Цветовая модель HSV. Различия цветовых моделей RGB, CMYK, HSB

Цветовая модель HSV

Рассмотренные выше цветовые модели так или иначе используют смешение некоторых основных цветов. Теперь рассмотрим цветовую модель, которую можно отнести к иному, альтернативному типу.

В
модели HSV (рис. 5) цвет описывается следующими параметрами: цветовой тон H (Hue), насыщенность S (Saturation), яркость, светлота V(Value). Значение H измеряется в градусах от 0 до 360, поскольку здесь цвета радуги располагаются по кругу в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Значения S и V находятся в диапазоне (0…1).

Приведем примеры кодирования цветов для модели HSV. При S=0 (т.е. на оси V) - серые тона. Значение V=0 соответствует черному цвету. Белый цвет кодируется как S=0, V=1. Цвета, расположенные по кругу напротив друг друга, т.е. отличающиеся по H на 180 º, являются дополнительными. Задание цвета с помощью параметров HSV достаточно часто используется в графических системах, причем обычно показывается развертка конуса.

Цветовая модель HSV удобна для применения в тех графических редакторах, которые ориентированы не на обработку готовых изображений, а на их создание своими руками. Существуют такие программы, которые позволяют имитировать различные инструменты художника (кисти, перья, фломастеры, карандаши), материалы красок (акварель, гуашь, масло, тушь, уголь, пастель) и материалы полотна (холст, картон, рисовая бумага и пр.). Создавая собственное художественное произведение, удобно работать в модели HSV, а по окончании работы его можно преобразовать в модель RGB или CMYK, в зависимости от того, будет ли оно использоваться как экранная или печатная иллюстрация.

Существуют и другие цветовые модели, построенные аналогично HSV, например модели HLS (Hue, Lighting, Saturation) и HSB также использует цветовой конус. В модели HSB тоже три компонента: оттенок цвета (Hue), насыщенность цвета (Saturation) и яркость цвета (Brightness). Регулируя их, можно получить столь же много произвольных цветов, как и при работе с другими моделями.

Другие цветовые модели

Д
ля решения проблемы отрицательных коэффициентов, характерной для модели RGB, в 1931 г. Международной комиссией по освещению (CIE) была принята колориметрическая система XYZ, в которой за основные были приняты также три цвета, однако они являются условными, нереальными.

Цветовая модель CIE L * a * b *. Все вышеперечисленные модели описывают цвет тремя параметрами и в достаточно широком диапазоне. Теперь рассмотрим цветовую модель, в которой цвет задается одним числом, но уже для ограниченного диапазона цветов (оттенков).

На практике часто используются черно-белые (серые) полутоновые изображения. Серые цвета в модели RGB описываются одинаковыми значениями компонентов, т.е. r i = g i = b i . Таким образом, для серых изображений нет необходимости использовать тройки чисел - достаточно и одного числа. Это позволяет упростить цветовую модель. Каждая градация определяется яркостью Y. Значение Y=0 соответствует черному цвету, максимальное значение Y – белому.

Для преобразования цветных изображений, представленных в системе RGB, в градации серого используют соотношение

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B,

где коэффициенты при R, G и B учитывают различную чувствительность зрения к соответствующим цветам и, кроме того, их сумма равна единице. Очевидно, что обратное преобразование R =Y, G =Y, B =Y не даст никаких других цветов, кроме градаций серого.

Еще один пример использования различных цветовых моделей. При записи цветных фотографий в графический файл формата JPEG используется сжатия объемов информации растрового изображения преобразование из модели RGB в модель (Y, Cb, Cr). При чтении файлов JPEG выполняется обратное преобразование в RGB.

Разнообразие моделей обусловлено различными областями их использования. Каждая из цветовых моделей была разработана для эффективного выполнения отдельных операций: ввода изображений, визуализаций на экране, печати на бумаге, обработки изображений, сохранения в файлах, колориметрических расчетов и измерений. Преобразование из одной модели в другую может привести к искажению цветов изображения.

Цветовые профили

Изложенные выше теории восприятия и воспроизведения цвета на практике используются с серьезными поправками. Образованный в 1993 г. Международный консорциум по цвету (ICC) разработал и стандартизировал системы управления цветом (Color Management System, CMS). Такие системы призваны обеспечить постоянство цвета на всех этапах работы для любых устройств, учитывая особенности конкретных устройств при воспроизведении цвета.

В реальности не существует устройств с цветовым охватом, полностью совпадающим с моделями RGB, CMYK, CIE и любыми другими. Поэтому для приведения возможностей устройств к некоторому общему знаменателю были разработаны цветовые профили .

Цветовой профиль – средство описания параметров цветовоспроизведения.

В компьютерной графике всякая работа начинается в пространстве RGB, поскольку монитор физически излучает эти цвета. По инициативе компаний Microsoft и Hewlett Packard была принята стандартная модель sRGB, соответствующая цвето-
вому охвату монитора среднего качества. В таком цветовом пространстве должна без проблем воспроизводиться графика
на большинстве компьютеров. Но эта модель весьма упрощенная, и ее цветовой охват существенно уже, чем у качественных мониторов.

В настоящее время практически повсеместным стандартом стали цветовые профили, создаваемые в соответствии с требованиями ICC. Основное содержание такого профиля составляют таблицы (матрицы) соответствия цветов при различных преобразованиях.

Самый заурядный профиль монитора должен содержать как минимум матрицы для преобразования CIE – RGB и таблицу для обратного преобразования, параметры белого цвета и градационную характеристику (параметр Gamma).

Главная особенность ICC-профиля печатающего устройства - необходимость учета взаимовлияния цветов. Если на мониторе точки люминофора излучают практически независимо, то при печати краски накладываются на бумагу и друг на друга. Поэтому профили печатающих устройств содержат огромные матрицы для пересчета взаимных преобразований пространств XYZ и Lab, математические модели различных вариантов таких преобразований.

Лекция 5

Кодирование цвета. Палитра

Кодирование цвета

Для того чтобы компьютер имел возможность работать с цветными изображениями, необходимо представлять цвета в виде чисел - кодировать цвет. Способ кодирования зависит от цветовой модели и формата числовых данных в компьютере.

