Колориметрический способ описания цветов. Цветовые координатные системы (ЦКС). Модели электронных цветовых пространств. Электронные системы управления цветом

Для некоторых отраслей науки и производства, например для полиграфии и компьютерных технологий, требуется абсолютно однозначное описание цвета и его оттенков. Метод сравнения с эталонным рядом цветов для этого не подходит, так как он не может обеспечить такую высокую точность описания цвета. В этих случаях ис- пользуется способ измерения цвета при помощи специальных устройств. Такой колориметрический способ позволяет наиболее точно количественно описать цвет с по- мощью стандартизованных цифровых выражений — цветовых координат (ЦК). Такой колориметрический способ отличается большей универсальностью, чем использование атласов. Цветовыми координатами можно выразить цвет любого излучения независимо от его происхождения: источник света, свет, рассеянный при прохождении через среду или отраженный от поверхности, в том числе и от поверхности красок атласов. По заданным величинам координат можно воспроизвести цвет опытным путем; также можно произвести цветовые расчеты: определить координаты цветов, получаемых смешиванием цветов с уже известными координатами, определить величину различия между цветами. Универсальность и точность сделали способ измерения ЦК наиболее распространенным способом систематизации, хранения, количественного описания и обработки цвета в настоящее время.

Трудность измерения ЦК состоит в том, что для их определения требуются до- статочно сложные приборы — колориметры и спектрофотометры. Само вычисление координат и величин цветового различия требует сложных математических расчетов с использованием различных коэффициентов, корректирующих результаты расчетов с учетом конкретных условий цветопередачи и восприятия цвета.

Недостатком количественного описания цвета является то, что цветовые координаты непосредственно не связанны с субъективными ощущениями цвета, поэтому невозможно представить изменение цвета по изменению координат. Правда, этот недостаток частично устраняется, если по определенным координатам точка цвета наносится на цветовой график.

Основой математического выражения цвета в колориметрии является уже при- веденный выше первый закон синтеза цветов Грассмана: любой цвет может быть однозначно выражен смесью (суммой) определенных количеств трех линейно независимых цветов.

Первая стандартная колориметрическая система была принята в 1931 году на VIII сессии

Международной комиссии по освещению — МКО (в международной литературе — CIE, от французского названия Commission Internationale de Eclairage). Созданию системы предшествовали длительные научные исследования цветового зрения человека. Ученые руководствовались определением цвета как ощущения. По этому измерение цвета производилось именно как измерение цветовых ощущений человека — другие методы были бы бессмысленны. МКО провела множество экспериментов, предлагая испытуемым сравнивать определенный спектральный цвет со смесью трех основных цветов. За единицу было принято количество основных цветов, уравнивающих белый цвет. Основными линейно независимыми цветами в системе были выбраны следующие монохроматические излучения: красный R (l=700 нм), зеленый G (l=546,1 нм) и синий B (l=435,8 нм). На основе усредненных данных экспериментов было построено универсальное цветовое пространство, в котором был представлен диапазон видимых цветов, характерный для так называемого среднего стандартного колориметрического наблюдателя. Исследования являлись косвенным измерением цветовых ощущений человека, возникающих от чистых спектральных цветов различной длины волны. Прямые измерения цветовых ощущений, то есть измерения в коре головного мозга человека, не возможны до сегодняшнего дня. Конечный результат эксперимента МКО — измерение цветовых ощущений человека лежит в основе всей современной колориметрии. Физиологическая цветовая координатная система, созданная в результате экспериментов МКО (CIE), получила название «CIE RGB» по заглавным буквам основных цветов. Название не следует путать с названием цветовой модели RGB, используемой в настоящее время в цветопреобразующих узлах электронных устройств, так как в последней нет фиксированных длин волн видимых излучений основных цветов (об этой модели будет подробнее сказано ниже).

Цветовые координаты рассчитываются в конкретной системе, базирующейся на основных цветах, в системе МКО — RGB. Восприятие глазом основных цветов учитывается путем определения так называемых кривых сложения. Кривыми сложения основных цветов (рис. 5.1) называются графики распределения по спектру цветовых ко- ординат монохроматических излучений, имеющих мощность 1 Вт. Они характеризуют восприятие глазом качества излучений основных цветов. Излучения выражают функции длины волны. Кривые сложения основных цветов в системе RGB рассчитывались из полученных экспериментально кривых. Для наглядного представления о количественных и качественных соотношениях при оперировании различными цветами в системе RGB используется цветовой график — равносторонний треугольник RGB, в вершинах которого располагаются три основных источника света равной мощности: красный, зеленый и синий, которым для удобства расчетов придаются единичные значения.

