Представление цвета в компьютерных системах Введение в теорию цвета.
Цвет – это один из факторов нашего восприятия светового излучения. Одним из первых выдающихся достижений в этой области являются опыты Исаака Ньютона в 1666г. по разложению белого света на составляющие. Ранее считалось, что белый свет является простейшим. Ньютон опроверг это. Суть опытов Ньютона такова. Белый луч света направлялся на стеклянную треугольную призму. Пройдя сквозь призму луч преломлялся и, будучи направленный на экран, давал в результате цветную полоску – спектр. В спектре присутствовали все цвета радуги плавно переходящие друг в друга. Эти цвета уже не раскладывались на составляющие. Ньютон разбил весь спектр на семь участков, соответствующих ярко выраженным различным цветам. Он считал эти семь цветов основными – красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.
Вторая часть опытов Ньютона была такова. Лучи, прошедшие сквозь призму, направлялись на вторую призму, с помощью которой удалось вновь получить белый свет. Таким образом, было доказано, что белый цвет является смесью множества различных цветов. Семь основных цветов Ньютон расположил по кругу (рис. 1).
Ньютон предположил, что некоторый цвет образуется путем смешивания основных цветов, взятых в определенной пропорции. Если в точках на границе цветового круга, соответствующих основным цветам, расположить грузы, пропорциональные количеству каждого цвета в смеси, то суммарный цвет будет соответствовать точке центра тяжести. Белый цвет соответствует центру цветового круга.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного - голубой. Таким образом, путём смешения из небольшого количества простых цветов, можно получить множество (и при чём довольно большое) сложных (составных). Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели - как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.
В настоящее время физики полагают, что цвет имеет двойственный характер. С одной стороны, свет представляется в виде потока частиц, с другой стороны свету присущи волновые свойства. Рассмотрим цвет с позиций волновых свойств. Одной из волновых характеристик света является длина волны – расстояние, которое проходит волна в течение одного периода колебания. Монохроматическим называется излучение, спектр которого состоит из единственной линии, соответствующей единственной длине волны. Радуга, полученная Ньютоном, состоит из бесчисленного множества монохроматических излучений. Достаточно качественным источником монохроматического излучения является лазер. Цвет монохроматического излучения определяется длиной волны. Диапазон волн видимого цвета от 380-400 нм до 700-780 нм (рис. 2).
В указанном диапазоне чувствительность человеческого зрения непостоянна. Наибольшая чувствительность наблюдается для длин волн, соответствующих зеленому цвету.
Как показал Ньютон, белый цвет можно представить смесью всех цветов радуги. Иными словами, спектр белого является непрерывным и равномерным – в нем присутствуют излучения всех длин волн видимого диапазона.
Для характеристики цвета используются следующие атрибуты:
Цветовой тон. Можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличить один цвет от другого.
Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения.
Насыщенность или чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета.
Указанные три атрибута позволяют описать все цвета и оттенки. То, что атрибутов именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета. Как мы увидим далее, имеются и другие трехмерные системы описания цвета.
Попытка объяснить цвет с помощью длин волн и спектра вообще говоря дает не полное, а вернее не правильное представление о цвете. Во-первых, глаз человека – это не спектроскоп. Зрительная система человека, скорее всего, регистрирует не длину волны и спектр, а формирует ощущения иным образом. Во-вторых, без учета особенностей человеческого восприятия невозможно объяснить смешение цветов. Например, белый цвет действительно можно представить равномерным спектром смеси бесконечного множества монохроматических цветов. Однако тот же белый цвет можно создать смесью всего двух специально подобранных монохроматических цветов (такие цвета называются взаимно дополнительными). Во всяком случае, человек воспринимает эту смесь как белый цвет. А можно получить белый цвет, смешав три или более монохроматических излучений.
Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком. Одними из основных законов колориметрии являются законы смешивания цветов. Эти законы в наиболее полном виде были сформулированы немецким математиком Германом Грассманом:
Цвет трехмерен – для его описания необходимы три компоненты. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.
Если в смеси трех цветовых компонент одна меняется непрерывно, в то время, как две другие остается постоянными, цвет смеси также меняется непрерывно.
Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонент и не зависит от их спектральных составов.
Аддитивная цветовая модель RGB
Эта модель используется для цветов, которые получаются с помощью устройств, основанных на принцип излучения. В качестве основных цветов выбран красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue). Иные цвета и оттенки получаются смешиванием определенного количества указанных основных цветов.
