Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
PAGE 16
Лекция 1 в. Базовые основы цветового восприятия
В случае ввода – вывода цветных изображений возникает проблема адекватного их описания, для того, что бы зрительное восприятие реального цветного объекта соответствовало его цветному изображению при выводе на печать.
Далее мы рассмотрим, как решается эта проблема, но вначале напомним базовые физические основы восприятия и описания цветов.
Доказано, что 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, при этом, ощущение цвета субъективно.
Очень трудно пересказать другому человеку свое видение цвета, даже если это какой-нибудь известный или привычный цвет, например, цвет неба или листвы. Устоявшиеся в языке определения цвета типа "светло-серый", "темно-каштановый" и прочие у разных людей вызовут различные представления.
Длительное исследование проблем, связанных с понятием 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.
Физические аспекты
Для физики нет различия между понятиями "свет" и "цвет". Все, что относится к свету, равным образом характеризует и цвет.
Свет с точки зрения физики представляет собой фундаментальное природное явление (одной из мировых констант является скорость света в вакууме). Это природное явление 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.
Любые колебания, в том числе и световые, характеризуются длиной волны — расстоянием между двумя соседними гребнями синусоиды. И этот диапазон чрезвычайно узок: примерно от 400 до 700 нанометров (нм) (см. таблицу).
Таблица. 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 |
||
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. Спектр видимых волн можно наблюдать после дождя в радуге или в физической лаборатории, пропустив тонкий луч белого света через треугольную призму (знаменитые опыты 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, вспомним поговорку: "Каждый Охотник. Желает Знать, Где Сидит Фазан".
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".
Физиологические аспекты
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, с философской точки зрения – открыт.
В настоящее время общепринятым считается подход «с позиций здравого смысла», а именно. 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 рецепторы довольно чувствительны и позволяют воспринимать зрительную информацию при недостаточном освещении (в сумерках) (рис. 1).
Рис. 1. Относительное восприятие интенсивности света палочками
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 (рис. 2).
Рис. 2. Относительная чувствительность колбочек
Анализ цвета
Для описания цвета, необходимо представить цветовую информацию как некий световой поток. В общем случае цвет — это совокупность разных световых волн с преобладанием определенных частот.
Для анализа спектральной составляющей светового потока используются автоматизированные спектрографические системы.
Пример такой системы приведен на фотографиях.
На фотографии: большой и угловатый чёрный ящик – это монохроматор Solar TII MS3504i, слева виден его входной порт, напротив которого закреплён световод с оптической системой, справа виден оранжевый цилиндр фотодатчика, закреплённого на выходном порту монохроматора; сверху стоит источник питания системы.
На фотографии: оптическая система, к которой подключается второй конец световода.
На фотографии: расположение оптической системы перед монитором. Управление осуществляется компьютером.
Строить описание цветовой информации на частотных характеристиках — задача очень сложная с практической точки зрения. Поэтому выполняется принудительное разделение светового потока с помощью совокупности фильтров. Этот этап называется анализом цвета.
Для того чтобы описать цветовую информацию, необходимо преобразовать его в такую форму, которая позволяет осуществлять непосредственное измерение, а именно в форму яркостных характеристик. Для этого используются фильтры.
Каждый из фильтров создает после себя однородный цветовой поток, т. е. по сути, тоновое изображение, которое достаточно легко фиксировать и кодировать — преобразовывать в цифровую форму. Практика показала, что достаточно всего трех фильтров (красного, зеленого и синего цветов). Вспомним рецепторы «колбочки».
Световой поток дублируется на три идентичных, которые проходят через три разных фильтра, а за каждым фильтром располагается устройство, фиксирующее яркость элемента дискретизации.
Цветовые модели
С физической точки зрения цвет — это набор определённых длин волн, отражённых от предмета или пропущенных сквозь прозрачный предмет. С развитием компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного — голубой. Таким образом, путём смешения из небольшого количества простых цветов, можно получить множество сложных (составных). Поэтому для описания цвета используется подход — разложение его на простые составляющие.
Теоретические проблемы, затронутые выше, в настоящее время решены в определенной степени тем, что в компьютерных технологиях используется цветовые модели.
Цветовая модель (или цветовое пространство) — это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. В этом случае не только становится возможным сравнивать отдельные цвета и их оттенки между собой, но и использовать их в цифровых технологиях.
В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. Таким образом, цветовая модель — это геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.
Однако цвет, как сложное физическое и психофизиологическое явление, не укладывается в единственную и простую модель, поэтому создано несколько моделей, исходя из разных практических требований. В цифровых технологиях используются, в основном две модели: RGB, CMYK.
