Описание цвета

Цвет в понимании физика — это синоним длины волны света в видимой области. Однако для художника или полиграфиста этот гипотетический цвет совершенно не важен. Для нас принципиально, как будет выглядеть цвет для наблюдателя, т. е. физическая величина связывается с биологическим процессом цветного зрения. В глазу человека есть-цветочувствительные элементы, воспринимающие отдельные компоненты цвета объектов. Затем в головном мозге данные обрабатываются и синтезируется цвет. У разных людей чувствительность этих элементов различна. Обработка также происходит по-разному.

Однако задача точного описания цвета, тем не менее, существует. В производстве полиграфической продукции, при выпуске фильмов и телепередач, вообще везде, где конечный продукт имеет окраску, необходимо соответствие этого цвета неким образцам. Во многих случаях к корректности цветопередачи предъявляются жесткие требования, например в высококачественной полиграфии. Для того чтобы использовать-цвет в процессе работы над изображениями и публикациями, необходимо его описать в цифровом виде, т. е. кодировать. Ведь только в этом случае программа графического приложения поймет, в какой цвет вы хотите раскрасить данный объект.

Кодирование цвета — очень непростая задача. В каких единицах измерить цвет? Что взять за точку отсчета? Как выразить бесконечное число видимых цветов с помощью небольшого числа переменных? Существует несколько способов математического описания цвета, называемых цветовыми моделями. Описание цвета на основе цветовой модели основано на следующем положении: путем смешивания нескольких базовых или основных цветов можно получить остальные цвета, называемые составными. Таким образом, цвет можно математически описать как соотношение базовых компонентов (создать модель цвета).

Примером составления сложного цвета на основе базовых является рисование красками. Из тюбиков выдавливаются краски базовых цветов (например, синий и желтый). После смешения их на палитре или на бумаге образуется краска смешанного (зеленого) цвета. В зависимости от соотношения базовых компонентов варьируются оттенки зеленого.

Параметры цвета могут быть выражены с помощью многих цветовых моделей, в зависимости от того, какие компоненты цвета считать базовыми. Наиболее часто для работы в графических пакетах и для передачи данных применяются цветовые модели RGB, CMYK, Lab. Иногда в процессе создания цветов используется и приблизительное описание цвета HSB.

Цветовой охват

Диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован или описан каким-либо способом, называется цветовым охватом. Определенный цветовой охват имеют электронно-лучевые трубки мониторов и полиграфические краски (диапазон цветов, который они могут воспроизвести), цветовые модели (диапазон цветов, который они могут описать) и, конечно, человеческий глаз (диапазон воспринимаемых им цветов). Многое из того, что воспринимает глаз, может передать монитор (на экране нельзя точно передать, например, чистый голубой и чистый желтый цвет). Часть того, что передает монитор, можно напечатать (например, при полиграфическом исполнении совсем не передаются цвета, составляющие которых имеют очень низкую плотность). Разность цветовых охватов представлена схемой на рис. 19.1. На этом рисунке показан охват человеческого глаза (соответствует модели цвета Lab), монитора, отображающего цвета в модели RGB, и офсетного станка, являющегося CMYK-устройством.

Рис. 19.1. Цветовой охват

Цвета образуются в природе по-разному. С одной стороны, источники света (солнце, лампочки, экраны компьютеров и телевизоров) излучают световые волны различной длины, воспринимаемые глазом как цветной свет. Попадая на поверхности несветящихся предметов, свет частично поглощается, а частично отражается. Отраженное излучение воспринимается глазом как окраска предметов. Таким образом, цвет объекта возникает в результате излучения или отражения. В первом и во втором случае описание цвета объекта отличается, т. е. для его описания применяются разные модели цвета.

Увидеть и определить цвет и параметры моделей можно на палитре Color (Цвет).

Модель RGB

Эта модель описывает излучаемые цвета. Модель RGB основана на трех базовых цветах — Red (Красный), Green (Зеленый), Blue (Синий). Остальные цвета образуются при смешивании этих трех основных. При сложении (смешении) двух лучей основных цветов результат светлее составляющих. Цвета этого типа-называются аддитивными (рис. 19.2).

При смешении красного и зеленого получается желтый, при смешении зеленого и синего — голубой, синий и красный дают пурпурный. Заметим, что речь идет именно о цветных лучах света, а не о привычных нам отраженных цветах. Смешение лучей обязательно даст в результате более светлый луч, чем исходные лучи (усиливается освещение). Если смешиваются все три цвета, образуется белый цвет. Смешав три базовых цвета в разных пропорциях, можно получить все многообразие оттенков. Базовые цвета иначе называются компонентами, или каналами. RGB — трехканальная цветовая модель. В модели RGB кодирует изображение сканер, отображает монитор и воспринимает человеческий глаз, поэтому можно считать ее основной моделью.