История системы RGB началась с эксперимента Тамаса Юнга (1773-1829). Он взял три фонаря и приспособил к ним красный, зеленый и синий светофильтры. Так были получены источники света соответствующих цветов. Направив на белый экран свет этих трех источников, ученый получил такое изображение (рис 3.)
На экране свет от источников давал цветные круги. В местах пересечения кругов наблюдалось смешивание цветов. Желтый цвет получался смешиванием красного и зеленого, голубой – смесь зеленого и синего, пурпурный – синего и красного, а белый образовывался смешением всех трех основных цветов.
К настоящему времени система RGB является официальным стандартом. Решением Международной Комиссии по Освещению – МКО (CIE – Commision International de l’Eclairage) в 1931 году были стандартизованы основные цвета, которые было рекомендовано использовать в качестве R, G и B.
Это монохроматические цвета светового излучения с длинами волн соответственно:
R – 700нм; G – 546.1нм; B – 435.8нм.
Еще одним важным параметром для системы RGB является цвет, получаемый смешением трех компонент в равных количествах. Это белый цвет. Оказывается, что для того, чтобы получить белый цвет, яркости соответствующих источников не должны быть равны друг другу, а должы находится в пропорции:
R:G:B=1:4.5907:0.0601
Субтрактивная цветовая модель CMYK
Используется для описания цвета при получении изображений на устройствах, которые реализуют принцип поглощения (вычитания) цветов. В первую очередь она используется в устройствах, которые печатают на бумаге. Название данной модели составлено из названий основных субтрактивных цветов – голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow).
Нанесение желтой краски на бумагу означает, что поглощается отраженный синий цвет. Голубая краска поглощает красный цвет, пурпурная краска – зеленый. Комбинирование красок позволяет получить цвета, которые остались. Черный цвет соответствует поглощению всех цветов при отражении.
На практике добиться черного смешиванием сложно из-за неидеальности красок, поэтому в принтерах используют еще и краску черного цвета.
Соотношение для перекодирования цвета из RGB в CMY и обратно:
Модель HSB
Эта цветовая модель является наиболее простой для понимания. Кроме того, она равно применима и для аддитивных, и для субстративных цветов.
HSB — это трехканальная модель цвета. Она получила название по первым буквам английских слов: цветовой тон (hue), насыщенность (saturation), яркость (brightness).
Характеризующие параметры цвета.
Цветовой тон (собственно цвет).
Цветовые тона или спектральные цвета располагаются на цветовом круге. Цветовой тон характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла в диапазоне от 0 до 360 градусов. Эти цвета обладают максимальной насыщенностью и максимальной яркостью.
Насыщенность (процент добавления к цвету белой краски) — это параметр цвета, определяющий его чистоту.
Если по краю цветового круга располагаются максимально насыщенные цвета (100%), то остается только уменьшать их насыщенность до минимума (0%). Цвет с уменьшением насыщенности осветляется, как будто к нему прибавляют белую краску. При значении насыщенности 0% любой цвет становится белым.
Яркость (процент добавления черной краски) — это параметр цвета, определяющий освещенность или затемненность цвета.
Все цвета рассмотренного выше цветового круга имеют максимальную яркость (100%) и ярче уже быть не могут. Яркость можно уменьшить до минимума (0%). Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. Работу с яркостью можно характеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски.
В общем случае, любой цвет получается из спектрального цвета добавлением определенного процента белой и черной красок, то есть фактически серой краски.
Другие цветовые модели
Как видите, большинство этих моделей привязывало цветовую гамму к основным геометрическим фигурам. Круги, которые позднее стали сферами, кажется были наиболее популярными. Также достаточно часто встречаются треугольники, которые потом превратились в конусы и пирамиды. Однако со временем для отображения видимых цветов в теории стали все чаще использовать квадратные и кубические модели.
Среди прочих моделей, на которые стоит обратить внимание, - сферы Мюнселя (Munsell Spheres) и диаграммы CIE, которые каждая по своему, являются теми стандартами, по которым сейчас измеряются цвета.
Кодирование цвета Полноцветные изображения
К полноцветным (true color) относятся типы изображений с глубиной цвета не менее 24 бит, то есть каждый пиксель такого изображения кодируется как минимум 24 битами, что дает возможность отобразить не менее 16,7 миллиона оттенков. Поэтому иногда полноцветные типы изображение называют True Color (истинный цвет).
Битовый объем каждого пикселя распределяется по цветовым составляющим: каждый цвет кодируется 8 битами. Цветовые составляющие в программе организуются в виде каналов, совмещенное отображение каналов и определяет цвет изображения.
