Теория цвета

Введение

Все больше и  больше людей открывают для себя рынок цифрового изображения. Цифровые камеры, цветные принтеры и сканеры  становятся все больше дешевеют и  таким образом, становятся доступными для все большего числа пользователей. Вместе с этой революцией в использовании цвета появилась и необходимость понять, что же такое цифровой цвет и разобраться в его особенностях.

Исследования  показывают, что рядовые пользователи пасуют перед сложным поведением цифрового цвета и часто жалуются на то, что "цвета при печати выглядят совсем не так, как на мониторе".

Несмотря на удивительный прогресс в технологиях воспроизведения  цвета очевидно, что лишь немногие люди разбираются в теории цифрового  цвета. Из-за неспособности разобраться  в новых технологиях цвета  клиент может разочароваться в продукте или предъявлять к нему завышенные требованиям.

Компания Spittin' Image Software представляет новое простейшее изобретение, предназначенное  для того, чтобы объяснить людям  принципы работы цифрового цвета. Это  изобретение недавно было запатентовано в США под названием COLORCUBE. Оно представляет собой изображение физической модели того, как цвета хранятся, обрабатываются и воспроизводятся в цифровых устройствах.

В комплекте с COLORCUBE покупатель получает с учебник, в котором  в 10 пунктах объясняются основы цифрового цвета. Данная статья является кратким изложением этого учебника:

1) Как человеческий  глаз видит цвета

В человеческом глазе присутствуют два вида рецепторов: палочки и колбочки. Палочки реагируют  на оттенки серого, а с помощью колбочек мозг способен воспринимать спектр цветов. Существует три типа колбочек: первые реагируют на красно-оранжевый цвет, вторые - на зеленый, а третьи - на сине-фиолетовый. Когда стимулируется только один тип колбочек, мозг видит только один соответствующий цвет. Таким образом, если стимулируются наши "зеленые" колбочки - мы видим "зеленый" цвет. Если красно-оранжевые - "красный". Если одновременно стимулировать зеленые и красно-оранжевые колбочки, мы видим желтый цвет. Глаз не способен отличить настоящий желтый цвет от некоей комбинации красного и зеленого. То же самое касается нашего восприятия таких цветов как циан, фуксин и прочих межспектральных цветов.

Из-за такого физиологического свойства нашего глаза, мы можем его "обмануть", представив полную гамму видимых цветов путем пропорционального смешивания всего лишь трех: красного, зеленого и синего.

  
Кривые чувствительности к спектру трех типов колбочек человеческого глаза

2) Определение основных  цветов

Разложив любой  цвет с помощью призмы можно определить составляющие его красный, зеленый  и синий цвета (основные аддитивные цвета), либо циан, фуксин и желтый (основные субтрактивные цвета). Этот простой, но показательный прием позволяет определить настоящие основные цвета. Чем точнее мы знаем, какие цвета являются основными, тем больше вторичных цветов с их помощью мы можем воспроизвести.

  
  
Просматривая  эти круги через призму мы можем  увидеть основные цвета. Круг на белом  фоне разлагается на комбинацию Циан/Фуксин/Желтый. Тот же круг на черном фоне разлагается на комбинацию Красный/Зеленый/Синий.

3) Аддитивный и субтрактивный  цвет

Телевизоры, камеры, сканеры, мониторы компьютеров основаны на аддитивной системе воспроизведения  цветов (RGB), где красный (R), зеленый (G) и синий (B) в комбинации создают белый. Офсетная печать, цифровая печать, краски, пластик, ткань и фотография основаны на субтрактивной системе цвета (CMY/CMYK), где смесь циана (C), фуксина (M) и желтого (Y) создают черный цвет (K).

Уникальность COLORCUBE состоит в том, что в нем  обе системы объединены в одну модель. Чтобы переключиться из системы RGB в систему CMYK, достаточно всего лишь повернуть куб.

  
Оси RGB и CMY помещенные в одно и то же пространство опорных  цветов. Вид извне.

4) Цветовые модели

С каждым новым  успехом в теории цвета появляется новая модель, с помощью которой излагается эта новая теория. К сожалению, приверженцы старых цветовых моделей редко когда обращают внимание на новые модели. Например, популярный сейчас цветовой круг мало чем отличается по внешнему виду и работе от того, что был представлен сэром Исааком Ньютоном. Художники, опираясь на этот круг, по-прежнему неправильно считают основными цветами красный, желтый и синий вопреки тому факту, что такие технологии как офсетная печать и фотография, которым уже более ста лет, базируются на трехмерной системе цвета, где основными цветами являются циан, фуксин и желтый.

В число прочих моделей, используемых специалистами  в различных отраслях, являются: Hue/Saturation/Value (HSV), карты CMYK, система RGB, система  цветов Pantone, система CIE, стандартные цвета DIN и карты спектрального свечения.

