3.1 Природа кольору. Системи опису кольору. Колірні моделі

У комп'ютерній графіці в залежності від виду роботи із зображенням вибираються певні способи подання інформації кольорів. Всі вони засновані на результатах вивчення природи кольору, а їх вибір пов'язаний з характером завдання обробки/створення зображень і відповідним типом графічних пристроїв.

Природа кольору. Системи опису кольору

Питання про природу світла і закони його розповсюдження вивчалися ще грецькими філософами. Роботи Евкліда, Лукреція, Птолемея, арабського вченого Альгазена, пізніше голландського фізика Снелліуса підготували ґрунт для появи корпускулярної концепції Декарта-Ньютона.

В рамках цієї концепції світло представлялося у вигляді найдрібніших світлових частинок – корпускул, що випускаються тілом, яке світиться, і летять з величезною швидкістю.

Поряд з корпускулярною концепцією Декарта-Ньютона виникла і розвивалася альтернативна хвильова теорія, розроблена в роботах Гука, Гюйгенса і Френеля. У цій теорії світло представляло собою хвилю, що поширюється в деякому матеріальному середовищі, назване ефіром.

До середини XIX століття хвильова теорія світла стала загальноприйнятою. Теоретичні дослідження великого англійського вченого Джеймса Кларка Максвелла (1865р) привели до припущення про електромагнітну природу світлових хвиль. Світло виявилося окремим випадком електромагнітних хвиль з довжиною хвилі від λ = 400 нм (фіолетовий) до λ = 760 нм (червоний); одиниця довжини нанометр (нм) дорівнює 10-9 м. Тільки цей інтервал значень λ безпосередньо впливає на око людини.

Однак, існував ряд фізичних явищ, що не піддаються поясненню з позицій теорії Максвелла. Вихід з цих труднощів був знайдений лише на початку XX століття завдяки відкриттям Макса Планка, Альберта Ейнштейна, Нільса Бора, Луї де Бройля і Ервіна Шредінгера. Праці цих учених заклали фундамент квантової фізики, розвиток якої продовжується і в наші дні.

У підсумку, тривалий шлях досліджень привів до сучасних уявлень про двоїсту корпускулярно-хвильову теорію світла.

Колір – це характеристика сприйняття оком електромагнітних хвиль різної довжини, тому саме довжина хвилі визначає для ока видимий колір.

Амплітуда, яка визначає енергію хвилі (пропорційну квадрату амплітуди), відповідає за яскравість кольору. Таким чином, саме поняття кольору є особливістю людського бачення навколишнього середовища.

У 1860 р Ісаак Ньютон довів, що білий колір є складним і містить «чисті» кольори: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Кожен з цих кольорів характеризується своїм заломленням, тобто величиною відхилення напрямку руху світлового променя на межі розділу двох середовищ «повітря» – «вода».

Отже, розкладання сонячного світла за допомогою суцільної скляної призми дає сім основних кольорів. Колір характеризується довжиною світлової хвилі, і світлові хвилі різних довжин сприймаються людським зором як різні кольори.

Якщо спостережуване світло містить видимі довжини хвиль у нерівних кількостях, то воно є хроматичним і сприймається як усереднений колір.

Якщо спостережуване світло містить видимі довжини хвиль у приблизно рівних кількостях, то воно буде ахроматичним, тобто білим. Єдиним атрибутом такого кольору є інтенсивність або кількість. З інтенсивністю можна зіставити скалярну величину, визначаючи чорне як 0, а біле як 1. Тоді середнюсірому кольору буде відповідати значення 0,5.

Під час суб'єктивного опису хроматичного кольору використовують три величини: колірний тон, насиченість і світлота. Тон дозволяє розрізняти кольори червоний, зелений, жовтий і т. ін. Насиченість характеризує чистоту, тобто ступінь ослаблення (розведення) даного кольору білим світлом, і дозволяє відрізняти рожевий колір від червоного, смарагдовий від яскраво зеленого тощо. Іншими словами, за насиченістю роблять висновки про те, наскільки м'яким або різким здається колір.

Світлота відображає уявлення про інтенсивність як про фактор, що не залежить від колірного тону і насиченості.

На рис. 3.1. схематично зображено око людини. Фоторецептори, розміщені на поверхні сітківки, відіграють роль приймачів світла.