Система CIE RGB имеет недостатки: сложность расчетов и наличие отрицательных координат, что физически невозможно, так как отрицательной интенсивности света не существует, но неизбежно при использовании RGB-модели для воспроизведения некоторых цветов спектра. Поэтому в настоящее время в колориметрии она выполняет вспомогательную, а иногда контрольную функцию. Однако именно система RGB стала основой для всех современных международно признанных колориметрических систем.

Для упрощения расчетов в том же 1931 году МКО приняла другую цветовую координатную систему XYZ, в которой были устранены недостатки системы RGB, а также появился ряд других возможностей упрощения расчетов. В данной ЦКС (цветовая координатная система) за основные цвета были приняты цвета, более насыщенные, чем реальные спектральные, воспринимаемые человеческим глазом, т.е. насыщенность этих цветов условно принималась больше 100 %. Они были получены искусственно путем пересчета из цветовых координат RGB. Поскольку таких «нереальных» цветов не воспринимает человеческий глаз, их назвали X, Y, Z. Цвет Х близок по тону к R, Y —
к G, Z несколько голубее B.

Основное цветовое уравнение в системе XYZ имеет вид:

F = x¢X + y¢Y + z¢Z,

где x¢, y¢, z¢ — коэффициенты, называемые компонентами светового потока F, показывающие, какое количество единиц X, Y, Z необходимо взять, чтобы в сумме по яркости и цветности получить заданный световой поток F.

Чтобы выделить цветность, определяемую цветовым тоном и светлотой, находят сумму компонентов светового потока F, называемую цветовым модулем:

m = x¢ +y¢ +z¢.

Затем обе части уравнения делят на цветовой модуль:

F/m = f = (x¢/m) X + (y¢/m)Y + (z¢/m)Z.

Трехцветные коэффициенты x = x¢/m, y = y¢/m, z = z¢/m определяют относительную (например, процентную) величину цветов в составе единичного потока f: f = x X + y Y + z Z.

Очевидно, что сумма трех коэффициентов всегда равна единице или 100 %: x + y + z = 1.

Для выражения цветности достаточно определить два коэффициента — обычно

x и y, так как z = 1 – (x + y).

Для точки равноэнергетического белого цвета Е трехцветные коэффициенты

равны: xE= yE= zE= 1/3.

В системе XYZ используется цветовой график в виде равнобедренного прямо- угольного треугольника. В вершинах треугольника располагаются условные «нереальные» цвета X, Y и Z, суммированием которых можно получить все реальные цвета любого тона и любой насыщенности. Все реальные цвета помещаются внутри треугольника XYZ, поэтому составляющие xX, yY, zZ для всех реальных цветов входят с положительным знаком. Отрицательные координаты в системе отсутствуют. Это главное достоинство системы XYZ по сравнению с системой RGB. Две стороны треугольника соответствуют координатам x, y, а гипотенуза — координате z. Указателем координаты z обычно пренебрегают, так как ее значение может быть получено из значений координат x и y:

z = 1 – (x + y).