Для модели RGB каждая из компонент может представляться числами, ограниченными некоторым диапазоном, например дробными числами от нуля до единицы либо целыми числами от нуля до некоторого максимального значения. Наиболее распространенной схемой представления цветов для видеоустройств является так называемое RGB-представление, в котором любой цвет представляется как сумма трех основных цветов – красного, зеленого, синего – с заданными интенсивностями. Все возможное пространство цветов представляет собой единичный куб, и каждый цвет определяется тройкой чисел (r, g, b) – (red, green, blue). Например, желтый цвет задается как (1, 1, 0), а малиновый – как (1, 0, 1), белому цвету соответствует набор (1, 1, 1), а черному – (0, 0, 0).

Обычно под хранение каждого из компонентов цвета отводится фиксированное число n бит памяти. Поэтому считается, что допустимый диапазон значений для компонент цвета не , а .

Практически любой видеоадаптер способен отобразить значительно большее количество цветов, чем то, которое определяется размером видеопамяти, отводимой под один пиксел. Для использования этой возможности вводится понятие палитры.

Палитра – массив, в котором каждому возможному значению пиксела ставится в соответствие значение цвета (r, g, b). Размер палитры и ее организация зависят от типа используемого видеоадаптера.

Наиболее простой является организация палитры на
EGA -адаптере . Под каждый из 16 возможных логических цветов (значений пиксела) отводится 6 бит, по 2 бита на каждый цветовой компонент. При этом цвет в палитре задается байтом вида 00rgbRGB, где r,g,b,R,G,B могут принимать значение 0 или 1. Таким образом, для каждого из 16 логических цветов можно задать любой из 64 возможных физических цветов.

16-цветная стандартная палитра для видеорежимов EGA , VGA . Реализация палитры для 16-цветных режимов адаптеров VGA намного сложнее. Помимо поддержки палитры адаптера EGA, видеоадаптер дополнительно содержит 256 специальных DAC-регистров, где для каждого цвета хранится его 18-битовое представление (по 6 бит на каждый компонент). При этом с исходным логическим номером цвета с использованием 6-битовых регистров палитры EGA сопоставляется, как и раньше, значение от 0 до 63, но оно уже является не RGB-разложением цвета, а номером DAC-регистра, содержащего физический цвет.

256-цветная для VGA . Для 256-VGA значение пиксела непосредственно используется для индексации массива DAC-регистров.

В настоящее время достаточно распространенным является формат True Color, в котором каждый компонент представлен в виде байта, что дает 256 градаций яркости для каждого компонента: R=0…255, G=0…255, B=0…255. Количество цветов составляет 256х256х256=16.7 млн (2 24).

Такой способ кодирования можно назвать компонентным . В компьютере коды изображений True Color представляются в виде троек байтов, либо упаковываются в длинное целое (четырехбайтное) - 32 бита (так, например, сделано в API Windows):

C = 00000000 bbbbbbbb gggggggg rrrrrrrr.

Индексные палитры

При работе с изображениями в системах компьютерной графики часто приходится искать компромисс между качеством изображения (требуется как можно больше цветов) и ресурсами, необходимыми для хранения и воспроизведения изображения, исчисляемыми, например, объемом памяти (надо уменьшать количество байтов на пиксел). Кроме того, некоторое изображение само по себе может использовать ограниченное количество цветов. Например, для черчения может быть достаточно двух цветов, для человеческого лица важны оттенки розового, желтого, пурпурного, красного, зеленого, а для неба – оттенки голубого и серого. В этих случаях использование полноцветного кодирования цвета является избыточным.

При ограничении количества цветов используют палитру, предоставляющую набор цветов, важных для данного изображения. Палитру можно воспринимать как таблицу цветов. Палитра устанавливает взаимосвязь между кодом цвета и его компонентами в выбранной цветовой модели.

Компьютерные видеосистемы обычно предоставляют возможность программисту установить собственную цветовую палитру. Каждый цветовой оттенок представляется одним числом, причем это число выражает не цвет пиксела, а индекс цвета (его номер). Сам же цвет разыскивается по этому номеру в сопроводительной цветовой палитре, приложенной к файлу. Такие цветовые палитры называют индексными палитрами.

Индексная палитра – это таблица данных, в которой хранится информация о том, каким кодом закодирован тот или иной цвет. Эта таблица создается и хранится вместе с графическим файлом.

Разные изображения могут иметь разные цветовые палитры. Например, в одном изображении зеленый цвет может кодироваться индексом 64, а в другом этот индекс может быть отдан розовому цвету. Если воспроизвести изображение с "чужой" цветовой палитрой, то зеленая елка на экране может оказаться розовой.

Фиксированная палитра

В тех случаях, когда цвет изображения закодирован двумя байтами (режим High Color), на экране возможно изображение 65 тысяч цветов. Разумеется, это не все возможные цвета, а лишь одна 256-я доля общего непрерывного спектра красок, доступных в режиме True Color. В таком изображении каждый двухбайтный код тоже выражает какой-то цвет из общего спектра. Но в данном случае нельзя приложить к файлу индексную палитру, в которой было бы записано, какой код какому цвету соответствует, поскольку в этой таблице было бы 65 тыс. записей и ее размер составил бы сотни тысяч байтов. Вряд ли есть смысл прикладывать к файлу таблицу, которая может быть по размеру больше самого файла. В этом случае используют понятие фиксированной палитры . Ее не надо прилагать к файлу, поскольку в любом графическом файле, имеющем 16-разрядное кодирование цвета, один и тот же код всегда выражает один и тот же цвет.

Безопасная палитра

Термин безопасная палитра используют в Web-графике. Поскольку скорость передачи данных в Интернете пока оставляет желать лучшего, для оформления Web-страниц не применяют графику, имеющую кодирование цвета выше 8-разрядного.

При этом возникает проблема, связанная с тем, что создатель Web-страницы не имеет ни малейшего понятия о том, на какой модели компьютера и под управлением каких программ будет просматриваться его произведение. Он не уверен, не превратится ли его "зеленая елка" в красную или оранжевую на экранах пользователей.