Цветовая модель RGB
Множество цветов видны за счет излучения света определенных длин волн. К излучаемым цветам относятся белый свет, цвета на экране телевизора, монитора, кино, проектора и т. д. Цветов огромное количество, но из них выделено только три, которые считаются основными (первичными): это — красный, зеленый и синий (рис. 3).
Рис. 3 . Цветовая модель RGB
Перечисленные цвета совпадают с теми цветами, которые упоминались при обсуждении основ физиологии зрения.
При смешении двух основных цветов результат осветляется: из смешения красного и зеленого получается желтый, из смешения зеленого и синего — голубой, синий и красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, образуется белый цвет. Поэтому такие цвета называются аддитивными.
Модель, которую мы рассматриваем, называется RGB по первым буквам английских слов Red (Красный), Green (Зеленый) и Blue (Синий).
Поскольку в модели используется три независимых значения, ее можно представить в виде трехмерной системы координат.
Каждая координата отражает вклад одной из составляющих в результирующий цвет.
В результате получается некий куб, внутри которого и "находятся" все цвета, образуя цветовое пространство модели RGB. Любой цвет, который можно выразить в цифровом виде, входит в пределы этого пространства (рис. 4).
Рис. 4. Цветовой куб
Объем такого куба (количество цифровых цветов) легко рассчитать: поскольку на каждой оси можно отложить 256 значений, то 256 в кубе (или 2 в двадцать четвертой степени) дает число 16 777 216.
Это означает, что в цветовой модели RGB можно описать более 16 миллионов цветов, но использование цветовой модели RGB вовсе не гарантирует,
что такое количество цветов может быть обеспечено на экране или на оттисках. В определенном смысле это число — скорее предельная (потенциальная) возможность.
Замечание
Следует отметить, что у аддитивной модели синтеза цвета существуют ограничения. В частности, не удается с помощью физически реализуемых источников основных цветов получить голубой цвет (как в теории — путем смешения синей и зеленой составляющих), на экране монитора он создается с некоторыми техническими ухищрениями. Кроме того, любой получаемый цвет находится в сильной зависимости от вида и состояния применяемых источников. Одинаковые числовые параметры цвета на различных экранах будут выглядеть по-разному. И, по сути дела, модель RGB — это цветовое пространство какого-то конкретного устройства, например сканера или монитора.
Цветовая модель CMYK
К отражаемым цветам относятся цвета, которые сами не излучают, а используют белый свет, вычитая из него определенные цвета. Такие цвета называются субтрактивными ("вычитательными"), поскольку они остаются после вычитания основных аддитивных.
Основных субтрактивных цветов будет три: голубой, пурпурный, желтый (рис. 5).
Рис. 5. Цветовая модель CMYK
Перечисленные цвета составляют так называемую полиграфическую триаду. Эти цвета поглощают красную, зеленую и синюю составляющие белого цвета. При этом большая часть видимого цветового спектра может быть репродуцирована на бумаге. Каждому пикселю в CMYK-изображении присваиваются значения, определяющие процентное содержание триадных красок.
При смешениях двух субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется, а при смешении всех трех должен получиться черный цвет. При полном отсутствии краски остается белый цвет.
Следует отметить, что существует проблема, именуемая "баланс по серому цвету" (невозможно создать нейтральный серый, используя равные площади голубой, пурпурной и желтой растровой точки).
Для компенсации этих и других недостатков в число основных красок была добавлена черная краска (она позволяет получить чистый насыщенный черный цвет и нейтральные тона).
Именно эта краска добавила последнюю букву в название модели CMYK.
С — это Cyan (голубой), М — это Magenta (пурпурный), Y - Yellow (желтый), К — это BlacK (Черный), т. е. от слова взята не первая, а последняя буква. По другой версии: буква «К» — это сокращение от слова Key ("ключевой", "основной", "контурный"), поскольку черный цвет играет основную роль в обеспечении резкости печати.
Замечание
Пурпурный цвет, по утверждениям физиков, отсутствует в солнечном свете, а предстает в природе только в форме пигментов, например красок, которые поглощают зеленые оттенки, но отражают синие и красные.
Модели RGB и CMYK, хотя и связаны друг с другом, однако их взаимные переходы друг в друга (конвертирование) никогда не происходят без потерь. И речь идет лишь о том, чтобы уменьшить потери до приемлемого уровня. Это вызывает необходимость очень сложных калибровок всех аппаратных частей, составляющих работу с цветом, — сканера, монитора (по нему судят о цвете и корректируют его), принтера. Процесс калибровки буде рассмотрен позднее.