Через точки графика цветности, обозначающие реальные спектральные цвета,

проводится кривая спектральных цветов, называемая цветовой локус. Это разомкнутая кривая, имеющая подковообразную форму, соединяет на графике длинноволновый красный (700 нм) и коротковолновый фиолетовый (400 нм) концы спектра. Эти конечные точки соединяет отрезок прямой, на который нанесены точки максимально насыщенных оттенков пурпурного цвета, отсутствующего в спектре и получаемого сложением красного и фиолетового цветов. Замкнутый таким образом локус ограничивает плоскую фигуру, по форме напоминающую парус. В этом «парусе» лежит поле реальных цветов — совокупность точек, обозначающих на графике все цвета, воспринимаемые человеческим глазом. Точка равноэнергетического белого цвета Е внутри локуса имеет координаты (0,33; 0,33). Источник равноэнергетического света Е имеет равномерную плотность распределения энергии по спектру в видимой области, что удобно для рассуждений и расчетов. Однако этот источник является условным, воображаемым, так как никакой существующий в природе источник света не имеет подобного спектрального распределения энергии. Поэтому на график нанесены также точки белого цвета, соответствующие стандартным источникам света: А (моделирует свет от ламп накаливания); В (моделирует прямой солнечный свет); С (моделирует рассеянный дневной свет). Позднее были нанесены точки D (моделируемый усредненный дневной свет) и F (моделирует свет люминесцентных ламп). Цвета несветящихся поверхностей существенным образом зависят от характера освещения, поэтому их наносят на график и описывают относительно точки белого цвета, соответствующей определенному стандартному источнику света МКО. На прямой, соединяющей точку белого цвета с локусом, лежат цвета одинакового цветового тона, но раз- ной насыщенности. Цветовой тон всех этих цветов определяется точкой спектрального цвета, лежащей на пересечении прямой с локусом, и выражается длиной волны данного спектрального цвета. Точка дополнительного цвета будет лежать на продолжении прямой от точки белого цвета в противоположном направлении от измеряемого цвета. Дополнительные спектральные цвета лежат на противоположных точках пересечения с локусом прямой, проходящей через точку белого цвета. Для пурпурных цветов цветовой тон выражается длиной волны дополнительного спектрального зеленого (для отличия от зеленого помечается чертой). Чтобы найти дополнительный зеленый, от точки, обозначающей пурпурный цвет, проводят прямую через точку белого цвета до пересечения с локусом с противоположной стороны.

Насыщенность цвета на графике возрастает от точки белого цвета к локусу. Количественно чистоту цвета, выражающую восприятие насыщенности, можно обозначить и определить с помощью графика, на который нанесены линии равной чистоты (на каждой линии указывается степень чистоты). Также в координатах x, y, z чистоту цвета можно вычислить по формуле

Р = (yλ/yF)(yF– yW)/(yλ– yW) 100 %,

где yλ— координата точки на локусе, определяющая цветовой тон описываемого цвета; yF— координата точки описываемого цвета; yW= 1/3 — координата точки белого цвета. Координаты y могут быть заменены на x или z, при этом рассчитанное значение Р не меняется.

Понятно, что так как для белого цвета yF= yW, а для спектрального цвета yF= yλ,

насыщенность белого цвета равна 0, а насыщенность спектрального цвета равна 100 %. На отрезке прямой, соединяющей любые две цветовые точки, лежат все цвета,

получаемые смешением цветов, принадлежащих соединенным точкам.

Яркость в системе XYZ определяется расчетным путем по оси Y, так как при

R = G = B = 1 лм, x = 0, y = 1, z = 0.

Яркость описываемого цвета равна координате y, или 683my. Поэтому нормированная таким образом диаграмма МКО (СIЕ), являющаяся двухмерным аналогом полного цветового пространства XYZ с определением не только цветности, но и яркости, называется модель xyY. Наглядно яркость на двухмерном графике не отображается. Чтобы визуализировать наряду с чистотой и цветовым тоном яркость, нужно через точку белого цвета провести ось y перпендикулярно плоскости цветового треугольника и построить трехмерный график — цветовое тело СIЕ.

Система определения цвета МКО была принята в качестве международного стандарта и в настоящий момент является официально признанной колориметристами всего мира системой определения цвета, основанной на точном математическом аппарате, описывающем процесс и особенности видения цвета человеком. В дальнейшем проводились исследования, позволившие уточнить экспериментальные данные и исправить ряд ошибок. Были разработаны более совершенные равноконтрастные пространства. Однако все они основываются на первоначальной модели СIЕ XYZ 1931 года (рис. 5.2).

Сложность учета яркости является недостатком модели XYZ. Однако самым большим недостатком пространства XYZ явилась его неравномерность или неравно- контрастность, что объясняется неравномерностью восприятия отдельных участков спектра зрительным аппаратом человека. Понятно, что пространство, построение которого основывалось на зрительном восприятии человека, получилось также неравномерным. Так, например, различение человеческим глазом оттенков зеленого цвета существенно ниже, чем красного или желтого. Поэтому в поле реальных цветов на плоскости xy две точки, находящиеся на определенном расстоянии друг от друга в зеленой зоне, могут быть практически неотличимы по оттенку, а находящиеся на та- ком же расстоянии в оранжевой зоне будут ощутимо
отличаться.