В связи с этим было принято следующее решение. Все наиболее популярные программы для просмотра Web-страниц (броузеры) заранее настроены на некоторую одну фиксированную палитру . Если разработчик Web-страницы при создании иллюстраций будет применять только эту палитру , то он может быть уверен, что пользователи всего мира увидят рисунок правильно. В этой палитре не 256 цветов, как можно было бы предположить, а лишь 216. Это связано с тем, что не все компьютеры, подключенные к Интернету способны воспроизводить 256 цветов.

Такая палитра, жестко определяющая индексы для кодирования 216 цветов, называется безопасной палитрой .

Лекция 6

Визуализация изображений. Основные
понятия

Наиболее известны два способа визуализации: растровый и векторный. Первый используется в таких графических устройствах, как дисплей, телевизор, принтер, второй – в векторных дисплеях, плоттерах.

Оптимально, если способ описания графического изображения соответствует способу визуализации. В противном случае требуется конвертация : при выводе растрового изображения на векторном устройстве используется векторизация ; при выводе векторного изображения на растровом устройстве – растеризация (растрирование).

Растровая визуализация основывается на представлении изображения на экране или бумаге в виде совокупности отдельных точек или пикселов. Вместе все эти пикселы образуют растр.

Векторная визуализация основывается на формировании изображения на экране или бумаге путем рисования линий (или векторов). Совокупность типов линий (графических примитивов), которые используются как базовые для векторной визуализации, зависит от определенного устройства. Типичная последовательность действий для плоттера или векторного дисплея такова: переместить перо в начальную точку (для дисплея - отклонить пучок электронов); переместить перо в конечную точку; поднять перо (уменьшить яркость луча).

Качество векторной визуализации для векторных устройств обуславливается точностью вывода и набором базовых графических примитивов - линий, дуг, кругов, эллипсов и других.

В настоящее время наиболее распространен растровый способ визуализации, что связано с преобладанием растровых дисплеев и принтеров. Главный недостаток растровых устройств – дискретность изображения. Недостатки векторных устройств – проблемы при сплошном заполнении фигур, меньшее по сравнению с растровыми устройствами количество цветов, меньшая скорость визуализации.

Растр – это матрица ячеек (пикселов). Каждый пиксел может иметь свой цвет. Совокупность пикселов различного цвета образует изображение.

В зависимости от расположения пикселов в пространстве различают квадратный, прямоугольный, гексагональный или иные типы растра.

Для описания расположения пикселов используют различные системы координат. Общим для всех таких систем является то, что координаты пикселов образуют дискретный ряд значений (необязательно целые числа). В компьютерных графических системах наиболее широкое распространение получила система
целых координат – номеров пикселов с (0, 0) в левом верхнем
углу.

Основные геометрические характеристики растра

Разрешающая способность растра характеризует расстояние между соседними пикселами. Измеряется разрешающая способность растра количеством пикселов на единицу длины, обычно используется единица измерения ppi (pixel per inch) – количество пикселов в дюйме (1 дюйм ≈ 2,54 см).

Размер растра определяется количеством пикселов по горизонтали и вертикали. Для компьютерных графических систем наиболее удобным является растр с одинаковым размером по горизонтали и вертикали: ppiX = ppiY. В противном случае возникают проблемы при выводе изображений. Например, если растр прямоугольный (как в устаревших мониторах EGA), окружность на экране может выглядеть как эллипс.

Форма пикселов растра определяется особенностями устройства графического вывода и может быть прямоугольной, квадратной (дисплей) или круглой (принтеры).

Количество цветов (глубина цвета) – одна из важнейших характеристик растра. По количеству цветов различают следующие виды изображений:

● двухцветные (бинарные) – 1 бит на пиксел (чаще всего это черно-белые изображения);

● полутоновые. Используют градации серого или какого-то другого цвета, например 256 градаций – 1 байт на пиксел;

● цветные изображения. Используют от 2 бит на пиксел и выше.

Глубина цвета 16 бит на пиксел (65 536 цветов) соответствует палитре High Color; 24 бит на пиксел (16б7 млн цветов) – True Color. В современных компьютерных графических системах используется и большая глубина цвета – 32, 48 и более бит на пиксел.

Методы улучшения растровых изображений: антиэлайзинг
и дизеринг

Как уже отмечалось выше, основным недостатком растровой визуализации является эффект пикселизации.

Рассмотрим некоторые из существующих методов, позволяющих визуально улучшать качество растровых изображений. При одних и тех же значениях технических параметров устройства графического вывода может быть создана иллюзия увеличения разрешающей способности или количества цветов. Однако следует иметь в виду, что улучшение одной характеристики может происходить за счет ухудшения другой.

Антиэлайзинг . В растровых системах при невысокой разрешающей способности (меньше 300 dpi) существует проблема ступенчатого эффекта (aliasing). Этот эффект особенно заметен на изображении наклонных линий – при большом шаге сетки растра пикселы образуют как бы ступени лестницы.

Рассмотрим это на примере отрезка прямой линии. Растровое изображение объекта определяется алгоритмом закрашивания пикселов, соответствующих площади изображаемого объекта. Различные алгоритмы могут дать разные варианты растрового изображения одного и того же объекта.

Можно сформулировать условие корректного закрашивания следующим образом: если в контур изображаемого объекта попадает больше половины площади ячейки растра, то соответствующий пиксел закрашивается цветом объекта (С ), иначе пиксел сохраняет цвет фона (С ф).

Устранение ступенчатого эффекта называется по-английски antialiasing. Для того чтобы растровое изображение линии выглядело более гладким, можно цвет угловых пикселов "ступенек лестницы" заменить на некоторый оттенок, промежуточный между цветом объекта и цветом фона.

В

ычислим цвет пропорционально части площади ячейки растра, покрываемой идеальным контуром объекта. Если площадь всей ячейки обозначить как S , а часть площади, покрываемой контуром, – S x , то искомый цвет равен:

Методы сглаживания растровых изображений можно разделить на две группы:

● алгоритмы генерации сглаженных изображений отдельных простейших объектов (линий, фигур);

● методы обработки уже существующего изображения.

Для сглаживания растровых изображений часто используют алгоритмы цифровой фильтрации. Один из таких алгоритмов - локальная фильтрация. Она осуществляется путем взвешенного суммирования яркости пикселов, расположенных в некоторой окрестности текущего обрабатываемого пиксела. Можно представить себе, что в ходе обработки по растру скользит прямоугольное окно, которое выхватывает пикселы, используемые для вычисления цвета некоторого текущего пиксела. Если окрестность симметрична, то текущий пиксел находится в центре окна.