Цветовой охват
Цвет может быть представлен в природе, на экране монитора, на бумаге. Во всех случаях возможный диапазон цветов, или цветовой охват, будет разным.
Самым широким он будет, естественно, в природе, в этом случае он ограничивается только возможностями нормального человеческого зрения (например, человек совсем не воспринимает инфракрасного излучения без специальных устройств).
Часть из того, что существует в природе, может передать монитор. На экране нельзя точно передать, например, чистые голубой и желтый цвета.
Часть из того, что показывает монитор, можно напечатать на принтере, при этом совсем не передаются цвета, составляющие, которых имеют очень низкую плотность.
Итак, что же означает термин «цветовой охват»?
Как показали эксперименты, проведённые ещё в начале прошлого века, обработка информации нашим глазом и нашим мозгом не однозначна, и полностью описать человеческое зрение в RGB-системе невозможно – на самом деле кривые спектральной чувствительности разных типов колбочек существенно сложнее.
В результате экспериментов была создана система, описывающая весь диапазон цветов, воспринимаемых нашим глазом. Её графическое отображение получило название CIE-диаграммы
(рис. 6).
CIE – латинская аббревиатура названия организации «Международная комиссия по освещению» (Committee International of Elucidation), утверждающей международные стандарты в области освещения.
Вернемся к рисунку.
Внутри закрашенной области находятся все цвета, воспринимаемые нашим глазом.
Контур этой области соответствует чистым, монохроматическим цветам, а внутренняя область – соответственно, немонохроматическим, вплоть до белого цвета (он отмечен белой точкой).
На CIE-диаграмме, в качестве точки белого, обычно отмечают так называемую "точку плоского спектра", имеющую координаты x=y=1/3.
С помощью CIE-диаграммы, любой цвет, воспринимаемый человеческим глазом, может быть определен с помощью двух координат по осям диаграммы (x и y).
Рис. 6. CIE диаграмма
Как определить цветовую область данного устройства?
Для этого необходимо пометить на CIE-диаграмме точки цветов, которые генерируют составляющие источники, например точки красного, зеленого и синего цветов конкретного цветного монитора, а затем соединить их прямыми линиями. В результате полученный треугольник отразит только те цвета, которые в состоянии генерировать данное устройство. Именно этот треугольник и называется "цветовой охват" данного устройства.
Максимально возможный цветовой охват для системы с тремя базовыми цветами даёт так называемый (гипотетический) «лазерный дисплей» (большой треугольник на рисунке), базовые цвета в котором формируются тремя лазерами, красного, зелёного и синего цветов.
Лазер имеет очень узкий спектр излучения, лучи монохромны, поэтому координаты соответствующих базовых цветов будут лежать, на границе диаграммы.
Как видно из рисунка, даже лазерный (идеальный) дисплей не способен воспроизвести все цвета, какие видит человеческий глаз, хотя и достаточно близок к этому. Маленький треугольник соответствует реальному монитору.
Управление цветом
Представим, для примера, структуру RGB-фотографии струйного принтера. Это решётка из цветных точек, каждая из которых имеет значения Red, Green и Blue от 0 до 255. Например, R0,G0,B0 – это чёрный, а R255,G0,B0 – это красный. Но какой именно это чёрный и какой именно красный?
Если поместить рядом два любых, взятых случайным образом, черных предмета, их чёрный цвет будет разным.
Если сравнить красный цвет, который может показать монитор с каплей красных чернил из картриджа принтера, то они тоже будут разные.
Можно подмешать в эту каплю жёлтого цвета, ведь, строго говоря, чернила в картридже не красные, а малиновые, но всё равно они будут разные.
И даже если сделать поправку на то, что монитор светится, а бумага отражает свет, то и тут они одинаковыми не станут.
Два разных монитора одной и той же модели при одинаково выставленных в меню настройках могут давать различную картинку.
Разная, так же бумага, условия освещения.
Следовательно, необходимо какое-то «промежуточное звено» между красной точкой R255,G0,B0 и системой, которая рисует этот цвет на мониторе и печатает на принтере, потому что просто этих трёх чисел для корректного воспроизведения цвета недостаточно.
Это должно быть «промежуточное звено», которое, например, подсказывает системе, какие изменения необходимо сделать при просмотре или печати фото, для того чтобы соблюсти адекватность. Причём, каждый раз вносить эти изменения в саму фотографию, крайне неудобно. Следовательно, нужен не связанный с конкретными фотографиями «движок» и описания устройств, такие, чтобы можно было ими оперировать.