Дальнейшее усовершенствование модели xyY было направлено на устранение этих недостатков. В результате многолетней работы было создано несколько моделей равноконтрастного цветового пространства. Наиболее совершенной и широко используемой в колориметрии и промышленности стала модель СIЕ Lab, которая в 1976 году была принята в качестве единого международного стандарта. В хорошо сбалансирован- ной структуре Lab путем математических преобразований скорректирована и сведена к минимуму неравномерность цветового пространства СIЕ 1931 XYZ. Конструкция моде- ли основана на приведенной выше теории оппонентных цветов Геринга. Оси координат L, a и b взаимно перпендикулярны. Центральная ось координат L — равноконтрастная ахроматическая шкала, для которой значения цветности а и b равны нулю, показывает изменение яркости и представляет оппонентную пару белый — черный. Ось координат а представляет оппонентную пару красный — зеленый: она описывает изменение цветности от зеленого (ось отрицательных значений координаты а) до красного (ось положительных значений координаты а). Ось координат b представляет оппонентную пару синий — желтый, она описывает изменение цветности от синего (ось отрицательных значений координаты b) до желтого (ось положительных значений координаты b). Модель Lab, кроме относительной равноконтрастности, имеет еще ряд достоинств:

– описание цвета в этой системе фактически моделирует процесс представления

цвета зрительным аппаратом человека;

– благодаря характеру определения цвета система дает возможность отдельно воздействовать на яркость, контрастность и цвет изображения; также при воспроизведении цвета с помощью модели Lab (например, при допечатной подготовке) можно избирательно воздействовать на отдельные цвета, что делает Lab удобным инструментом цветокоррекции;

– Lab является аппаратно-независимой моделью, однозначно определяющей цвет, поэтому она используется для конвертирования данных между другими цветовыми пространствами;

– в силу своей независимости от аппаратных устройств модель Lab позволяет воспроизводить одни и те же цвета независимо от особенностей устройства (монитора, принтера или компьютера), которые используются для создания или вывода изображения.

Модель СIЕ Lab не является идеальной моделью: она требует достаточно сложных математических расчетов при измерении цвета; она не является абсолютно равноконтрастной; она малоэффективна при обработке цвета для сцен с освещением несколькими источниками света. Из-за неэффективности для некоторых операций модель Lab не поддерживается некоторыми программами (например, для редактирования изображений с высоким динамическим диапазоном яркости HDR). Однако, по мнению специалистов, Lab является наиболее совершенной и удобной моделью для реализации с использованием вычислительных мощностей современных настольных компьютеров. Как было отмечено выше, модель Lab получена путем математических преобразований из модели XYZ. Она также имеет фиксированные значения длин волн видимых излучений и, как и xyY, является цветовой координатной системой. Так как существует несколько вариантов Lab, основную, широко используемую модель, помечают звездочками — СIЕ L*a*b*(рис. 5.3).

Еще одна широко используемая модель — СIЕ L*u*v*76 (другое название СIЕ LCH), также являющаяся производной от XYZ. В отличие от прямоугольных ЦКС в ней используются цилиндрические координаты: светлота (Lightness), насыщенность (Chroma) и угол поворота — цветовой тон (Hue). Насыщенность и светлота в этой модели так же, как и в Lab, — линейные координаты, меняющие значение от 0 до 100, а цветовой тон — угловая координата, меняющая значение от 0° до 360° или от –180° до
+180° (рис. 5.4).

ЦКС СIЕ xyY, L*a*b*и L*u*v*— модели, которые используются для измерения с помощью математических расчетов и обработки цвета, производимых компьютерами. Так как все эти модели в конечном счете производные от модели СIЕ RGВ — 1931, моделирующей цвета на основе изучения реакции зрительного аппарата человека на излучения различного спектрального состава, эти модели называются «психологическими» или «перцепционными» (от лат. perceptio — восприятие). Все эти модели являются аппаратно-независимыми. Данный вид цветовых моделей — ЦКС создан в первую очередь для измерения цветовых ощущений, говоря точнее — для измерения и однозначного определения излучений, вызывающих то или иное цветовое ощущение.