Базовая операция такого фильтра может быть представлена в виде следующей зависимости:

где P – значение цвета текущего пиксела; F – новое значение цвета пиксела; K –- нормирующий коэффициент; M – двумерный массив коэффициентов, который определяет свойства фильтра (такой массив называется маской ).

Размеры окна фильтра: по горизонтали jmax - jmin + 1, по вертикали imax - imin + 1. На практике наиболее часто используется фильтр с окном 3х3, который получается при imin , jmin = -1 и imax , jmax = +1.

При обработке всего растра указанные вычисления производятся для каждого пиксела. Если в ходе обработки новые значения цвета пикселов записываются в исходный растр и вовлекаются в вычисления для очередных пикселов, то такую фильтрацию называют рекурсивной. При нерекурсивной фильтрации в вычисления вовлекаются только прежние значения цвета пикселов.

При сглаживании цветных изображений можно использовать модель RGB и производить фильтрацию по каждой компоненте.

Локальная цифровая фильтрация применяется не только для сглаживания контуров, но и в процессе других видов обработки изображений: повышения резкости, выделения контуров и др.

Дизеринг. Современные растровые дисплеи позволяют достаточно качественно отображать миллионы цветов, но для растровых печатающих устройств дело обстоит иначе. Устройства печати обычно имеют высокую разрешающую способность, зачастую на порядок выше, чем дисплеи, но в то же время не позволяют воссоздать даже сотню градаций серого, не говоря уже о миллионах цветов. Оттенки цветов (для цветных изображений) или полутоновые градации (для черно-белых) имитируются комбинированием, смесью точек. Чем качественнее полиграфическое оборудование, тем меньше отдельные точки и расстояние между ними.

Для устройств печати на бумаге особенно важна проблема качества красок. В полиграфии для получения цветных изображений обычно используют три цветных краски и одну черную, что в смеси дает восемь цветов (включая черную краску и белый цвет бумаги). Иногда встречаются системы с шестью и восемью базовыми цветами, однако такая технология печати намного сложнее.

Если графическое устройство не способно воссоздавать достаточное количество цветов, тогда используют растрирование - независимо от того, растровое это устройство или не растровое. Эти способы основываются на свойстве человеческого зрения - пространственной интеграции. Если достаточно близко расположить маленькие точки различных цветов, то они будут восприниматься как одна точка с некоторым усредненным цветом. Если на плоскости густо расположить много маленьких разноцветных точек, то будет создана визуальная иллюзия закрашивания плоскости некоторым усредненным цветом.

Эти методы часто используются в графических системах. Они позволяют увеличить количество оттенков цвета за счет снижения пространственного разрешения растрового изображения. Такие методы получили название дизеринг (от англ.
dithering – дрожание, разрежение).

Если в ячейке размерами n x n пикселов использованы два цвета, то с помощью такой ячейки можно получить n 2 +1 различных цветовых градаций. Возможны две предельные комбинации: все пикселы ячейки имеют цвет C 1 – вся ячейка имеет, соответственно, цвет C1, все пикселы ячейки имеют цвет C 2 – вся ячейка имеет цвет C 2 . Все иные комбинации дают цвета, промежуточные между C 1 и C 2 . Таким образом получается растр с разрешающей способностью в n раз меньшей, чем у исходного растра, а глубина цвета возрастает пропорционально n 2 .

Для характеристики изображений, получаемых методом дизеринга, используется термин линиатура растра . Линиатура вычисляется как количество линий (ячеек) на единицу длины и измеряется обычно в единицах lpi (lines per inch).

Один из способов создания достаточно качественных изображений – диффузный дизеринг (diffused dithering). Он заключается в том, что ячейки создаются случайно (или псевдослучайно), поэтому даже для фрагмента растра пикселов с постоянным цветом не образуются регулярные структуры и изображение не выглядит созданным из ячеек.

компьютерной графики . Программные средства компьютерной графики 10 Виды компьютерной графики 10 ...

Конспект

Конспект лекций 1 Лекция 1 1 Введение в компьютерную графику 1 Основные направления компьютерной графики 1 Классификация компьютерной графики 3 Деловая графика 4 Лекция 2 4 Виды компьютерной графики . Программные средства компьютерной графики 4 Виды...

Конспект лекций Лекция 1 Введение в компьютерную графику Основные направления компьютерной графики

Конспект

Конспект лекций Лекция 1 Введение в машинную графику Основные направления компьютерной графики

Конспект

1 Лекция 1 1 Введение в машинную графику 1 Основные направления компьютерной графики 1 Классификация компьютерной графики 3 Деловая графика 4 Лекция 2 4 Виды компьютерной графики . Программные средства компьютерной графики 4 Виды компьютерной графики ...

Палитры цветов в системах цветопередачи R G B , C M Y K и HSB

Как человек воспринимает цвет?

Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов (колбочек), находящихся на сетчатке глаза.

Колбочки чувствительны к красному, зеленому и синему цветам (базовые цвета).

Сумма красного, зеленого и синего цветов воспринимается человеком как белый .

Их отсутствие - как черный , а различные их сочетания - как многочисленные оттенки цветов .

Исходя из особенностей физиологии восприятия цвета, с экрана монитора человек лучше всего воспринимает цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красный, зеленый, синий.

Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red , Green , Blue).

Цвет из палитры можно определить с помощью формулы:

Color = R + G + B

R, G, B – базовые цвета, которые принимают значения от 0 до 255

Так при глубине цвета в 24 бита на кодирование каждого из базовых цветов выделяется по 8 бит, тогда для каждого из цветов возможны N=2 8 =256 уровней интенсивности.

Формирование цвета в R G B

Цвет

Формирование цвета

255 + 255 + 255

Пурпурный

В системе RGB палитра цветов формируется путем сложения базовых цветов: красного, зеленого и синего.

Пурпурный

Система CMYK в отличие от RGB , основана на восприятии не излучаемого, а отражаемого света.

Так, нанесенная на бумагу голубая краска поглощает красный цвет и отражает зеленый и синий цвета.