Полноцветные изображения являются многоканальными. К изображениям этого класса относятся RGB, CMYK, L*a*b и другие. Они отличаются по глубине цвета и по способу математического описания цветов, то есть по цветовой модели.
Индексированные изображения (с палитрой)
Первые цветные мониторы работали с ограниченной цветовой гаммой: сначала 16, затем 256 цветов. Они кодировались 4 битами (16 цветов) или 8 битами (256 цветов). Такие цвета называются индексированными (indexed color). Разумеется, 16 (и даже 256) цветами невозможно убедительно передать цветовую гамму фотоизображений.
Применение индексированных цветов снизилось с распространением высококачественных мониторов, однако с ними работают до сих пор, например, Web-мастера. Кроме того, ограничение числа цветов можно использовать для получения интересных эффектов.
Индексированные цвета кодируются обычно четырьмя или восемью битами в виде так называемых цветовых таблиц. Глубина индексированного цвета может составлять 2-8 бит. Например, графическая среда Windows 95 поддерживает цветовую таблицу из восьми бит на пиксель, она называется системной палитрой (system palette). В этой таблице цвета уже предопределены, как мелки в коробке пастели, и вам остается только использовать то, что есть в коробке, то есть в таблице.
Выбор цвета Психологическое воздействие цветов
БЕЛЫЙ ЦВЕТ: ЗА И ПРОТИВ. Белый цвет воспринимается, как цвет абсолютной чистоты и, считаясь символом чего-то духовного и абстрактного, визуально означает "пустоту". Вследствие этого необходимо этот цвет во что бы то ни стало "оживить". Белый цвет может быть применим только тогда, когда он в целях нейтрализации контраста расположен между двумя "агрессивными" тонами или когда при его посредстве оформляется какая-то поверхность, которая специально должна привлекать внимание (указатель, предостережения, реклама). Мусорное ведро или урну для отбросов следует ставить на окрашенный в белый цвет круг или квадрат. Тогда урной будут пользоваться осторожнее, так как белая окраска психологически удерживает от загрязнения. Белые направляющие линии на черном или темном фоне дороги предупреждают нарушения при движении автотранспорта, так как они наилучшим образом привлекают внимание водителя. Когда нужно выделить наиболее важный цвет, например, противопожарный огненно-красный знак, логичным фоном для него будет белый цвет.
Классификация цветов по их психологическому воздействию на человека
Стимулирующие (теплые) цвета, способствующие возбуждению и действующие как раздражители:
красный - волевой, жизнеутверждающий;
кармин - повелевающий, требующий;
киноварь - подавляющий;
оранжевый - теплый, уютный;
желтый - контактирующий, лучезарный.
Дезинтегрирующие (холодные) цвета, приглушающие раздражение:
фиолетовый - углубленный, тяжелый;
синий - подчеркивает дистанцию;
светло-синий - уводит в пространство, направляющий;
сине-зеленый - подчеркивает движение, изменчивость.
Пастельные цвета, приглушающие чистые цвета:
розовый - нежный, производящий впечатление некоторой таинственности;
лиловый - замкнутый, изолированный;
пастельно-зеленый - ласковый, мягкий;
серовато-голубой - сдержанный.
Статичные цвета, способные уравновесить, успокоить, отвлечь от других возбуждающих цветов:
чисто зеленый - требовательный, освежающий;
оливковый - успокаивающий, смягчающий;
желто-зеленый - обновляющий, раскрепощающий;
пурпурный - изысканный, претенциозный.
Цвета глухих тонов, которые не вызывают раздражение (серые); гасят его (белый); помогают сосредоточиться (черный).
К ним относят две группы смешанных цветов.
Теплые темные тона (коричневые), стабилизирующие раздражение, действующие вяло, инертно:
охра - смягчает рост раздражения;
коричневый, землистый - стабилизирующий;
темно-коричневый - смягчающий возбудимость.
Холодные темные цвета, изолирующие и подавляющие раздражение:
темно-серые, черно-синие, темные - зелено-синие.
Надо иметь в виду, что цвета приобретают различный тон в зависимости от того, подходим ли мы к окрашенной поверхности сверху, снизу или со стороны. В случае, когда активен не один, а два цвета, мы можем из суммы этих цветов составить один цвет при условии, что они не дополнительны друг к другу, потому что у дополнительных цветов это соединение бесперспективно. Красный и желтый не дополнительны, следовательно, в их сумме будет проявляться активность, жизненность. Красный и зеленый могут взаимодействовать как означающие активность и пассивность одновременно и потому оба цвета создают впечатление беспокойства, мерцания при условии их одинаковой тональности и если они расположены рядом друг с другом. Рядом стоящие желтый и синий цвета полярно противоположны; один цвет лучезарен, другой "уводит" вглубь и как бы уходит за ним, что и создает впечатление подвижности.