Другой тип моделей — цветовые пространства, которые не являются ЦКС и предназначены для устройств, воспроизводящих цвет. Модели этого вида являются аппаратно-зависимыми, так как каждое конкретное устройство имеет свои особенности воспроизведения цвета. Поэтому данные этих моделей — это набор аппаратных данных для воспроизведения цвета на экране монитора или на бумаге. Эти модели не определяют точно получаемый цвет без привязки к конкретному аппарату.

Все эти модели условно можно разделить на три типа:

– аддитивные модели, генерирующие цвет сложением световых потоков;

– субтрактивные или полиграфические модели, предназначенные для программ,

используемых в растровой печати, основанной на субтрактивном смешении цветов;

– интуитивные модели, позволяющие общаться с цветом на интуитивно понят-

ном уровне, так как цвет в них задается путем раздельного определения цветности (цветовой тон и насыщенность) и яркости.

Широко используемая аддитивная модель для цветовоспроизведения — RGB

(рис. 5.5), которая была упомянута выше. Она является производной от ЦКС СIЕ XYZ. Данная модель является «естественным языком» цвета для электронных устройств ввода изображения (телевизионные кинескопы, компьютерные мониторы), а также для цифровых аппаратов, сканеров и систем освещения. Цветовое тело, представляющее модель RGB, — единичный куб (1´1´1), одна из вершин которого – точка начала осей координат, где (R,G,B) = (0,0,0).

Эта точка черного цвета, так как в аддитивной модели цвет получается путем синтеза трех излучений, а яркость зависит от интенсивности излучений (поэтому экраны телевизоров и дисплеи мониторов имеют черный цвет). Три ребра куба, при- мыкающие к этой вершине, совпадают с осями координат X, Y, Z. По осям X, Y, Z на ребрах куба откладываются значения координат соответственно R, G и B. На другом конце каждое из трех ребер примыкает к вершинам, в каждой из которых находится точка максимальной интенсивности соответствующего основного излучения R,G или B (красного, зеленого или синего). R,G,B в вершинах куба имеют значения координат соответственно:

(R,G,B) = (1,0,0)= (255,0,0);

(R,G,B) = (0,1,0)= (0,255,0);

(R,G,B) = (0,0,1)= (0,0,255).

Диагональ куба, исходящая из вершины — точки черного, соединяет ее с вершиной — точкой белого, в которой все три координаты имеют максимальное значение:

(R,G,B) = (1,1,1)= (255,255,255).

Эта диагональ является ахроматической осью. На ней располагаются точки, показывающие различные градации серого, для которых значения красной, зеленой и синей составляющих равны.

В остальных трех вершинах располагаются точки максимально насыщенных вторичных цветов, т.е. цветов, получаемых при аддитивном сложении двух основных. При сложении красного и синего получается пурпурный (Magenta), при сложении си- него и зеленого — зелено-голубой (Cyan), при смешении зеленого и красного — желтый (Yellow). Диагонали RC, GM и BY соединяют пары дополнительных цветов: красный и зелено-голубой, желтый и синий, зеленый и пурпурный.

Здесь надо заметить, что деление на 256 градаций обусловлено особенностями обработки информации в компьютере. Для кодирования цвета чаще всего используется 8-битовый режим. В этом случае байт (октет) может принимать одно из 256 (28) различных значений. Этого абсолютно достаточно для создания фотореалистического изображения с плавными переходами из тона в тон (минимально приемлемое число уровней яркости — около 100).

При использовании модели RGB точка цветового пространства, которой соответствует определенный цвет, может быть представлена с помощью вектора, описываемого уравнением

сС = rR + gG + bB.

При этом направление вектора характеризует цветность, а модуль выражает яркость.

Всего цветовое пространство RGB содержит 2563= 16777216 оттенков спектральных и пурпурных цветов. Однако такое количество цветов, выраженных математически различным значением координат, многократно превышает количество цветов, реально различаемых человеком (вспомним материал предыдущей лекции: порог цветового различия позволяет человеку различать в среднем около 13 тыс. цветов). При этом цветовой охват модели RGB меньше, чем полный цветовой охват человеческого зрения. Например, чистый желтый или чистый голубой цвет не могут быть точно воссозданы на
экране (см. рис. 5.5).