В качестве таких описаний выступают профили устройств (что это такое и как их построить будет рассмотрено позднее), а «движка» - система управления цветом, которая профили использует. В Windows (версии до Vista) система называется ICM, а в Vista называется WCS и нужна для автоматической подстройки цвета между устройствами (мониторами, принтерами, сканерами и цифровыми камерами). Иными словами система обеспечивает единое цветовое пространство для принтера, монитора, сканера и других устройств.
Принцип работы показан на рис 7.
Рис. 7. Принцип работы системы управления цветом
Разные профили мониторов компенсируют разницу цветов мониторов, и мы видим один и тот же цвет.
Профиль цифровой камеры описывает, как именно она регистрирует цвет, так что мы можем учитывать это при просмотре и печати.
Профиль принтера позволяет достаточно точно воспроизвести фотографию на подходящей бумаге.
|
Рис. 8. Колориметр X - rite |
Таким образом, для точного воспроизведения цвета, необходимо построить профили устройств.
Мониторы калибруют и профилируют при помощи колориметра, который вешается на экран на шнуре и считывает цвет множества цветных квадратов, чёрных квадратов и белых квадратов (рис. 8).
Другой конец шнура подключен к порту компьютера, например к USB, и колориметр передаёт программе данные о цвете.
Программа, «зная», что она выдала на экран и что «увидел» колориметр, определяет, какое искажение даёт монитор.
Это позволяет регулировать яркость, контрастность и цветовую температуру кнопками на мониторе, т.е. выполнить калибровку.
Это также позволяет построить профиль, который компенсирует искажение (профилирование). Делать нужно и калибровку, и профилирование, если монитор это позволяет.
|
Рис. 9. Тестовая шкала для построения профиля сканера |
Чтобы профилировать сканер, с его помощью сканируют тестовое изображение (рис. 9), а потом программа подгружает в себя эталонный вариант такого же изображения, анализирует разницу и строит профиль.
|
Рис. 10. Построение профиля принтера |
Цветные принтеры профилируют, печатая на них специальные шкалы из тех же квадратиков, а потом прикасаясь к ним поочередно спектрофотометром (рис. 10). Например, программа запрашивает квадрат 10, оператор прикасается спектрофотометром, программа получает значение и, «помня», какого цвета изначально предполагался квадрат 10, определяет, какое искажение вносит принтер. Шаблоны для профилирования показаны на рис. 11.
|
Рис. 11. Шаблоны для профилирования |
Цветопередача: цветовая температура
И наконец, параметр «цветовая температура».
Нужный белый цвет принято обозначать через понятие "цветовая температура" – это температура, до которой надо нагреть абсолютно чёрное тело, чтобы испускаемый им свет выглядел нужным образом.
Понятие "белый цвет" субъективно и зависит от внешних условий, поэтому какого-либо эталонного белого цвета не существует.
Например, поверхность Солнца имеет температуру около 6000К.
Спираль лампы накаливания имеет температуру около 2700К – и цветовая температура её света также равна 2700К. Чем выше температура тела, тем более холодным кажется нам его свет, потому что в нём начинают преобладать голубые тона.
Для источников с линейчатым спектром – например, ЖК мониторов – понятие цветовой температуры становится несколько более условным, потому что сравнивать их излучение со сплошным спектром абсолютно чёрного тела, конечно, невозможно. Так что в их случае приходится основываться на восприятии спектра нашим глазом, а от приборов для измерения цветовой температуры источников света добиваться такой же хитрой характеристики восприятия цвета, как и у глаза.
Можно было бы принять за эталон плоский спектр (то есть такой, для которого в оптическом диапазоне интенсивности на все длинах волн одинаковы), но в большинстве случае для человеческого глаза, он будет выглядеть не белым, а очень холодным, с голубоватым оттенком.
Мозг регулирует баланс белого цвета в зависимости от внешнего освещения.
Свет лампочки накаливания вечером кажется немного желтоватым, хотя та же лампа, зажжённая в лёгкой тени солнечным днём, выглядит уже совсем жёлтой – потому, что в обоих случаях мозг подстраивает свой баланс белого под преобладающее освещение, а оно разное.
Цветовая температура описывает в частности, как выглядит белая точка на мониторе:
На этом мы закончим рассмотрение физических и схемотехнических принципов и методов цветовоспроизведения и, в следующих лекциях,
перейдем к реальным устройствам.