Рис. 19.2. Аддитивная цветовая модель RGB

Рис. 19.3. Модель RGB

Модель RGB можно представить себе в виде трехмерного куба, по трем осям которого откладываются значения компонентов (рис. 19.3). В начале координат все составляющие равны нулю, излучение отсутствует (черный цвет). В точке, противоположной началу координат, все составляющие имеют максимальное значение (белый цвет). На линии, соединяющей эти точки по диагонали, три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до максимального значения. Они образуют серые оттенки от черного до белого — серую шкалу. Три вершины куба отображают чистые исходные цвета, остальные три — двойные смешения исходных цветов.

Количество каждого компонента RGB выражается либо в процентах (реже), либо числами от 0 до 255. Всего получается 256 оттенков каждого компонента и 256 оттенков серого.

Почему 256 оттенков?

На каждый канал изображения в памяти компьютера отводится какое-то количество бит. Для монохромного достаточно 1 бита, в этом случае максимально возможное число цветов 2 (2¹=2). Для описания полутонового изображения отводится 8 бит. 256 — максимально возможное число значений восьмибитного канала (2⁸=256). Этого достаточно, чтобы передать оттенки серого. Каждый канал полноцветного изображения представляет собой восьмибитное полутоновое изображение; максимальное число градаций канала, таким образом, составляет те же 256.

Модель RGB аппаратно-зависима. Когда цвет в модели RGB отображается на экране монитора, значения компонентов — это, практически, напряжение, подаваемое на каждую из лучевых трубок. Результат зависит от характеристик устройства. На цвет, который вы увидите, оказывают влияние оттенки люминофора, его яркость и пр. Цвета, имеющие одни и те же характеристики, будут выглядеть по-разному на двух мониторах. При сканировании наблюдается та же ситуация — один и тот же цветной оригинал при сканировании разными сканерами дает цвета с различными характеристиками.

Модель HSB

Последней из моделей, которые мы опишем в данной главе, является HSB. Это очень понятная и удобная в работе модель. Она, теоретически, описывает как аддитивные, так и субтрактивные цвета. Метод описания похож на тот, которым пользуется художник. Он берет яркую краску из банки. Чтобы сделать краску светлее, он добавит белил, для затемнения краски — сажи. Все понятно и просто. Именно поэтому модель исключительно популярна среди компьютерных художников. Базовые компоненты модели — цветовой тон (Hue), насыщенность (Saturation), яркость (Brightness).

• Цветовой тон характеризует положение энергетического максимума излучения в спектре. Все цветовые тона часто графически изображают в виде круга. Красный цвет принят за нулевое значение, положение остальных цветов характеризуется величиной угла между данным тоном и красным и может изменяться в пределах от 0 до 360. Для чистых спектральных цветов цветовой тон (Hue) является исчерпывающей характеристикой. Однако цвет может быть осветлен (уменьшена его насыщенность) или затемнен (уменьшена яркость).
  
• Насыщенность является мерой чистоты цвета. Чем ближе излучение к монохроматическому, тем выше его насыщенность. Для чистых спектральных цветов параметр Saturation имеет максимальное значение. Насыщенность может изменяться от максимума (100 или 255 градаций) до нуля. Чем меньше насыщенность, тем светлее цвет. При нулевой насыщенности чистый спектральный цвет становится белым.
  
• Яркость характеризует энергию излучения. Спектральные цвета имеют максимальную яркость (100% или 255 градаций). При снижении яркости цвет становится темнее. Если параметр Brightness равен нулю, любой цвет превращается в черный. Уменьшение яркости цвета можно сравнить с добавлением к нему черной краски.
  

Поскольку в основе модели находится цветовой круг; в котором начало и конец совпадают, цветовое пространство HSB удобнее всего представить в виде цилиндра (рис. 19.4). Спектральные цвета расположены по верхнему радиусу. К центру круга убывает насыщенность цвета. По высоте цилиндра убывает яркость цветов. Нижняя плоскость цилиндра — черная. Каждый срез цилиндра — это спектральный круг с уменьшающейся яркостью. Серая шкала — линия, соединяющая середины верхнего и нижнего оснований цилиндра.