Наиболее распространенными субтрактивными моделями являются CMY и CMYK (голубой, пурпурный, желтый, черный). Черный обозначается буквой К (от blacK, или по другой версии от Key). Эти модели используются при подготовке цвет- ного изображения для растровой печати (рис. 5.6), в которой создание оттенков цвета основано на субтрактивном смешении цветов. Цвета С, М, Y дают при печати наибольшее количество воспроизводимых цветов. Смешение этих цветов в равных пропорциях теоретически должно давать черный цвет, однако на практике из-за несовершенства технологий получается темно-коричневый. Поэтому к трем субтрактивным основным цветам добавляется черный. Это дает также большую экономию дорогих цветных красителей. Поскольку нейтральные цвета состоят из одинаковых долей С, М, Y, при создании изображения можно исключить из них одинаковые минимальные доли. Тогда составляющая черного цвета рассчитывается по формуле

К¢ = min(С, М, Y),

а новые значения цветовых компонент будут равны, соответственно:

С-К, М-К, , Y-К.

Белый цвет при печати обеспечивается белизной бумаги при нулевом значении С, М, Y, К. Субтрактивные цвета С, М, Y поглощают из потока белого света составляющие излучения R, G, B. Зелено-голубой (С) полностью поглощает красную составляющую, пурпурный (М) поглощает зеленый (G), а желтый (Y) поглощает синий (В). Понятно, что красный (R) при печати получается соединением пурпурного и желтого, которые поглощают излучения В и G, зеленый (G) — соединением желтого и голубого, которые поглощают излучения В и R, синий (В) — соединением голубого и пурпурного, которые поглощают излучения R и G. Можно сказать, что модель CMY обратна модели RGB: если доли основных цветов, составляющих цвет модели RGB, равны R, G, B, то доли основных цветов модели CMYK равняются: K = min(1-R, 1-G, 1-В);

С = (1-R-К)/(1-К);

М = (1-G-К)/(1-К);

Y = (1-В-К)/(1-К).

Яркость изображения при сложении излучений и увеличении их интенсивности

в системе RGB увеличивается, а при печати на бумаге светлота изображения при добавлении каждого компонента CMYK и при увеличении их плотности уменьшается.

Таким образом, в программной системе модели CMYK учитываются указанные выше особенности технологии печати и восприятия напечатанного изображения (см. рис. 5.6).

Небольшой цветовой охват CMYK обусловлен как особенностями субтрактивного смешения цветов, так и несовершенством красителей. Для увеличения цветового охвата печатающих устройств созданы другие модели. В одной из наиболее распространенных моделей к компонентам CMYK добавлены Orange и Green. Модель получила название Hexachrom. В струйных принтерах для преодоления плохого воспроизведения светлых тонов изображения используются модели, в которых базовое количество красителей доходит до 8, но наибольшее распространение получила модель Photoink: Cyan, Light Cyan (светло-голубой), Magenta, Light Magenta (светло-пурпурный), Yellow, Black. Однако все эти модификации замкнуты в рамках модели CMYK и офсетного способа печати.

Модель CMYK является еще более аппаратно-зависимой, чем RGB. Кроме особенностей электронных устройств, влияющих на цвет при просмотре изображения, на конечный результат процесса (печатное изображение) влияют параметры печати: краски, тип печатной машины, тип бумаги и т.д. Поэтому при переходе из RGB в CMYK необходимо задать также и эти технологические характеристики. Взаимосвязь аддитивной модели RGB и субтрактивной модели CMY (рис. 5.7) наглядно представлена компьютерной моделью цифрового цвета Colorcube Puzzle (рис. 5.8), которая появилась в 1998 году. Эта программа визуализирует принципы хранения, обработки и воспроизведения цвета в цифровых устройствах. Она может служить наглядным пособием для изучения или преподавания теории цифрового цвета. Отличительной особенностью модели Colorcube является то, что в ней описание цвета в цветовом пространстве основано на входных параметрах (на количестве основных пигментных цветов, используемых для создания смешанного цвета). Такая система облегчает решение вопросов наименования цветов и проблем воспроизведения,
обработки, калибровки, вывода и конвертации из одной модели в другую.

