необходимо прежде всего избавиться от цвета, т. е. преобразовать его в такую форму, которая позволяет осуществлять непосредственное измерение, а именно в форму яркостных характеристик. Другого способа пока не придумано.

Каждый из используемых фильтров создает после себя однородный цветовой поток, т. е. по сути тоновое изображение, которое достаточно легко фиксировать и кодировать — преобразовывать в цифровую форму. Фильтры необходимы для того, чтобы получить возможность фиксировать значения тона. Цвет измерить нельзя, зато можно измерить яркость (освещенность или в нашем понимании это — тон).

Важная мысль

Цветовые каналы в градациях серого необходимы для того, чтобы на этапе анализа избавиться от цвета и представить его в яркостных характеристиках.

Существует теория, согласно которой органы

Существует теория, согласно которой органы зрения "отправляют" в мозговые центры зрения не импульсы, описывающие уровни яркости серого, красного, зеленого и синего, а разность светлого и темного, зеленого и красного, синего и желтого.

Если переходить к техническому репродуцированию цвета, нельзя световой поток, как какую-нибудь веревочку, распустить на ниточки и каждую ниточку независимо измерить или взвесить.

Ни одна машина не знает,

Ни одна машина не знает, что такое цвет. Ни один сканер, ни одна кинокамера, ни одна видеокамера, ни один цифровой фотоаппарат. Никакое оптическое устройство — нет такого устройства, включая глаза человека, которое "понимало" бы цвет. Человек воспринимает цвет только мозгом.

Осталось выяснить: сколько и каких фильтров достаточно для анализа цветовой информации. В самом общем случае ответ может быть таким: сколько угодно и каких угодно. В этом случае мы сможем бесконечно расширить цветовой диапазон и приблизиться к окружающей объективной реальности.

Но с практической точки зрения следует учесть, что это невозможно и придется искать минимальные значения.

Тем более что у этой проблемы уже есть решение, подсказанное природой: достаточно всего трех фильтров (красного, зеленого и синего цветов). Такие фильтры используются во всех системах, работающих с цветом. Причем, стоит обратить внимание, что фильтры в данном случае — самые обычные, т. е. материальные (для них применяются пленки или стекло).

Что же мы получим за каждым из этих фильтров?

Световой поток дублируется на три идентичных, которые проходят через три разных фильтра, а за каждым фильтром располагается устройство, фиксирующее яркость элемента дискретизации.

В данном случае речь идет

В данном случае речь идет об однопроходных сканерах, хотя конструктивно возможен трехпроходный вариант, но разработчики отказались от него по причине чрезвычайной медлительности.
В результате получаются три изображения в градациях серого (grayscale). Причем для полноцветных оригиналов все три изображения будут разными с точки зрения распределения тонов. Полученные изображения сохраняются в одном файле в форме так называемых цветовых каналов (color channels) (рис. 16.1).

Поскольку это независимые изображения, они могут быть свободно представлены в виде отдельных документов (рис. 16.2).

с этим связаны параметры разрешения.

Часто спрашивают, как с этим связаны параметры разрешения. В данном случае, разумеется, разрешение никакого отношения к этому процессу не имеет. Каждое изображение в градациях серого, входящее в цветной документ, имеет одно и то же разрешение.

Если графическое изображение сканируется в полноцветном режиме, каждый пиксел представляет из себя значение трех уровней серого, это означает, что единого цифрового цветного изображения не существует, а имеются три отдельных "серых картинки", каждая из которых отображает тоновый диапазон от 0 до 255.

это не единственный способ синтеза

Экран монитора — это не единственный способ синтеза цвета. Другим способом является печать изображения. Диапазон этого способа очень широк: от печати на простейших струйных принтерах до высококачественного полиграфического исполнения. Переход к другому способу визуализации требует использования других цветовых моделей, что, безусловно, не проходит без проблем и искажений.

Информацию о цветовых моделях см. в главе 17.

Резюме

Цвет — субъективная субстанция, суть которой в том, что восприятие цвета строится на ощущении того, чего в природе возможно и не существует. Пример — созвездия. С нашей земной точки зрения звезды соединены в некие воспринимаемые нами сочетания, хотя на самом деле между этими звездами нет никакой связи.
Цвет — объективная субстанция, поскольку физические причины, вызывающие ощущение цвета, существуют вне человека. И даже если они вызывают неодинаковые ощущения, то все равно световое излучение при всей необходимости активного поведения органов зрения воздействует извне.
Сначала на этапе анализа цветовая информация с помощью фильтров преобразуется в яркостную (техническая система избавляется от цвета как такового, иначе нет возможности его зафиксировать). Полученная яркостная информация реализуется в виде так называемых цветовых каналов (на самом деле — серых) в пиксельных изображениях.
Визуализация цвета происходит на этапе синтеза, когда фиксированная яркостная картина используется как регулятор степени вклада каждой цветовой составляющей в общем цветном изображении. Очень важно отметить, что синтез цвета осуществляется совсем другими средствами, например свечением капель люминофора или отражением цветных пятен на бумаге. Это делает принципиально невозможным абсолютно точное воспроизведение исходной цветовой информации.
Информация о цвете реализуется в форме различных моделей, отображающих те или иные аспекты такого сложного явления, как цвет. В следующей главе рассматриваются основные цветовые модели, которые нашли широкое применение в компьютерных технологиях.