Кришталик – це своєрідна лінза, яка формує зображення, а райдужна оболонка ока виконує роль діафрагми, регулюючої кількість світла, яке пропускається в середину ока. Чутливість клітини ока неоднаково реагує на хвилі різної довжини.

Інтенсивність світла – це міра енергії світла, яка впливає на око, а яскравість – це міра сприйняття оком цього впливу.

Палички і колбочки мають узагальнену назву фоторецептори. Палички – це високочутливі елементи, працюють в умовах слабкого освітлення. Існує тільки один тип паличок. Вони не розпізнають довжину хвилі і тому не розрізняють кольори.

Колбочки ж, навпаки, розрізняють кольори і поділяються на три типи, кожен з яких чутливий до певного діапазону довжин хвиль (довгі, середні або  короткі). Чутливість їх також різна.

На цьому спостереженні основана трикомпонентна теорія світла, а саме, що в центральній частині сітківки ока знаходяться три типи чутливих до кольору колбочок. Перший сприймає зелений колір, другий – червоний, а третій – синій колір. Відносна чутливість ока максимальна для зеленого кольору і мінімальна для синього.

Якщо на всі три типи колбочок впливає однаковий рівень енергетичної яскравості, то світло здається білим. Відчуття білого кольору можна отримати, змішуючи будь-які три кольори. Такі кольори називають основними. Людське око здатне розрізняти близько 350 000 різних кольорів.

На рис. 3.2 представлені криві чутливості колбочок для всіх трьох видів. 

Із рисунка видно, що найбільшу чутливість мають колбочки, які сприймають кольори зеленого спектра, трохи слабкіші – "червоні" колбочки і набагато слабкіші – "сині".

Деякі предмети ми бачимо тому, що вони випромінюють світло, а інші – тому, що вони відображають або заломлюють світло. Випромінюване світло – це світло, що випускається активним джерелом (лампа, монітор).

Відбиване світло – це світло, відбите поверхнею (світло, падаючи на поверхню, частково поглинається, частково відбивається). Колір поверхні характеризується довжиною хвилі відбитого світла. Коли предмети не випромінюють світло, то їх природний колір – це колір відбитого ними світла при білому освітленні. Ахроматичне відбите або заломлене світло сприймається відтінками сірого в залежності від своєї інтенсивності.

У підсумку, сприйняття кольору залежить від наступних факторів:

• • • довжини світлової хвилі; фізичних властивостей поверхні, що відбиває світло;

    • індивідуального сприйняття людиною перших двох факторів.

Виходячи з того, що колір сприймається в результаті випромінювання і віддзеркалення, розроблено дві системи опису кольорів: адитивна і субтрактивна.

В адитивних колірних моделях при об'єднанні всіх основних кольорів максимальної інтенсивності виходить білий колір (для моделі RGB, розглянутої в наступному параграфі, це змішання дає ефект полуденного освітлення при суцільній хмарності), мінімальної інтенсивності – чорний.

Під час адитивного відтворення кольору, яке використовується, наприклад, в кольоровому телебаченні, є три джерела світла – червоного, зеленого і синього кольору, які проектуються на одну ділянку поверхні, де і відтворюється заданий колір.

Субтрактивні колірні моделі пов'язані з віддзеркаленням світла. Під час падіння білого світла на поверхню відображаються промені певних ділянок спектра залежно від оптичних властивостей поверхонь (або оптичної щільності барвників), які поглинають промені спектру, не присутні в їх кольорі.

Теоретично в таких моделях під час змішування всіх кольорів максимальної інтенсивності повинен спостерігатися чорний колір, мінімальної інтенсивності (відсутність усіх кольорів) – білий колір.

У разі субтрактивного відтворення кольору, на якому засновані кольорова фотографія і поліграфія, білий світ набуває потрібний колір, проходячи послідовно через блакитний, пурпурний і жовтий фільтри.

Колірні моделі

У графічних пакетах використовуються різні колірні моделі в залежності від конкретного пристрою виведення (монітор, принтер), а також моделі, наближені до суб'єктивного сприйняття кольору (інтуїтивні моделі). Нижче розглядаються ті з них, які представляють історичний і теоретичний інтерес.

Модель RGB є адитивною моделлю. В її основі лежить тріада кольорів: Red – червоний, Green – зелений, Blue – синій. Більшість відтінків кольорів видимого спектра може бути отримано змішуванням у різних пропорціях цих основних компонент пофарбованого світла.