Цвета палитры можно определить с помощью формулы:

Color = C + M + Y

C, M и Y – цвета палитры, которые принимают значения от 0 % до 100%

Формирование цвета в C M Y K

Цвет

Формирование цвета

С + M +Y = - G - B – R

Y +C = - R - B

В системе цветопередачи CMYK палитра цветов формируется путем наложения голубой, пурпурной, желтой и черной красок.

Hue (оттенок цвета)
Saturation (насыщенность)
Brightness (яркость)

Палитры цветов в системах цветопередачи R G B , C M Y K и HSB

Цветовые модели HSV и HLS. Рассмотренные модели ориентированы на работу с цветопередающей аппаратурой и для некоторых людей неудобны. Поэтому модели HSV, HLS опираются на интуитивные понятия тона насыщенности и яркости.

В цветовом пространстве модели HSV (Hue, Saturation, Value), иногда называемой HSB (Hue, Saturation, Brightness), используется цилиндрическая система координат, а множество допустимых цветов представляет собой шестигранный конус, поставленный на вершину.

Основание конуса представляет яркие цвета и соответствует V = 1. Однако цвета основания V = 1 не имеют одинаковой воспринимаемой интенсивности. Тон (H ) измеряется углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси OV . При этом красному цвету соответствует угол 0°, зелёному – угол 120° и т. д. Цвета, взаимно дополняющие друг друга до белого, находятся напротив один другого, т. е. их тона отличаются на 180°. Величина S изменяется от 0 на оси OV до 1 на гранях конуса.

Конус имеет единичную высоту (V = 1) и основание, расположенное в начале координат. В основании конуса величины H и S смысла не имеют. Белому цвету соответствует пара S = 1, V = 1. Ось OV (S = 0) соответствует ахроматическим цветам (серым тонам).

Процесс добавления белого цвета к заданному можно представить как уменьшение насыщенности S , а процесс добавления чёрного цвета – как уменьшение яркости V . Основанию шестигранного конуса соответствует проекция RGB куба вдоль его главной диагонали.

Рис. 1.8. Цветовое пространство HSV модели

Еще одним примером системы, построенной на интуитивных понятиях тона насыщенности и яркости, является система HLS ( Hue , Lightness , Saturation ). Здесь множество всех цветов представляет собой два шестигранных конуса, поставленных друг на друга (основание к основанию).

Модель HLS HLS (Hue, Lightness, Saturation - цветовой тон, освещённость, насыщенность) - модель ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета/ Эта модель образует подпространство, представляющее собой двойной конус, в котором черный цвет задается вершиной нижнего конуса и соответствует значению L = 0, белый цвет максимальной интенсивности задается вершиной верхнего конуса и соответствует значению L = 1. Максимально интенсивные цветовые тона соответствуют основанию конусов с L = 0.5, что не совсем удобно. Цветовой тон H, аналогично системе HSV, задается углом поворота. Насыщенность S меняется в пределах от 0 до 1 и задается расстоянием от вертикальной оси L до боковой поверхности конуса. Т.е. максимально насыщенные цветовые цвета располагаются при L=0.5, S=1. В общем, систему HLS можно представить как полученную из HSV "вытягиванием" точки V=1, S=0, задающей белый цвет, вверх для образования верхнего конуса.

H - тон

S - насыщенность

L - светлота (освещённость)

В некоторых графических редакторах, например, в Macromedia FreeHand используется модель HLS . В модели HLS, в отличие от HSB, вместо яркости используется параметрL- освещенность (Lightness). Уменьшение освещенности приближает цвет к черному, а увеличение - к белому. Чистый спектральный цвет получается при освещенности 50%.

Модели HSBиHLSне ориентированы ни на какое техническое устройство воспроизведения цветов, поэтому их называют ещеаппаратно независимыми .

Рис. 5: Цветовая модель HLS

Светлота (lightness) - одна из основных характеристик цвета наряду снасыщенностьюитоном. Это субъективная яркость участка изображения, отнесённая к субъективнойяркостиповерхности, воспринимаемой человеком какбелая.

Светлота

Субъективная яркость участка

Субъективная яркость белого

Важно отметить именно относительность восприятия. Если посмотреть на лист с изображением на бумаге при свете лампы и при ярком солнечном свете, количество отражённого света от участка изображения (яркость) будет различаться, однако относительно самого светлого участка поверхности - незапечатанной белой бумаги, воспринимаемая светлота будет одной и той же.

Тон - одна из трёх основных характеристикцветанаряду снасыщенностьюисветлотой. Тон определяется характером распределения излучения в спектре видимого света, причём, главным образом, положением пика излучения, а не его интенсивностью и характером распределения излучения в других областях спектра. Именно тон определяет название цвета, например «красный», «синий», «зелёный».

Н асыщенность - этоинтенсивностьопределённоготона, то есть степень визуального отличия хроматического цвета от равного по светлоте ахроматического (серого) цвета. Насыщенный цвет можно назвать сочным, глубоким, менее насыщенный - приглушённым, приближённым к серому. Полностью ненасыщенный цвет будет оттенком серого. Насыщенность (saturation) - одна из трёх координат в цветовых пространствахHSLиHSV.

Цветовые модели HSB и HLS

Многие художники пользуются цветовой моделью HSB. Это не строгая математическая модель, но она очень удобна для подбора оттенков и цветов. Эта модель основана на модели RGB, но имеет другую систему координат. Любой цвет в модели HSB определяется своим цветовым тоном (собственно цветом), насыщенностью (то есть процентом добавленной к цвету белой краски) и яркостью (процентом добавленной черной краски). Такая модель получила название по первым буквам английских слов H ue - тон, S aturation - насыщенность и B rightness - яркость. Это трехканальная модель (рис. 3.).

Все оттенки располагаются по кругу, и каждому соответствует свой градус, т.е. всего насчитывается 360 вариантов (красный - 0, желтый - 60, зеленый - 120 градусов и т.д.). Более точной графической интерпретацией данной модели будет конус. Такая цветовая модель намного беднее, рассмотренной ранее RGB, так как позволяет работать всего лишь с 3 млн. цветов.