Компьютеры  и прочие цифровые устройства определяют цвет, основываясь на новой цветовой модели, которая называется COLORCUBE. Она  охватывает область цифрового представления  цвета.

5) Хранение изображений в компьютере

Все цифровые устройства работы с цветом хранят, обрабатывают и воспроизводят цвет и цветные  изображения с помощью значений RGB. Для того чтобы сохранить цифровое изображение, его сначала требуется  разбить на сетку мелких пикселей (точек). Каждый пиксель замеряется на количество в нем красного, зеленого и синего цветов. Затем все изображение в целом записывается пиксель за пикселем. Для хранения изображения площадью 3 квадратных дюйма с разрешением 150 точек на дюйм требуется 202.500 пикселей или 607.500 байт.

Часто теоретическую  модель, описывающую принцип хранения цветов в компьютере, представляют в виде куба. Этот метод прекрасно  зарекомендовал себя, позволяя с легкостью  переключаться между различными цветовыми моделями, включая цветовой круг, схему CIE, схему HSV, сферу Мюнселя, систему Pantone, стандарт цветов DIN и карту цветов спектрального свечения.

Фундаментальное отличие COLORCUBE от всех других моделей  состоит в том, что куб описывает  цвета в цветовом пространстве, основываясь на входных параметрах (на количестве основных пигментных цветов, используемых для создания смешанного цвета). Другие же модели базируются на измерении выходных параметров (т.е. на том, как выглядит результирующий цвет). Система цветов, основанная на входных параметрах, значительно облегчает решение вопросов с наименованием цветов, из воспроизведением, выводом, калибрацией, обработкой и преобразованием в другие цветовые схемы.

6) Представление цветовой  гаммы

Возможность представить  все существующие цвета в виде трехмерной цветовой гаммы и видеть их взаимосвязь друг с другом дает огромное преимущество при работе с цветом. Хотя уже и существуют несколько компьютерных моделей, отображающих теоретически цветовую гамму, модель COLORCUBE первая в своем роде физическая модель, в которой видимы все внутренние цвета.

Человеческий  глаз способен видеть более 16 миллионов  оттенков цветов. Ключевое свойство COLORCUBE состоит в том, что сначала  определяются внешние точки куба, а затем определяются цвета и  оттенки между этими ключевыми точками. Таким образом, определяя крайние границы цветовой гаммы, мы получаем также возможность видеть и промежуточные цвета. Задавая общее количество требуемых цветов, мы можем генерировать кубы любой плотности. Например, COLORCUBE который определяет все воспроизводимые цвета будет иметь в каждой грани 256 кубиков, то есть состоять из 16,777,216 кубиков.

  
Цветовые плоскости  в трехмерном цветовом пространстве

7) Смешивание цветов

Каждый цветовой элемент в COLORCUBE имеет уникальный цифровой идентификатор, указывающий  на то, в какой пропорции были использованы исходные значения для  воспроизведения данного цвета. Каждый элемент так же имеет свое уникальное местоположение внутри куба. Таким образом образуется связь между информацией о положении и информацией о способе смешении цветов для данного элемента.

Если дана информация о смешении цветов, мы всегда сможем вычислить где в кубе расположен данный элемент. Если дано расположение элемента, мы можем вычислить в какой пропорции надо смешивать основные цвета, чтобы получить цвет данного элемента. Используя это свойство COLORCUBE нам не нужно уже больше гадать по поводу названий цветов, их описаний и параметров смешения. Теперь мы можем быть точно уверенны в том, что определенный нами цифровой цвет всегда можно будет воспроизвести в данной гамме и что это будет один и тот же цвет.

8) Выбор цвета

Уникальное  трехмерное расположение цветов в модели COLORCUBE прекрасно подходит для инструментов выбора цвета. С помощью куба запросто можно определять дополнительные цвета, гармоничные комбинации, подбирать теплые и холодные цвета, находить ненасыщенные цвета, их оттенки, цвета с одинаковыми значениями. Становится ясным, что все взаимосвязи между цветами носят математический характер, и эти взаимосвязи можно смоделировать с помощью простой математики в декартовых координатах XYZ.

9) Манипуляции с цветом

Для манипуляции  с цветами в цветовой гамме  необходимо определить набор математических правил, с помощью которых будут меняться цвета. Математика цвета (статья о ней будет переведена позже) разбивает цвет на составляющие основные цвета а затем проводит с ними математические операции. В результате выводятся формулы смешивания для получения любого нового цвета, выбранного с COLORCUBE.

Например, для  того, чтобы предсказать результат  смешения двух цветов, разложите каждый цвет на составляющие его основные цвета. Затем, сложите одинаковые основные цвета. В результате получаются координаты, по которым в COLORCUBE можно найти получаемый цвет. Та же логика применяется и к вычитанию цветов (вычитанию одного цвета из другого), а также к таким более сложным операциям как регулировка контраста, яркости и насыщенности.