Среди нескольких интуитивных цветовых моделей, использующих раздельное определение яркости и цветности HSB (HSV), HSL, HIS, YUV наибольшее распространение имеет модель HSB (анг. Hue, Saturation, Brightness — тон, насыщенность, яркость) или HSV (анг. Value — значение). Эта модель была создана в 1978 году и является нелинейным преобразованием модели RGB (см. рис. 5.9). Художники, работающие в области компьютерной графики, часто используют эту модель, так как по сравнению с RGB и CMYK, которые определяют цвет как комбинацию основных цветов, выраженных набором цифр, HSB представляет цвет в более привычной форме, согласованной с моделью восприятия цвета человеком. Модель понятна на интуитивном уровне, по- этому ее используют для цветокоррекции изображения, которое затем конвертируется в RGB или CMYK с доработкой после конвертации в случае искажения цвета.

HSB выражается цилиндрической системой координат, поэтому может быть представлена в виде цилиндра, перевернутого конуса или шестигранной правильной пирамиды. Цветовой тон (Н) изменяется при движении по окружности основания и варьируется углом поворота в пределах 0—360°. Обычно для чистого красного берется угол 0°, для чистого зеленого — 120°, а для чистого синего — 240°. Основание представляет собой цветовой круг, в котором основные цвета R, G, B расположены на одинаковом расстоянии друг от друга, вторичные цвета C, M, Y — также на равном расстоянии и между первичными цветами, смешением которых они получены. Дополнительные цвета при таком расположении оказываются на концах диаметра. Иногда шкала цветовых тонов приводится к диапазону 0—100 или 0—1.

Насыщенность (S) изменятся вдоль радиуса основания в пределах от 0 в центре (точка белого) до 100 или 1 по краю круга.

Яркость (В) изменятся вдоль высоты от 0 внизу до 100 или 1 на уровне верхнего основания.

На плоскости модель может быть изображена в виде радужного кольца, представляющего цветовые тона в цветовом круге и вписанного в это кольцо равностороннего треугольника. Вдоль высоты треугольника, опущенной из вершины, указывающей на определенный тон, изменяется насыщенность, а вдоль стороны, на которую опущена высота, изменяется яркость, т.е. в одной вершине треугольника помещается максимально насыщенный цвет, в другой — черный, в третьей — белый. Внутри треугольника представлены все градации данного оттенка по светлоте и насыщенности.

Несовпадение модели HSB с моделью восприятия цвета человеком заключается в том, что она не учитывает различия относительной яркости спектральных цветов, так как в HSB все цвета основного спектра (шкала цветового тона) считаются обладающими 100 %-ной яркостью. Этот недостаток необходимо учитывать при работе.

Цветовая модель HSB и другие модели этого типа аппаратно-зависимы, так как в их основе лежит модель RGB. Также аппаратная зависимость проявляется при конвертации этих моделей в RGB или CMYK.

Подводя итог, можно сказать, что аппаратно-независимые цветовые модели МКО описывают конкретный цвет, воспринимаемый стандартным наблюдателем при определенных стандартных условиях наблюдения, но не содержат данных о том, что следует сделать для воспроизведения цвета на конкретном устройстве. Аппаратно- зависимые модели, используемые для воспроизведения цвета, наоборот, указывают устройствам, как использовать красители, но ничего не сообщают о конкретном цвете, который устройство воспроизводит в ответ. Поэтому для эффективного управления цветом с использованием компьютерных программ в реальных условиях применяются как аппаратно-зависимые, так и аппаратно-независимые модели.

Как было отмечено выше, аппаратно-зависимые модели RGB и CMYK имеют различный принцип описания единого цветового пространства, воспринимаемого человеческим глазом и различный цветовой диапазон или охват (gamut) — совокупность всех цветов, воспроизводимых при помощи модели. Поэтому конвертирование — взаимные переходы между моделями RGB и CMYK друг в друга невозможны без потерь. Но, как известно, такая конвертация неизбежна, так как разные устройства используют различные модели: например, сканеры и мониторы применяют модель RGB, а на выводе принтеры, печатные станки и другие аппараты, использующие красители, могут применять модель CMYK.

Вторая причина неизбежных изменений цвета при воспроизведении — это различный цветовой охват разных носителей цвета (например, напечатанных фотографий или цветной фотопленки) и различных цветовоспроизводящих устройств (мониторов, цифровых камер, принтеров, устройств цифровой печати).