Модель HSB лучше, чем RGB и CMYK, соответствует понятию цвета, которое используют маляры и профессиональные художники. Действительно, у них обычно есть несколько основных красок, а все другие получаются добавлением к ним белой и черной. Таким образом, нужные цвета - это некоторая модификация основных: осветленных или затемненных. Хотя художники и смешивают краски, но это уже выходит за рамки модели HSB

Насыщенность характеризует чистоту цвета. Нулевая насыщенность соответствует серому цвету, а максимальная насыщенность - наиболее яркому варианту данного цвета. Можно считать, что изменение насыщенности связано с добавлением белой краски. То есть уменьшение насыщенности соответствует добавлению белой краски.

Яркость понимается как степень освещенности. При нулевой яркости цвет становится черным. Максимальная яркость при максимальной насыщенности дают наиболее выразительный вариант данного цвета. Можно также считать, что яркость изменяется путем добавления черной краски. Чем больше черной краски добавлено, тем меньше яркость.

Графически модель HSB можно представить в виде кольца, вдоль которого располагаются оттенки цветов. На внешнем крае круга находятся чистые спектральные цвета или цветовые тона (параметр Н в угловых градусах). Чем ближе к центру круга расположен цвет, тем меньше его насыщенность, тем он более блеклый, пастельный (параметр S в процентах). Яркость (освещенность) отображается на линейке, перпендикулярной плоскости цветового круга (параметр В в процентах). Цвета на внешнем круге имеют максимальную яркость.

Рис. 3 . Графическое представление модели HSB

В некоторых графических редакторах, например в Macromedia FreeHand, используется модель HLS (Hue, Lightness, Saturation), которая похожа на HSB. В модели HLS, в отличие от HSB, вместо яркости используется параметр L- освещенность ( L ightness ). Уменьшение освещенности приближает цвет к черному, а увеличение - к белому. Чистый спектральный цвет получается при освещенности 50%.

Понятия яркости L в моделях Lab и HSB не тождественны . Как и в RGB, смешение цветов из шкал а и b позволяет получить более яркие цвета. Уменьшить яркость результирующего цвета можно за счет параметра яркости L.

Модели HSB и HLS не ориентированы ни на какое техническое устройство воспроизведения цветов, поэтому их называют еще аппаратно независимыми.

Модель HSB основана на трех параметрах: H - оттенок или тон (Hue), S - насыщенность (Saturation) и B - яркость (Brightness). Модель HSB лучше, чемRGBиCMYK, соответствует понятию цвета, которое используют профессиональные художники. У них обычно есть несколько основных красок, а все другие получаются добавлением к ним белой и черной. Таким образом, нужные цвета - это некоторая модификация основных: осветлить или затемнить. Хотя художники и смешивают различные краски, но это уже выходит за рамки модели HSB.

Насыщенность характеризует чистоту цвета. Нулевая насыщенность соответствует серому цвету, а максимальная - наиболее яркому варианту данного цвета. Можно считать, что изменение насыщенности связано с добавлением белой краски. То есть уменьшение насыщенности соответствует добавлению белой краски.

Яркость понимается как степень освещенности. При нулевой яркости цвет становится черным. Максимальная яркость при максимальной насыщенности дают наиболее выразительный вариант данного цвета. Можно также считать, что яркость изменяется путем добавления черной краски. Чем больше черной краски добавлено, тем меньше яркость.

Графически модель HSB можно представить в виде кольца, по окружности которого располагаются оттенки цветов (рис. 6). На внешнем крае круга находятся чистые спектральные цвета или цветовые тона (параметр H измеряется в угловых градусах, от 0 до 360). Чем ближе к центру круга расположен цвет, тем меньше его насыщенность, тем он более блеклый, пастельный (параметр Sизмеряется в процентах). Яркость (освещенность) отображается на линейке, перпендикулярной плоскости цветового круга (параметр B измеряется в процентах). Все цвета на внешнем круге имеют максимальную яркость.

Рис. 6. Графическое представление модели HSB

Цветовые модели HSV и HLS

Приведенные модели не охватывают всего диапазона видимого цвета, поскольку их цветовой охват - это лишь треугольник на графике МКО, вершинам которого соответствуют базовые цвета. Они являются аппаратно ориентированными, т.е. соответствуют технической реализации цвета в устройствах графического вывода. Но психофизиологическое восприятие света определяется не интенсивностью трех первичных цветов, а цветовым тоном, насыщенностью и светлотой. Цветовой тон позволяет различать цвета, насыщенность задает степень "разбавления" чистого тона белым цветом, а светлота - это интенсивность света в целом. Поэтому для адекватного нашему восприятию подбора оттенков более удобными являются модели, в числе параметров которых присутствует тон (Hue). Этот параметр принято измерять углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. При этом красному цвету соответствует угол 0, зеленому - 120, синему - 240, а дополняющие друг друга цвета расположены один напротив другого, т.е. угол между ними составляет 180. Цвета CMY расположены посредине между составляющими их компонентами RGB. Существует две модели, использующие этот параметр.

Модель HSV (Hue, Saturation, Value, или тон, насыщенность, количество света) можно представить в виде световой шестигранной пирамиды (рис. 2.10), по оси которой откладывается значение V, а расстояние от оси до боковой грани в горизонтальном сечении соответствует параметру S (за диапазон изменения этих величин принимается интервал от нуля до единицы). Значение S равно единице, если точка лежит на боковой грани пирамиды. Шестиугольник, лежащий в основании пирамиды, представляет собой проекцию цветового куба в направлении его главной диагонали.

Преобразование цветового пространства HSV в RGB осуществляется непосредственно с помощью геометрических соотношений между шестигранной пирамидой и кубом.

Цветовая модель HLS (Hue, Lightness, Saturation, или тон, светлота, насыщенность) является расширением модели HSV. Здесь цветовое пространство уже представляется в виде двойной пирамиды (рис. 2.11), в которой по вертикальной оси откладывается L (светлота), а остальные два параметра задаются так же, как и в предыдущей модели. В литературе эти пирамиды иногда называют шестигранным конусом.

На рис.2.12и2.13приведены блок-схемы преобразования моделей HSV и HLS в модель RGB. Алгоритмы обратного преобразования предлагаются читателю в качестве упражнения.