Рис. 19.4. Представление модели HSB

Несмотря на интуитивную ясность и удобство применения, HSB в настоящее время используется только как вспомогательная модель. Этому есть очень серьезные причины. Математически эта модель основана на компонентах модели RGB, что делает выражение цвета в модели неточным, поскольку RGB аппаратно-зависима. Кроме того, HSB неверно трактует яркость пикселов. В этой модели расчет исходит из предпосылки, что основные аддитивные цвета имеют одинаковую яркость. Таким образом, яркость оценивается по формуле

Y = R/3 + G/3 + В/3,

где каждый из компонентов вносит в суммарную яркость точки одинаковый вклад. Поскольку разные базовые цвета имеют разную воспринимаемую яркость, данная формула не отражает реального положения вещей.

Y=0,2126R+0,7125G+0,0722B.

Модель CMYK

Несветящиеся объекты поглощают часть спектра белого света, освещающего их, и отражают оставшееся излучение. В зависимости от того, в какой области спектра происходит поглощение, объекты отражают разные цвета и представляются ими окрашенными. Цвета, которые образуются отражением части спектра белого цвета, называются субтрактивными ("вычитательными") (рис. 19.5).

Рис. 19.5. Субтрактивные цвета. Модель CMY

Рис. 19.6. Цветовая модель CMY

Для их описания используется модель CMY. В этой модели основные цвета образуются путем вычитания из белого цвета основных аддитивных цветов модели RGB. Понятно, что в таком случае и основных субтрактивных цветов будет три: голубой (белый минус красный), пурпурный (белый минус зеленый), желтый (белый минус синий). При смешениях двух субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется (поглощено больше света, положено больше краски). Таким образом, при смешении максимальных значений всех трех компонентов должен получиться черный цвет. При полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) получится белый цвет (белая бумага). Смешение трех компонентов в равных количествах даст оттенки серого. Модель CMY (рис. 19.6) можно представить себе в виде куба, аналогичного представлению RGB с перемещенным началом координат.

Данная модель используется для печати цветных изображений. Пурпурный, голубой, желтый цвета составляют так называемую, полиграфическую триаду. При печати этими красками довольно большая часть видимого цветового спектра может быть репродуцирована на бумаге. Ясно, что модель CMYK аппаратно-зависима — ведь в образовании цвета участвуют краски и бумага. В зависимости от их свойств, цвет, имеющий одни и те же характеристики, будет выглядеть по-разному.

Описание цвета с помощью CMY приводит к возникновению нескольких серьезных проблем.

Во-первых, реальные краски имеют примеси и оттенки посторонних цветов. Смешение трех основных красок в результате дает неопределенный грязно-коричневый, а не черный цвет. Кроме того, для получения интенсивного черного необходимо положить на бумагу большое количество краски каждого цвета. Это приведет к переувлажнению бумаги, причем качество печати снизится. К тому же неэкономно расходуется краска. Для улучшения качества отпечатка в число основных полиграфических красок (и в модель) внесена черная. Именно по этой причине добавлена последняя буква в название модели CMYK, хотя и не совсем обычно: С — это Cyan (Голубой), М — это Magenta (Пурпурный), Y — Yellow (Желтый). Название черного компонента сокращено до буквы К (BlacK или Key — ключевая). Число компонентов (каналов) увеличилось до четырех. CMYK — четырехканальная цветовая модель. Как и для модели RGB, количество компонента может быть выражено в градациях от 0 до 255 или, реже, в процентах. Иллюстрации, содержащие большое количество цветов, печатаются четырьмя красками базовых цветов модели CMYK. Цвета, печатаемые таким способом, называются триадными.

Другая проблема заключается в узости цветового охвата CMYK. При печати этим способом невозможно адекватно передать оттенки яркого синего, оранжевого, зеленого цветов. Если изображение содержит описанные цвета, часто используют другие цветовые модели, с большим числом компонентов, например модель Hexachrome, в которую, кроме описанной триады и черного, входят зеленый и оранжевый цвета. Цветовой охват при печати в шесть красок значительно шире.

Плашечные цвета

Для передачи особых цветов (пастельные тона, бронза, серебро, светящиеся краски) используется плашечная печать — кроме базовых четырех красок, накладывается пятая (шестая, седьмая и т. д.). Оттенок этой краски подобран заранее, и она накладывается там, где встречается в публикации. Плашечные цвета обеспечивают довольно высокую точность воспроизведения, поэтому используются и тогда, когда нужно получить очень точный цвет (например, в логотипе компании). Плашечные цвета иначе называют простыми. Плашечные цвета широко используются и для печати публикаций, содержащих небольшое количество (до четырех, включая черный) отдельных цветов (визитки, бланки, прайс-листы, газеты и пр.). Это делается из соображений экономии.