Адитивні кольори використовуються в системах освітлення, відеосистемах, пристроях запису на фотоплівку і моніторах. Модель RGB можна представити у вигляді одиничного куба, одна вершина якого поміщена в початок декартової системи координат, а сам куб розміщений в першому октанті цієї системи (рис. 3.3, а).

У цьому кубі вершина (1,0,0) задає червоний колір, вершина (0,1,0) – зелений, вершина (0,0,1) – синій, вершина (0,0,0) – чорний, вершина (1,1,1) – білий. На діагоналі куба між чорною та білою точками розташовані відтінки сірого; при змішуванні первинних кольорів утворюються вторинні кольори: точка (1,1,0) – жовтий, точка (0,1,1) – блакитний, точка (1,0,1) – пурпурний

Моделі CMY і CMYK – субтрактивні колірні моделі. Основні кольори CMY – вторинні кольори моделі RGB: блакитний (Cyan), пурпурний (Magenta) і жовтий (Yellow).

Як і модель RGB, модель CMY можна представити у вигляді куба (рис. 3.3, б), але з наступними значеннями вершин: (1,0,0) – блакитний колір, (0,1,0) – пурпурний, (0,0,1) – жовтий, точка (0,0,0) – білий, точка (1,1,1) – чорний.

Ахроматичні, тобто сірі, кольори в обох моделях розташовані по діагоналі від чорного до білого, а додаткові – лежать в протилежних вершинах.

Якщо виходити з подання цих систем в колірних просторах (рис. 3.3), то зв'язок між основними і компліментарними кольорами можна записати у вигляді наступного співвідношення між просторами RGB і CMY: [RGB] = [111] – [CMY]

Наприклад, для червоного кольору

Первинні та вторинні кольори є доповнюючими або компліментарними.

Будь-яка пара субтрактивних кольорів при змішуванні утворює первинний адитивний колір (рис. 3.4).

Під час використання цих моделей необхідно враховувати, що при змішуванні адитивних кольорів результуючий колір освітлюється, а при субтрактивних – затемнюється

Теоретично змішання чистих блакитного, пурпурного і жовтого кольорів в підсумку повинно дати чорний колір. На практиці (наприклад, при виведенні твердих копій зображень) комбінація всіх вторинних кольорів дає бруднокоричневий колір, так як жодна друкарська фарба не є абсолютно чистою і обов'язково містить ті чи інші домішки. Щоб дійсно отримати чорний колір, доводиться до цих трьох фарб додавати чорну.

Модель СМУК використовується для чотириколірного друку, в якій відтворення різних кольорів досягається шляхом змішування чотирьох фарб: блакитна (Cyan), пурпурна (Magenta), жовта (Yellow) і чорна (Black).

Модель Оствальда. Описувати суб'єктивне сприйняття кольору людьми в зазначених апаратних системах незручно. Як в позначеннях RGB або CMY задати пастельний червонувато-оранжевий колір? Художники користуються іншими принципами і характеризують кольори як різні розбіли, відтінки і тони гранично насичених або чистих пігментів.

Розбіл виходить, додаючи до чистого пігменту білий, при цьому зменшується насиченість.

Відтінок виходить у разі додавання до чистого пігменту чорного, внаслідок чого знижується світлота.

Тони виходять, коли додаються чорний і білий пігменти до чистого пігменту. У всіх цих випадках виходять різні кольори одного і того ж колірного тону, що відрізняються насиченістю і світлотою. Під час змішування тільки чорного і білого пігментів виходять сірі кольори.

На рис. 3.5 показані співвідношення між розбілами, відтінками і тонами. Можна було б запропонувати вимірювати колір процентним вмістом пігментів, змішання яких дає цікавий для нас колір.

Моделі HSV (HSB) і HLS реалізують підхід, наближений до суб'єктивного сприйняття кольору. Психофізіологічне уявлення кольору пов'язано з колірним фоном, насиченістю, світлотою або яскравістю. 

Світловий тон – основний колір або довжина хвилі, що переважає в випромінюванні. Насиченість кольору визначає його чистоту. Чим більше насиченість, тим чистіше колір (тобто вище переважання тонової хвилі).

Наприклад, у ахроматичного світла насиченість дорівнює нулю, тому що в ньому неможливо виділити його колірний тон.

Світлота вважається властивістю об'єктів, що не світяться або віддзеркалюють світло (змінюється від чорної до білої або абсолютно прозорої).

Яскравість вважається властивістю самосвітних або випромінюючих об'єктів (змінюється від низької до високої, тобто від невидимої оку до сліпучої).

Модель HSV – Hue (колірний тон), Saturation (насиченість), Value (величина) – зображується у вигляді об'ємного шестигранного конуса, побудованого таким чином. Колірної куб RGB проектується уздовж чорно-білої діагоналі на площину, в результаті чого виходить шестикутник з первинними і вторинними кольорами в вершинах. У разі зниження насиченості або чистоти основних кольорів колірне охоплення куба і відповідна проекція зменшуються.

Всі ці проекції збираються уздовж головної діагоналі, на якій задано кількість світла від 0 до 1 або світлота кольору від чорного до білого. В результаті чого вийде шестигранний конус моделі HSV (рис. 3.6)

У цьому колірному просторі параметри кожної точки конуса задаються наступним чином:

• • • кольоровий тон (Н) – кут від 0 до 360, вимірюється від червоного кольору;

    • насиченість (S) – відстань (вимірюється або від 0 до 1, або від 0 до 100) від осі конуса до межі трикутної грані конуса. На межі основи розділілені чисті або насичені колірні тони: від червоного (0 рад) через жовтий (π/3) до зеленого (2π/3), далі через блакитний (π) до синього (4π/3) і через пурпурний (7π/3) до червоного;

    • величина світлоти (V) – відстань вздовж осі конуса від вершини до підстави в значеннях від 0 до 1 (або від 0 до 100). Якщо насиченість S ≈ 0, то тон Н не визначений, так як на осі задані ахроматичні кольори.

Можливо інше подання простору HSV, коли розглядається не шестигранний конус, а циліндр. Цей аналог HSV буде колірною моделлю HSB з компонентами: Hue (колірний тон), Saturation (насиченість), Brightness (яскравість). У графічних пакетах ця модель може бути задана у вигляді колірного кола з вказаним рівнем яскравості.

Колірна модель HLS – компоненти: Hue (колірний тон), Lightness (світність), Saturation (насиченість) – застосовується для самосвітних предметів і представляється у вигляді об'єднання двох шестигранних конусів, подібних конусу HSV, у яких поєднані основи.

Ця модель – модифікація моделі HSV, але замість світлоти в ній використовується інтенсивність. Як і в моделі HSV, колірний тон задається кутовою координатою в площині основ одинарних конусів.

Насиченість – радіальною відстанню від центральної осі. Значення світності від 0 до 1 відкладаються на центральній осі. Значення світності L≈ 0.5 потрапляє в основи одинарних конусів (рис. 3.7).

Модель YlQ була розроблена в 1953 р. Національним комітетом з телевізійних систем (NTSC) США для кольорового телебачення. Була прийнята в якості стандарту кольорова система YIQ, заснована на моделі CIE XYZ, в якій виділено такі компоненти колірної інформації:

• • • сигнал Y – передає значення яскравості, яка підібрана так, що вона відповідає колірній чутливості очей;

    • синфазний сигнал I – відповідає спектру кольорів від оранжевого до блакитного;

    • інтегрований сигнал Q – спектр кольорів від зеленого до пурпурного.

На кольоровий монітор виводяться всі три компоненти моделі; на монохромний – тільки компонента Y.

Модель Laв заснована на оригінальній розробці, запропонованої в 1931р.

Міжнародною комісією з освітлення в якості міжнародного стандарту вимірювання кольорів CIE. У 1976 р цей стандарт був вдосконалений в модель Lab (рис. 3.8).

Її компонентами є:

• • • Lightness або Luminosity – світність або яскравість, але не еквівалент яскравості HSB; в даній моделі максимальне значення цього параметра дорівнює максимальної інтенсивності певного кольору;

    • хроматичний параметр a – кольоровість від темно-зеленого (низька яскравість) через сірий (середня яскравість) до яскраво рожевого (висока яскравість);

    • хроматичний параметр b – кольоровість від світлосинього (низька яскравість) через сірий до яскравожовтого (висока яскравість).

Ця модель відтворює одні й ті ж кольори незалежно від особливостей пристрою (монітора, принтера або сканера). У графічних програмах модель Lab використовується для конвертації кольору з однієї моделі в іншу.