В первом алгоритме используется функция Ent, означающая целую часть числа. Кроме того, используется операция присваивания для векторов. Константа ndf (сокращенное от выражения "not defined" (не определен) ) используется при входе в алгоритм для того, чтобы выяснить, задано ли значение переменной H. Например, по соглашению ndf может быть некоторым отрицательным значением, так как тон - это всегда положительная величина. Во втором алгоритме применяется вспомогательная функция Value (Значение) (H, M1, M2) для вычисления значения компоненты R, G или B в зависимости от ситуации.

Рис. 2.12. Преобразование модели HSV в RGB

Алгоритм преобразования:

Приведение H к заданному диапазону:

Пока H<0 H=H+360

Пока H>360 H=H-360

Определение координат

Если H<60 то Value=M1+(M2-M1)*H/60

Если 60<=H<180 то Value=M2

Если 180<=H<240 то Value=M1+(M2-M1)*(240-H)/60

Если 240<=H то Value=M1

Рис. 2.13. Преобразование модели HLS в RGB

Другой метод создания цвета (модель HSB) заключается в выборе основного цвета из непрерывного цветового ряда (Hue - оттенок) с последующей настройкой насыщенности (Saturation) и яркости (Brightness). Насыщенность регулируется изменением содержания в цвете белой компоненты, а яркость - черной. Модель HSB является вариантом модели RGB и также базируется на использовании базовых цветов. Из всех используемых в настоящее время моделей эта модель наиболее точно соответствует способу восприятия цвета человеческим глазом.

Цветовая модель HSB является наиболее простой для понимания. Она равно применима и для аддитивных, и для субтрактивных цветов. HSB - это трехканальная модель цвета, так как представлена тремя компонентами (тон, насыщенность и яркость). Спектральные цвета располагаются на цветовом круге. Цветовой тон характеризуется положением на цветовом круге (построен на основе цветового круга Манселла) и определяется величиной угла в диапазоне от 0 до 360 градусов. По краю цветового круга располагаются максимально насыщенные цвета (100 %), а по мере перемещения к центру круга их насыщенность уменьшается до минимума (0 %). Цвет с уменьшением насыщенности осветляется, как будто к нему прибавляют белую краску. При значении насыщенности 0 % в центре круга любой цвет становится белым. Все цвета цветового круга имеют максимальную яркость (100 %) и ярче уже быть не могут (рис. 3.8).

Рисунок 3.8. Цветовая модель HSB

Яркость можно уменьшить на отдельной оси, называемой ахроматической, при этом нулевая (нижняя) точка оси соответствует черному цвету.

Существуют хроматические и ахроматические цвета (рис. 3.9). К ахроматическим цветам относятся: белый, черный и вся шкала серых между ними. Они не имеют цветового тона. К хроматическим цветам относятся все остальные цвета, отличные от белого, серого или черного.

Рисунок 3.9. Хроматические (слева) и ахроматические (справа) цвета

Степень хроматичности цвета определяется насыщенностью (степенью удаленности цвета от серого той же светлоты). Цвета с максимальной насыщенностью - спектральные цвета. Минимальная насыщенность дает полную ахроматику (отсутствие цветового тона). Чем ниже насыщенность, тем более серым выглядит цвет. При нулевой насыщенности цвет становится серым.

Модель HSB охватывает все известные значения реальных цветов, поэтому ее используют при создании изображений на компьютере с имитацией приемов работы и инструментария художников. Яркость - это параметр цвета, характеризующий освещенность или затемненность цвета. Она определяется степенью отражения от физической поверхности, на которую падает свет. Чем выше яркость, тем светлее цвет. Яркость показывает величину черного оттенка, добавленного к цвету, что делает его более темным. Таким образом, цветовой тон является эквивалентом длины волны света, насыщенность - интенсивности волны, а яркость - общего количества света.

Помимо цветового тона, насыщенности и яркости, при работе с цветом важной характеристикой изображения является контраст. Это понятие относится к яркостному соотношению между светлыми и темными областями изображения. При повышении контраста светлые области становятся еще светлее, а темные - еще темнее. При понижении контраста разница в тоне между более светлыми и более темными областями уменьшается. Один и тот же цвет воспринимается по-разному в зависимости от соседних цветов. Поэтому различают контраст цветового тона, контраст светлости и контраст цветности.

Модель HLS (Hue - оттенок, Lightness - осветление, Saturation - насыщенность) является вариантом модели HSB. В этих моделях цветовые параметры оттенок и насыщенность являются общими. Различие состоит в замене нелинейного компонента Brightness (яркость) на линейный компонент Lightness (интенсивность), который изменяется в диапазоне от 0 до 100 процентов.

Цветовые модели CIE XYZ и CIE L*a*b

Международной комиссией по освещению (CIE) были разработаны цветовые модели CIE XYZ и CIE L*a*b. Достоинством этих моделей является независимость от способа производства цвета, в их системе измерения можно описывать как субтрактивные цвета печати, так и аддитивные цвета, излучаемые монитором. Поэтому эти модели используются для того чтобы определять аппаратно независимые цвета, которые могут правильно воспроизводиться устройствами любого типа - сканерами, мониторами или принтерами.

CIE разработала цветовую систему XYZ , называемую также «нормальной цветовой системой». Эта система часто представляется в виде двухмерного графика, который более или менее похож на парус (рис. 3.10).

Рисунок 3.10. Цветовая модель CIE XYZ

Красные компоненты цвета вытянуты вдоль оси Х координатной плоскости, а зеленые компоненты цвета вытянуты вдоль оси Y. При таком способе представления каждому цвету соответствует определенная точка на координатной плоскости. Спектральная чистота цветов уменьшается по мере перемещения по координатной плоскости влево. Но в этой модели не учитывается яркость.

В 1920 году была разработана цветовая пространственная модель CIE L*a*b* (Communication Internationale de I"Eclairage - международная комиссия по совещанию; L, a, b - обозначения осей координат в этой системе). CIE L*a*b* представляет собой улучшенную цветовую модель CIE XYZ. L*a*b* - трехканальная цветовая модель. Любой цвет данной модели определяется светлотой (L) и двумя хроматическими компонентами: параметром a, который изменяется в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого (рис. 3.11).