С точки зрения печатника, различие между шашечными и триадными цветами очень существенно. Краски для плашечных цветов поставляются уже смешанными (в отдельных банках), а триадные цвета получаются смешением красок на листе отпечатка. Соответственно, и в компьютерных издательских системах краски для плашечных цветов выбираются из каталога, а триадные задаются пропорцией базовых компонентов. С помощью триадных красок можно передать любые цвета, а с помощью плашечных — только оттенки их собственного цвета. С другой стороны, плашечные цвета обеспечивают довольно высокую точность воспроизведения, поэтому используются и тогда, когда нужно получить очень точный цвет. Плашечные цвета иначе называют простыми.

Lab — аппаратно-независимая модель

В процессе подготовки изображения приходится конвертировать изображение из одной модели в другую (сканер — RGB-устройство; печатный станок работает с моделью CMYK). Чтобы уменьшить потери до приемлемого уровня, необходимо откалибровать все аппаратные средства: сканер (осуществляет ввод изображения), монитор (по нему судят о цвете), выводное устройство (создает оригиналы для печати), печатный станок (конечная стадия печати). Модели RGB и CMYK связаны друг с другом, однако их взаимные переходы друг в друга (конвертирование) не происходят без потерь, поскольку две эти модели имеют разный цветовой охват. Калибровка лишь несколько сглаживает проблему. Кроме того, RGB и CMYK аппаратно-зависимы. Если речь идет о RGB, то в зависимости от примененного в вашем мониторе люминофора будут различаться базовые цвета. Точка белого также зависит от устройства монитора. В результате на разных мониторах одно и то же изображение выглядит по-разному. Если обратиться к CMYK, то здесь различие еще более ощутимо, поскольку речь идет о реальных типографских красках, особенностях как самого печатного процесса, так и носителя.

Из этого можно сделать неутешительный вывод: оригинал, сканированное изображение и отпечаток могут очень сильно различаться между собой. Мало того, цвет двух отпечатков одного и того же изображения, полученных на разных принтерах, может быть совершенно разным.

Одной из основных задач при работе с цветными изображениями становится достижение предсказуемого цвета. Для этого создана система управления цветом (CMS). Это программная система, цель которой — адекватная цветопередача на всех этапах полиграфического процесса, от сканера до печатного станка. Заметим, что в полиграфический процесс входят системы, работающие на основе аппаратно-зависимых цветовых моделей — RGB (сканер, монитор) и CMYK (фотонаборная и печатная машины). Это значит, что необходим некий стандарт, к которому бы приводились цвета на всех этапах процесса.

В качестве стандарта используется цветовая модель Lab. Она была создана как аппаратно-независимая и соответствующая особенностям восприятия цвета глазом человека. Любой цвет данной модели определяется яркостью (L) и двумя хроматическими компонентами: параметром а, который изменяется в диапазоне от зеленого до красного, и параметром b, изменяющимся в диапазоне от синего до желтого (рис. 19.7). При изменении оба хроматических компонента проходят через серую точку, расположенную в середине шкалы. Параметры Lab изменяются от 0 до 255. Это также трехканальная модель.

Рис. 19.7. Модель Lab

Яркость в модели Lab полностью отделена от цвета. Это делает модель удобной для регулирования контраста, резкости и других тоновых характеристик изображения. Она является трехканальной. Цветовой охват модели Lab чрезвычайно широк. Он включает в себя охваты всех других цветовых моделей, используемых в полиграфическом процессе.

Суть процесса управления цветом заключается в следующем: для каждого устройства, участвующего в процессе, создается профиль, описывающий его цветовой охват. Изображение обрабатывается устройством ввода (сканером) и переводится в цветовую модель Lab. При этом программа делает поправку на особенности цветового охвата сканера (учитывает его профиль). Таким образом, получаются стандартные цвета изображения. Затем изображение передается устройству вывода (монитору или принтеру). При выводе оно снова переводится в цветовую модель устройства вывода таким образом, чтобы с учетом профиля устройства получить результат, как можно более близкий к идеальному, хранящемуся в Lab.

Цветовая модель Lab очень важна для полиграфии. Именно она используется при переводе изображений из одной цветовой модели в другую, между устройствами и даже между различными платформами. Можно сказать, что Lab является переводчиком, без которого взаимопонимание систем, участвующих в процессе подготовки цветной публикации, невозможно.