Третья причина — индивидуальные особенности каждого конкретного устройства, которое преобразует информацию в изображение, и комплекс различных факто- ров, влияющих на воспроизведение цвета в каждом конкретном случае. Например, для монитора, помимо яркости, контраста и цветности люминофоров, этими особенностями являются: параметры настройки управляющей электроники, видеокарта и ее программное обеспечение; для принтера — свойства запечатываемого материала, свойства красок и система программного управления. Все эти факторы непредсказуемо изменяют цвет при конвертировании.

Одна и та же информация может по-разному интерпретироваться даже устройствами одного и того же класса одной и той же модели. Чтобы в этом убедиться, до- статочно посмотреть в магазине электроники на ряды телеприемников, у которых идентичный входной сигнал, но достаточно заметное различие в «картинке».

Для цветокоррекции с задачей максимального уменьшения потерь и искажения цвета при конвертации в современных компьютерных технологиях используют систему управления цветом СМS (Color Management System). В основе современных СМS лежат две базовые концепции:калибровка и профилирование.

Калибровка — настройка устройства (например монитора) в целях изменения

его поведения в соответствии с некоторыми признанными стандартами.

Профилирование — измерение характеристик устройства отображения и сохранение полученных данных.

Цветовой профиль (правильнее называть «профайл» от анг. profile) — это файл с математическим описанием свойств цветового пространства используемого устройства отображения, который позволяет программам, поддерживающим управление цветом, учитывать особенности данного устройства. Профилирование производится после окончательной калибровки устройства.

Если известны цветовые профили всех устройств, связанных в технологическую цепочку, появляется возможность для согласования цветовых охватов. Основные принципы согласования — подавление всех оттенков, которые не могут быть воспроизведены хотя бы одним устройством технологической цепочки, и синтез всех реализуемых цветов, обеспечивающий наивысшее качество их воспроизведения в данной технологической среде.

Механизм согласования цветовых пространств аппаратно-зависимых моделей всех устройств обеспечивается совокупностью программных средств, выполняющих преобразования между моделями. Эта важная часть СМS называется методом согласования цветов СММ (Color Matching Method).

Важнейшей теоретической составляющей любой системы управления цветом является Базовое цветовое пространство системы. Это цветовое пространство — посредник. Оно должно быть аппаратно-независимым и иметь максимально возможный цветовой охват. Оно должно быть также стандартизовано на международном уровне. В современных программах в качестве базовых используются цветовые пространства CIE XYZ и CIE Lab, причем CIE Lab значительно чаще. Это своего рода общий знаменатель, к которому приводятся все конвертируемые цветовые пространства аппаратно-зависимых моделей. С помощью Lab оказалось возможным построить систему управления цветом для всех устройств независимо от того, являются они устройствами ввода или вывода изображения.

Профилирование и калибровка использовались еще до появления компьютерных систем управления цветом для настройки высококачественных барабанных сканеров и печатающих устройств, предназначенных для получения пробных оттисков. Это были закрытые системы допечатной подготовки, то есть каждая фирма-производитель имела свой набор аппаратных и программных компонентов. Однако компьютеризация всех процессов, появление открытых систем управления цветом и широкого выбора оборудования и программных продуктов поставили перед фирмами-производителями задачу обеспечения совместимости всех компонентов и достижения как минимум той же надежности и предсказуемости, какими отличались закрытые системы.

В 1995 году фирма Apple создала встраиваемую в операционную среду систему управления цветов Color Sync2. Фирма предложила новый открытый стандарт записи профайлов. Предложенный формат оказался удачным и был утвержден международным консорциумом по цвету ICC (International Color Consortium) в качестве международного стандарта. В настоящее время все системы управления цветом основываются на профайлах (профилях) ICC. Существует несколько типов профилей ICC:

– устройства ввода;

– мониторы;

– устройства вывода;

– преобразования между цветовыми пространствами;

– связывания устройств;

– абстрактные профили.

Существует несколько систем СМS, среди которых в настоящее время лидируют IСМ (Image Color Managment) на платформе Windows и Color Sync на платформе Macintosh. СМS встроена во все современные графические программы, такие как Adobe Photoshop, CorelDraw, ACDSee и другие. Подробные сведения о цветовых пространствах, методах математических расчетов при определении цвета и вычислении степени цветового различия, о методах рас- четов при конвертировании из модели в модель и способах цветокоррекции при помощи систем управления цветом в различных программах содержатся в специальной литературе. Большое количество статей по этим вопросам можно найти в интернете.