Рисунок 3.11. Цветовая модель CIEL*a*b*

Система является аппаратно независимой и потому часто применяется для переноса данных между устройствами. Цветовой охват модели CIE Lab значительно превосходит возможности мониторов и печатных устройств, поэтому перед выводом изображения, представленного в этой модели, его приходится преобразовывать. Данная модель была разработана для согласования цветных фотохимических процессов с полиграфическими.

По сравнению с цветовой моделью XYZ цвета CIE L*a*b* более совместимы с цветами, воспринимаемыми человеческим глазом. Модель CIE L*a*b* используется некоторыми программами (например, Adobe Photoshop) в качестве модели-посредника при любом конвертировании из модели в модель, а также при конвертировании цветного изображения в оттенки серого.

Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов (так называемых колбочек), находящихся на сетчатке глаза. Наибольшая чувствительность колбочек приходится на красный, зеленый и синий цвета, которые являются базовыми для человеческого восприятия. Сумма красного, зеленого и синего цветов воспринимаются человеком как белый цвет, их отсутствие – как черный, а различные их сочетания – как многочисленные оттенки цветов.

С экрана монитора человек воспринимает цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красного, зеленого и синего. Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий). Цвета в палитре RGB формируются путем сложения базовых цветов, каждый из которых может иметь различную интенсивность. Цвет Color палитры можно определить с помощью формулы.

Color = R + G + В, где 0

При глубине цвета в 24 бита на кодирование каждого из базовых цветов выделяется по 8 битов. В этом случае для каждого из цветов возможны N = 2 8 = 256 уровней интенсивности. Уровни интенсивности задаются кодами: –десятичными (от минимальной – 0 до максимальной – 255); –Двоичными (от до)

Кодировка цветов при глубине цвета 24 бита Цвет Двоичный и десятичный коды интенсивности базовых цветов Красный ЗеленыйСиний Черный Красный Зеленый Синий Голубой Пурпурный Желтый Белый

При печати изображений на принтерах используется палитра цветов в системе CMYK. Основными красками в ней являются Cyan – голубая, Magenta – пурпурная и Yellow – желтая. Система CMYK, в отличие от RGB, основана на восприятии не излучаемого цвета, а отражаемого света. Напечатанное на бумаге изображение человек воспринимает в отраженном свете. Если на бумагу краски не нанесены, то падающий свет полностью отражается, и мы видим белый лист бумаги Если краски нанесены, то они поглощают определенные цвета. Цвета в палитре CMYK формируются путем вычитания из белого цвета определенных цветов.

Cyan = W – R = G + В Нанесенная на бумагу голубая краска поглощает красный свет и отражает зелёный и синий свет, и мы видим голубой цвет. Cyan = W – R = G + В Magenta = W – G = R + В Нанесенная на бумагу пурпурная краска поглощает зелёный свет и отражает красный и синий свет и мы видим пурпурный цвет. Magenta = W – G = R + В Yellow = W – В = R + G Нанесенная на бумагу желтая краска поглощает синий свет и отражает красный и зеленый свет, и мы видим желтый цвет. Yellow = W – В = R + G Red = У + М = W – R - В Если нанести на бумагу пурпурную и желтую краски, то будет поглощаться зеленый и синий цвет, и мы увидим красный цвет. Red = У + М = W – R - В Green = У + С = W – R - В Если нанести на бумагу голубую и желтую краски, то будет поглощаться красный и синий цвет, и мы увидим зеленый цвет. Green = У + С = W – R - В Если нанести на бумагу пурпурную и голубую краски, то будет поглощаться зеленый и красный цвет, и мы увидим синий цвет. Blue = М + С= W – R - G

Формирование цветов в системе цветопередачи СМУК Цвет Формирование цвета Черный Black = С + М + У = W – G – В - R Белый White = (С=0, М=0, У=0) Красный Red = У + М = W – R - В Зеленый Green = У + С = W – R - В Синий Blue = М + С= W – R - G Голубой Cyan = W – R = G + В Пурпурный Magenta = W – G = R + В Желтый Yellow = W – В = R + G

Смешение трех красок – голубой, желтой и пурпурной должно приводить к полному поглощению света, и мы должны увидеть черный цвет. Однако на практике вместо черного цвета получается грязно-бурый цвет. Поэтому в цветовой модели присутствует т еще один, истинно черный цвет. Так как буква «В» уже используется для обозначения синего цвета, для обозначения черного цвета принята последняя буква в английском названии черного цвета «Black», т.е. «К» В системе цветопередачи CMYK палитра цветов формируется путем наложения голубой, пурпурной, желтой и черной красок.

Модель CMYK Модель CMYK является субтрактивной, т.е. для получения нового оттенка нужно убрать основные цвета в определенных пропорциях. Голубой = белый – красный = зелёный + синий Пурпурный = белый – зелёный = красный + синий Жёлтый = белый – синий = красный + зелёный Чёрный белый + красный + зелёный + синий

Система цветопередачи RGB применяется в мониторах компьютеров, в телевизорах и других, излучающих свет технических устройствах. Система цветопередачи CMYK применяется в полиграфии, т.к. напечатанные документы воспринимаются человеком в отраженном свете. В струйных принтерах для получения изображения высокого качества используются четыре картриджа, содержащие базовые цвета.

Система цветопередачи HSB использует в качестве базовых параметров Оттенок цвета (Hue), Насыщенность (Saturation) и Яркость (Brightness). Параметр Hue позволяет выбрать оттенок цвета из всех цветов оптического спектра, начиная с красного и заканчивая фиолетовым (H = 0 – красный, H = зеленый, H = 240 – синий, H = 360 – фиолетовый). Параметр Saturation определяет процент «чистого» оттенка и белого цвета (S = 0% - белый цвет, S = 100% - «чистый оттенок»). Параметр Brightness определяет интенсивность цвета (минимальное значение B = 0 соответствует черному цвету, максимальное значение B = 100 соответствует максимальной яркости выбранного цвета).

Модель HSB Модель HSB настроена под восприятие цвета человеком. В ней сверху располагаются все основные цвета убывая по яркости вниз. Для более точного определения желаемого оттенка используется полоса градации справа позволяющая сделать выбранный цвет более ярким или темным. Так же есть выбор цвета по названию и его координаты в переводе в модель RGB или CMYK.