Сочетания цветов
Сочетания цветов играют важную роль в создании гармонических композиций, хотя и они, подобно цвету одежды, подвержены моде. Одни цвета прекрасно сочетаются друг с другом, другие просто “режут” глаз (например, оранжевый и бордовый). Дизайнеру следует позаботиться о согласовании цвета, гармонии колорита. Надо стремиться к созданию цветовых аккордов, гармонических созвучий, причем каждый цвет должен поддерживать соседние, контрастно увеличивая их насыщенность, светлость или затемненность. Строгих законов цветовой гармонии не существует: одни и те же сочетания позволяют добиться различных эффектов в зависимости от соотношения в композиции цветов, порядка их чередования, а также от размеров и формы цветовых пятен. Техника цвета - это высшая математика для художника; у каждого мастера свои методы решения задач, но без “арифметики”, то есть без знаний строгих закономерностей теории цвета, совершенства не достичь.
Круг естественных цветов по Гете
Для определения гармоничного сочетания различных цветов пользуются цветовыми (колориметрическими) кругами. Рассмотрим широко используемый из них круг естественных цветов по Гете
Обозначение цветов и их название в цветовом круге:
К - красный;
КО - красно-оранжевый;
О - оранжевый;
Ж - желтый;
ЖЗ - желто-зеленый;
3 - зеленый;
СЗ - сине-зеленый;
С - синий;
СФ -сине-фиолетовый;
Ф - фиолетовый;
КФ - красно-фиолетовый.
Все существующие в полиграфии краски (краски, а не цвета!) образуются путем смешения всевозможных количественных сочетаний трех основных красок - красной (пурпурной), синей (голубой) и желтой. Исходя из этого, в круге представлены: треугольником СКЖ - первичные (основные) цвета, перевернутым треугольником ФОЗ - смешанные цвета первою порядка, а точками на окружности СЗ, СФ, КФ и т.д. - смешанные цвета второго порядка.
Наличие такого цветового круга позволяет дать следующие рекомендации:
• контрастные сочетания дают цвета, расположенные друг против друга (например, Ф и Ж). Расположенные рядом, они взаимно усиливают друг друга, их сочетание гармонично;
Гармоничность сочетания цветов
• сочетание цветов, расположенных по углам основного либо перевернутого треугольника (например, С и Ж), менее гармонично;
• сочетание цветов, расположенных в круге под углом 90°, целесообразно для подбора “цветовых аккордов” в два, три или четыре цвета (например, СФ и 3 или ЖО и 3, или все вместе, или три из них).
Шестисекторный колориметрический круг
Шестисекторный колориметрический круг позволяет выделить контрастные гармоничные сочетания - их образуют цвета, расположенные друг против друга: синий - оранжевый, красный - зеленый, желтый - фиолетовый. Допустимы сочетания цветов, расположенных в секторах через один, а вот использование соседних секторов в данном колориметрическом круге приводит к дисгармонии. Гармоничные сочетания двух и трех цветов можно получить с помощью вращающихся стрелок, которые следует закрепить в центре круга. Если направить одну стрелку на нужный цвет, то остальные укажут на цвета, гармонирующие с требуемым.
Большой цветовой круг Освальда
Есть и другие колориметрические цветовые круги, например большой цветовой круг Освальда, содержащий двадцать четыре цвета :
ЛЖ -лимонно-желтый,
Ж - желтый,
ЗОЛЖ - золотисто-желтый,
ЖОР - желто-оранжевый,
КОР - красно-оранжевый,
КИНК - киноварно-красный,
К - красный,
КАРК - карминно-красный,
ПУРК - пурпурно-красный,
ПУРФ - пурпурно-фиолетовый,
Ф - фиолетовый,
СФ - синевато-фиолетовый,
СИНФ - сине-фиолетовый,
УЛ - ультрамариновый,
СРС - средне-синий,
С - синий,
ВС - васильково-синий,
БИР - бирюзовый,
ЦМВ -цвет морской волны,
ИЗЖ - изумруд
СЗ - сине-зеленый,
СРЗ - средне-зеленый,
ХЛ - хлорофилловый,
ЖЗ - желто-зеленый.
Принцип пользования кругом аналогичен принципу пользования шестисекторным. |