Математика  цвета в гамме субтрактивных  цветов: 
I. Равное количество циана, фуксина и желтого (ABC) дает черный (K) 
II. Потому что: 
1. Равные количества фуксина и желтого дают красный 
2. Равные количества циана и желтого дают зеленый 
3. Равные количества циана и фуксина дают синий 
4. Равные количества красного, зеленого и синего дают черный

10) Определение цветов  и калибрация

Проблемы, возникающие  при калибрации и определении  цветов, вызваны тем, что все эти системы используют различные диапазоны видимых цветов. Для того, чтобы эффективно определять цветовые соответствия между различными цветовыми системами, необходимо проводить сложные математические вычисления. Если эти вычисления не сделать достаточно точными, цвета конечного изображения не будут соответствовать оригиналу.

В настоящее  время для правильного определения  соответствия цветов производятся спектральные замеры каждого из устройств, участвующих  в процессе, при этом в одинаковых условиях освещенности. После этого цвета переводятся в единое поле системы CIE.

В таких популярных программах, как Corel Photo Paint и Hewlett Packard Scanning имеются средства с двухмерным интерфейсом  калибрации цвета. Эти интерфейсы сложны в использовании, не дают полной информации и требуют глубоких знаний о цвете.

Если трехмерная модель цвета получит признание  и будет использована в интерфейсах  программ, это будет значительный шаг в их улучшении. В трехмерном пространстве проще отобразить различные  цветовые системы и их соответствия, а также весь набор теоретически видимых цветов.

Заключение

Если система  цифрового цвета ценой в 50.000 долларов не дает желаемых результатов, пользователи считают, что им надо еще подучиться. Если же система стоит 5.000 долларов, пользователи считают, что она "кривая."

По мере того, как системы работы с цифровым цветом становятся все менее дорогими, и число их растет, увеличивается  и спрос на эффективное обучение пользователей работе с этими  продуктами. Для того, чтобы пользователи лучше понимали и разбирались в с сложных проблемах с цветом, они должны по меньшей мере знать основы цифрового цвета.

COLORCUBE - это элегантная  модель представления цифрового  цвета, с помощью которой можно  обучать простым понятиям цвета.  Пользователи смогут легко усвоить основы физиологии восприятия цвета, понять сложную связь между аддитивной и субтрактивной системами цвета, а также освоить математику манипуляции цветами.

В эпоху, когда  искусство, наука и другие отрасли, работающие с цветом, переходят в цифровую ипостась, необходимо придти к единому пониманию цвета. COLORCUBE может послужить моделью для этого понимания.

 

Photoshop — это «модная штучка» в том смысле, что определенный режим (mode по-английски) лежит в основе любых видов работы программы. В соответствии с терминологией фирмы Adobe вы можете установить режим выполнения некоторой операции, например Quick Mask (Быстрая маска). С другой стороны, чтобы представить вашу графическую работу в нужном виде, также может потребоваться установить определенный режим. Примером режимов последнего типа служат режимы, называемые цветовыми (color modes), хотя некоторые из них, такие как Bitmap (Битовый), Grayscale (Градации серого) или Duotone (Дуплекс), вызывают подавление отдельных или даже всех цветовых оттенков. Цветовые режимы иногда называют также режимами изображения.

Цветовые режимы служат для определения понятия цвета  в терминах его глубины (то есть числа  битов, используемых для хранения информации о цвете отдельной точки-пикселя) и/или цветовых каналов (то есть базовых цветов, лежащих в основе режима). Понимание вами основ цветовых режимов является очень важным моментом в связи с тем, что некоторые команды программы Photoshop действуют только в строго определенных цветовых режимах, как правило, RGB или Grayscale (Градации серого). В результате приходится планировать выполнение операций, требующих режимов, отличных от текущего, после завершения всех операций, соответствующих текущему режиму. Еще одна причина важности цветовых режимов состоит в том, что графика, подготавливаемая для тех или иных способов демонстрации (на бумаге, на пленке, на экране), должна преобразовываться к нужной цветовой модели. Например, графику, предназначенную для демонстрации на Web-узлах, лучше сохранять в формате GIF, что требует преобразования файлов к палитре индексированных цветов, число которых не превышает 256. С другой стороны, графика, предназначенная для подготовки высококачественных цветных репродукций, должна воспроизводиться методом четырехслойной печати с использованием разностной цветовой модели, основанной на отражении световых лучей от слоев чернил четырех базовых цветов. Такая модель носит название CMYK, цветовая модель (от слов Cyan (Бирюзовый), Magenta (Пурпурный), Yellow (Желтый) и blacK (Черный)). В отличие от нее другая встроенная в Photoshop цветовая модель, RGB, основана на суммировании световых лучей трех базовых цветов — красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue).