Я собираюсь совершить экскурс в историю науки о человеческом восприятии, которая привела к созданию современных видеостандартов. Также я попытаюсь объяснить часто используемую терминологию. Кроме того, я вкратце расскажу, почему типичный процесс создания игры со временем будет всё больше и больше напоминать процесс, используемый в киноиндустрии.

Пионеры исследований цветовосприятия

Сегодня мы знаем, что сетчатка человеческого глаза содержит три разных типа фоторецепторных клеток, называемых колбочками. Каждый из трёх типов колбочек содержит белок из семейства белков опсинов, который поглощает свет в различных частях спектра:

Поглощение света опсинами

Колбочки соответствуют красной, зелёной и синей частям спектра и часто называются длинными (L), средними (M) и короткими (S) согласно длинам волн, к которым они наиболее чувствительны.

Одной из первых научных работ о взаимодействии света и сетчатки был трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Исаака Ньютона, написанный между 1670-1675 гг. У Ньютона была теория, что свет с различными длинами волн приводил к резонансу сетчатки с теми же частотами; эти колебания затем передавались через оптический нерв в «сенсориум».

«Лучи света, падая на дно глаза, возбуждают колебания в сетчатке, которые распространяются по волокнам оптических нервов в мозг, создавая чувство зрения. Разные типы лучей создают колебания разной силы, которые согласно своей силе возбуждают ощущения разных цветов…»

Больше чем через сотню лет Томас Юнг пришёл к выводу, что так как частота резонанса - это свойство, зависящее от системы, то чтобы поглотить свет всех частот, в сетчатке должно быть бесконечное количество разных резонансных систем. Юнг посчитал это маловероятным, и рассудил, что количество ограничено одной системой для красного, жёлтого и синего. Эти цвета традиционно использовались в субтрактивном смешивании красок. По его собственным словам :

Поскольку по причинам, указанным Ньютоном, возможно, что движение сетчатки имеет скорее колебательную, чем волновую природу, частота колебаний должна зависеть от строения её вещества. Так как почти невозможно полагать, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесконечное количество частиц, каждая из которых способна колебаться в идеальном согласии с любой возможной волной, становится необходимым предположить, что количество ограничено, например, тремя основными цветами: красным, жёлтым и синим…

Предположение Юнга относительно сетчатки было неверным, но он сделал правильный вывод: в глазе существует конечное количество типов клеток.

В 1850 году Герман Гельмгольц первым получил экспериментальное доказательство теории Юнга. Гельмгольц попросил испытуемого сопоставить цвета различных образцов источников света, регулируя яркость нескольких монохромных источников света. Он пришёл к выводу, что для сопоставления всех образцов необходимо и достаточно трёх источников света: в красной, зелёной и синей части спектра.

Рождение современной колориметрии

Перенесёмся в начало 1930-х. К тому времени научное сообщество имело достаточно хорошее представление о внутренней работе глаза. (Хотя потребовалось ещё 20 лет, чтобы Джорджу Уолду удалось экспериментально подтвердить присутствие и функции родопсинов в колбочках сетчатки. Это открытие привело его к Нобелевской премии по медицине в 1967 году.) Commission Internationale de L"Eclairage (Меж­ду­на­род­ная комиссия по освещению), CIE, поставила задачу по созданию исчерпывающей количественной оценки восприятия цвета человеком. Количественная оценка была основана на экспериментальных данных, собранных Уильямом Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом при параметрах, схожих с выбранными впервые Германом Гельмгольцем. Базовыми настройками были выбраны 435,8 нм для синего цвета, 546,1 нм для зелёного и 700 нм для красного.

Экспериментальная установка Джона Гилда, три ручки регулируют основные цвета

Из-за значительного наложения чувствительности колбочек M и L невозможно было сопоставить некоторые длины волн с сине-зелёной частью спектра. Для «сопоставления» этих цветов в качестве точки отсчёта нужно было добавить немного основного красного цвета:

Если мы на мгновение представим, что все основные цвета вносят отрицательный вклад, то уравнение можно переписать так:

Результатом экспериментов стала таблица RGB-триад для каждой длины волны, что отображалось на графике следующим образом:

Функции сопоставления цветов RGB по CIE 1931

Разумеется, цвета с отрицательным красным компонентом невозможно отобразить с помощью основных цветов CIE.

Теперь мы можем найти трихромные коэффициенты для света распределения спектральной интенсивности S как следующее внутреннее произведение:

Может казаться очевидным, что чувствительность к различным длинам волн можно проинтегрировать таким образом, но на самом деле она зависит от физической чувствительности глаза, линейной по отношению к чувствительности к длинам волн. Это было эмпирически подтверждено в 1853 году Германом Грассманом, и представленные выше интегралы в современной формулировке известны нам как закон Грассмана.

Термин «цветовое пространство» возник потому, что основные цвета (красный, зелёный и синий) можно считать базисом векторного пространства. В этом пространстве различные цвета, воспринимаемые человеком, представлены лучами, исходящими из источника. Современное определение векторного пространства введено в 1888 году Джузеппе Пеано, но более чем за 30 лет до этого Джеймс Клерк Максвелл уже использовал только зародившиеся теории того, что позже стало линейной алгеброй, для формального описания трихроматической цветовой системы.

CIE решила, что для упрощения вычислений будет более удобно работать с цветовым пространством, в которой коэффициенты основных цветов всегда положительны. Три новых основных цвета выражались в координатах цветового пространства RGB следующим образом:

Этот новый набор основных цветов невозможно реализовать в физическом мире. Это просто математический инструмент, упрощающий работу с цветовым пространством. Кроме того, чтобы коэффициенты основных цветов всегда были положительными, новое пространство скомпоновано таким образом, что коэффициент цвета Y соответствует воспринимаемой яркости. Этот компонент известен как яркость CIE (подробнее о ней можно почитать в замечательной статье Color FAQ Чарльза Пойнтона (Charles Poynton)).

Чтобы упростить визуализацию итогового цветового пространства, мы выполним последнее преобразование. Разделив каждый компонент на сумму компонентов мы получим безразмерную величину цвета, не зависящую от его яркости:

Координаты x и y известны как координаты цветности, и вместе с яркостью Y CIE они составляют цветовое пространство xyY CIE. Если мы расположим на графике координаты цветности всех цветов с заданной яркостью, у нас получится следующая диаграмма, которая вам наверно знакома:

Диаграмма xyY CIE 1931

И последнее, что нужно узнать - что считается белым цветом цветового пространства. В такой системе отображения белый цвет - это координаты x и y цвета, которые получаются, когда все коэффициенты основных цветов RGB равны между собой.

С течением времени появилось несколько новых цветовых пространств, которые в различных аспектах вносили улучшения в пространства CIE 1931. Несмотря на это, система xyY CIE остаётся самым популярным цветовым пространством, описывающим свойства устройств отображения.

Передаточные функции

Прежде чем рассматривать видеостандарты, необходимо ввести и объяснить ещё две концепции.

Оптико-электронная передаточная функция

Оптико-электронная передаточная функция (optical-electronic transfer function, OETF) определяет то, как линейный свет, фиксируемый устройством (камерой) должен кодироваться в сигнале, т.е. это функция формы:

Раньше V был аналоговым сигналом, но сейчас, разумеется, он имеет цифровое кодирование. Обычно разработчики игр редко сталкиваются с OETF. Один из примеров, в котором функция будет важна: необходимость сочетания в игре видеозаписи с компьютерной графикой. В этом случае необходимо знать, с какой OETF было записано видео, чтобы восстановить линейный свет и правильно смешать его с компьютерным изображением.

Электронно-оптическая передаточная функция

Электронно-оптическая передаточная функция (electronic-optical transfer, EOTF) выполняет противоположную OETF задачу, т.е. она определяет, как сигнал будет преобразован в линейный свет:

Эта функция более важна для разработчиков игр, потому что она определяет, как созданный ими контент будет отображаться экранах телевизоров и мониторов пользователей.

Отношение между EOTF и OETF

Понятия EOTF и OETF хоть и взаимосвязаны, но служат разным целям. OETF нужна для представления захваченной сцены, из которого мы потом можем реконструировать исходное линейное освещение (это представление концептуально является буфером кадра HDR (High Dynamic Range) обычной игры). Что происходит на этапах производства обычного фильма:

• Захват данных сцены
• Инвертирование OETF для восстановления значений линейного освещения
• Цветокоррекция
• Мастеринг под различные целевые форматы (DCI-P3, Rec. 709, HDR10, Dolby Vision и т.д.):
  • Уменьшение динамического диапазона материала для соответствия динамическому диапазону целевого формата (тональная компрессия)
  • Преобразование в цветовой пространство целевого формата
  • Инвертирование EOTF для материала (при использовании EOTF в устройстве отображения изображение восстанавливается как нужно).

Подробное обсуждение этого техпроцесса не войдёт в нашу статью, но я рекомендую изучить подробное формализованное описание рабочего процесса ACES (Academy Color Encoding System).

До текущего момента стандартный техпроцесс игры выглядел следующим образом:

• Рендеринг
• Буфер кадра HDR
• Тональная коррекция
• Инвертирование EOTF для предполагаемого устройства отображения (обычно sRGB)
• Цветокоррекция

В большинстве игровых движков используется метод цветокоррекции, популяризованный презентацией Нэти Хофмана (Naty Hoffman) «Color Enhancement for Videogames» с Siggraph 2010. Этот метод был практичен, когда использовался только целевой SDR (Standard Dynamic Range), и он позволял использовать для цветокоррекции ПО, уже установленное на компьютерах большинства художников, например Adobe Photoshop.

Стандартный рабочий процесс цветокоррекции SDR (изображение принадлежит Джонатану Блоу (Jonathan Blow))

После внедрения HDR большинство игр начало двигаться к техпроцессу, похожему на используемый в производстве фильмов. Даже при отсутствии HDR схожий с кинематографическим техпроцесс позволял оптимизировать работу. Выполнение цветокоррекции в HDR означает, что у вас есть целый динамический диапазон сцены. Кроме того, становятся возможными некоторые эффекты, которые раньше были недоступны.

Теперь мы готовы рассмотреть различные стандарты, используемые в настоящее время для описания форматов телевизоров.

Видеостандарты

Rec. 709

Большинство стандартов, относящихся к вещанию видеосигналов, выпущено Меж­ду­на­род­ным союзом элект­рос­вя­зи (International Telecommunication Union, ITU), органом ООН, в основном занимающимся информационными технологиями.

Рекомендация ITU-R BT.709 , которую чаще называют Rec. 709 - это стандарт, описывающий свойства HDTV. Первая версия стандарта была выпущена в 1990 году, последняя - в июне 2015 года. В стандарте описываются такие параметры, как соотношения сторон, разрешения, частота кадров. С этими характеристиками знакомо большинство людей, поэтому я не буду рассматривать их и сосредоточусь на разделах стандарта, касающихся воспроизведения цвета и яркости.

В стандарте подробно описана цветность, ограниченная цветовым пространством xyY CIE. Красный, зелёный и синий источники освещения соответствующего стандарту дисплея должны быть выбраны таким образом, чтобы их отдельные координаты цветности были следующими:

Их относительная интенсивность должна быть настроена таким образом, чтобы белая точка имела цветность

(Эта белая точка также известна как CIE Standard Illuminant D65 и аналогична захвату координат цветности распределения спектральной интенсивности обычного дневного освещения.)

Свойства цветности можно визуально представить следующим образом:

Охват Rec. 709

Область схемы цветности, ограниченная треугольником, созданным основными цветами заданной системы отображения, называется охватом.

Теперь мы переходим к части стандарта, посвящённой яркости, и здесь всё становится немного сложнее. В стандарте указано, что «Общая оптико-электронная передаточная характеристика в источнике» равна:

Здесь есть две проблемы:

1. Не существует спецификации о том, чему соответствует физическая яркость L = 1
2. Несмотря на то, что это стандарт вещания видео, в нём не указана EOTF

Так получилось исторически, потому что считалось, что устройство отображения, т.е. телевизор потребителя и есть EOTF. На практике это осуществлялось корректировкой диапазона захваченной яркости в вышеприведённой OETF, чтобы изображение выглядело хорошо на эталонном мониторе со следующей EOTF:

Где L = 1 соответствует яркость примерно 100 кд / м² (единицу кд / м² в этой отрасли называют «нит»). Это подтверждается ITU в последних версиях стандарта следующим комментарием:

В стандартной производственной практике функция кодирования источников изображения регулируется таким образом, чтобы конечное изображение имело требуемый вид, соответствующий видимому на эталонном мониторе. В качестве эталонной принимается функция декодирования из Рекомендации ITU-R BT.1886. Эталонная среда просмотра указана в Рекомендации ITU-R BT.2035.

Rec. 1886 - это результат работ по документации характеристик ЭЛТ-мониторов (стандарт опубликован в 2011 году), т.е. является формализацией существующей практики.

Кладбище слонов ЭЛТ

Нелинейность яркости как функции приложенного напряжения привела к тому, как физически устроены ЭЛТ-мониторы. По чистой случайности эта нелинейность (очень) приблизительно является инвертированной нелинейностью восприятия яркости человеком. Когда мы перешли к цифровому представлению сигналов, это привело к удачному эффекту равномерного распределения ошибки дискретизации по всему диапазону яркости.

Rec. 709 рассчитана на использование 8-битного или 10-битного кодирования. В большинстве контента используется 8-битное кодирование. Для него в стандарте указано, что распределение диапазона яркости сигнала должно распределяться в кодах 16-235.

HDR10

Что касается HDR-видео, то в нём есть два основных соперника: Dolby Vision и HDR10. В этой статье я сосредоточусь на HDR10, потому что это открытый стандарт, который быстрее стал популярным. Этот стандарт выбран для Xbox One S и PS4.

Мы снова начнём с рассмотрения используемой в HDR10 части цветности цветового пространства, определённой в Рекомендации ITU-R BT.2020 (UHDTV). В ней указаны следующие координаты цветности основных цветов:

И снова в качестве белой точки используется D65. При визуализации на схеме xy Rec. 2020 выглядит следующим образом:

Охват Rec. 2020

Очевидно заметно, что охват этого цветового пространства значительно больше, чем у Rec. 709.

Теперь мы переходим к разделу стандарта о яркости, и здесь снова всё становится более интересным. В своей кандидатской диссертации 1999 года “Contrast sensitivity of the human eye and its effect on image quality” («Контрастная чувствительность человеческого глаза и её влияние на качество изображения») Питер Бартен представил немного пугающее уравнение:

(Многие переменные этого уравнения сами по себе являются сложными уравнениями, например, яркость скрывается внутри уравнений, вычисляющих E и M).

Уравнение определяет, насколько чувствителен глаз к изменению контрастности при различной яркости, а различные параметры определяют условия просмотра и некоторые свойства наблюдателя. «Минимальная различаемая разница» (Just Noticeable Difference, JND) обратна уравнению Бартена, поэтому для дискретизации EOTF, чтобы избавиться от привязки к условиям просмотра, должно быть верно следующее:

Общество инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE) решило, что уравнение Бартена будет хорошей основой для новой EOTF. Результатом стало то, что мы сейчас называем SMPTE ST 2084 или Perceptual Quantizer (PQ).

PQ был создан выбором консервативных значений для параметров уравнения Бартена, т.е. ожидаемых типичных условий просмотра потребителем. Позже PQ был определён как дискретизация, которая при заданном диапазоне яркости и количестве сэмплов наиболее точно соответствует уравнению Бартена с выбранными параметрами.

Дискретизированные значения EOTF можно найти с помощью следующей рекуррентной формулы нахождения k < 1 . Последним значением дискретизации будет являться необходимая максимальная яркость:

Для максимальной яркости в 10 000 нит с использованием 12-битной дискретизации (которая используется в Dolby Vision) результат выглядит следующим образом:

EOTF PQ

Как можно заметить, дискретизация не занимает весь диапазон яркости.

В стандарте HDR10 тоже используется EOTF PQ, но с 10-битной дискретизацией. Этого недостаточно, чтобы оставаться ниже порога Бартена в диапазоне яркости в 10 000 нит, но стандарт позволяет встраивать в сигнал метаданные для динамической регуляции пиковой яркости. Вот как 10-битная дискретизация PQ выглядит для разных диапазонов яркости:

Разные EOTF HDR10

Но даже так яркость немного выше порога Бартена. Однако ситуация не настолько плоха, как это может показаться из графика, потому что:

1. Кривая логарифмическая, поэтому относительная погрешность на самом деле не так велика
2. Не стоит забывать, что параметры, взятые для создания порога Бартена, выбраны консервативно.

На момент написания статьи телевизоры с HDR10, представленные на рынке, обычно имеют пиковую яркость 1000-1500 нит, и для них достаточно 10 бит. Стоит также заметить, что изготовители телевизоров могут сами решать, что им делать с яркостями выше диапазона, который они могут отображать. Некоторые придерживаются подхода с жёсткой обрезкой, другие - с более мягкой.

Вот пример того, как выглядит 8-битная дискретизация Rec. 709 с пиковой яркостью 100 нит:

EOTF Rec. 709 (16-235)

Как можно видеть, мы намного выше порога Бартена, и, что важно, даже самые неразборчивые покупатели будут настраивать свои телевизоры на значительно большие 100 нит пиковые яркости (обычно на 250-400 нит), что поднимет кривую Rec. 709 ещё выше.

В заключение

Одно из самых больших различий между Rec. 709 и HDR в том, что яркость последнего указывается в абсолютных значениях. Теоретически это означает, что контент, предназначенный для HDR, будет выглядеть одинаково на всех совместимых телевизорах. По крайней мере, до их пиковой яркости.

Существует популярное заблуждение, что HDR-контент в целом будет ярче, но в общем случае это не так. HDR-фильмы чаще всего будут изготавливаться таким образом, чтобы средний уровень яркости изображения был тем же, что и для Rec. 709, но так, чтобы самые яркие участки изображения были более яркими и детальными, а значит, средние тона и тени будут более тёмными. В сочетании с абсолютными значениями яркости HDR это означает, что для оптимального просмотра HDR нужны хорошие условия: при ярком освещении зрачок сужается, а значит, детали на тёмных участках изображения будет сложнее разглядеть.

RGB модель описывает излучаемые цвета. Она основана на трёх основных (базовых) цветах: красный (Red), зелёный (Green) и синий (Blue). RGB-модель можно назвать "родной" для дисплея. Остальные цвета получаются сочетанием базовых. Цвета такого типа называются аддитивными.

Из рисунка видно, что сочетание зелёного и красного дают жёлтый цвет, сочетание зелёного и синего - голубой, а сочетание всех трёх цветов - белый. Из этого можно сделать вывод о том, что цвета в RGB складываются субтрактивно.

Основные цвета взяты из биологии человека. То есть, эти цвета основаны на физиологической реакции человеческого глаза на свет. Человеческий глаз имеет фоторецептор клеток, реагирующих на наиболее зеленый (М), желто-зеленый (L) и сине-фиолетовый (S) света (максимальная длин волн от 534 нм, 564 нм и 420 нм соответственно). Человеческий мозг может легко отличить широкий спектр различных цветов на основе различий в сигналах, полученных от трех волн.

Наиболее широко RGB цветовая модель используется в ЖК или плазменных дисплеях, таких как телевизор или монитор компьютера. Каждый пиксель на дисплее может быть представлен в интерфейсе аппаратных средств (например, графические карты) в качестве значений красного, зеленого и синего. RGB значения изменяются в интенсивности, которые используются для наглядности. Камеры и сканеры также работают в том же порядке, они захватывают цвет с датчиками, которые регистрируют различную интенсивность RGB на каждый пиксель.

В режиме 16 бит на пиксель, также известном как Highcolor, есть либо 5 бит на цвет (часто упоминается как 555 режим) или с дополнительным битом для зеленого цвета (известен как 565 режим). Дополнен зеленый цвет из-за того, что человеческий глаз имеет способность выявлять больше оттенков зеленого, чем любого другого цвета.

RGB значения, представленные в режиме 24 бит на пиксель (bpp), известном также под именем Truecolor, обычно выделяется три целых значения между 0 и 255. Каждое из этих трех чисел представляет собой интенсивность красного, зеленого и синего соответственно.

В RGB - три канала: красный, синий и зелёный, т.е. RGB - трёхканальная цветовая модель. Каждый канал может принимать значения от 0 до 255 в десятичной или, что ближе к реальности, от 0 до FF в шестнадцатеричной системах счисления. Это объясняется тем, что байт, которым кодируется канал, да и вообще любой байт состоит из восьми битов, а бит может принимать 2 значения 0 или 1, итого 28=256. В RGB, например, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (FF) до чёрного (00). Таким образом несложно подсчитать, что в модели RGB содержится всего 2563 или 16777216 цветов.

В RGB три канала, и каждый кодируется 8-ю битами. Максимальное, FF (или 255) значение даёт чистый цвет. Белый цвет получается путём сочетания всех цветов, точнее, их предельных градаций. Код белого цвета = FF(красный) + FF(зелёный) + FF(синий). Соответственно код чёрного = 000000. Код жёлтого = FFFF00, пурпурного = FF00FF, голубого = 00FFFF.

Также есть еще 32 и 48 битные режимы отображения цветов.

RGB не используется для печати на бумаге, вместо нее существует CMYK-цветовое пространство.

CMYK - это цветовая модель используемая в цветной печати. Цветовая модель является математической моделью для описания цветов целыми числами. CMYK модель построена на голубом, пурпурном, желтом и черном цветах.

Конспект урока

Учитель: Иванова Светлана Юрьевна

Предмет: информатика и ИКТ

Класс: 9

Тема: Формирование цвета в системах цветопередачи RGB , CMYK и HSB (Палитры цветов в системах цветопередачи RGB , CMYK и HSB )

Тип урока: изучение нового материала

Цели:

предметные: дать представление о палитрах цветов в системах цветопередачи;

метапредметные:

а) регулятивные: приобретение опыта работы с графическими изображениями; прием и сохранение учебной задачи; осуществление самоконтроля;

б) познавательные: анализ ориентира действия в новом учебном материале с сотрудничестве с учителем; осуществление итогового контроля по результату; преобразование практической задачи в познавательную; построение логических рассуждений;

в) коммуникативные: адекватное восприятие оценки учителя, товарищей; постановка вопросов, необходимых для организации собственной деятельности и сотрудничества с партнером;

г) межпредметные: связь и обобщение предметных знаний физики и информатики для видения объекта в единстве его многообразных свойств;

личностные: формирование устойчивого учебно-познавательного интереса к новым общим способам решения задач.

Формы организации учебной деятельности: беседа, индивидуальная работа, практическая работа в парах, самоконтроль.

Используемые технологии: проблемно-диалоговая, дифференцированный подход, ИКТ-технология.

Инвентарь и оборудование: проектор, экран, ноутбук учительский и ноутбуки ученические с установленными графическим редактором PhotoShop и тестовой оболочкой MyTest , раздаточный материал, карточки с домашним заданием.

Ход урока:

Организационный момент.

Приветствие: Здравствуйте, ребята! Я рада вас видеть! По словам философа Е. Ильенкова «Вся человеческая жизнь – это не что иное. Как постоянное желание достичь успеха в решении новых вопросов и проблем». И сегодня девиз нашего урока «Настоящее сокровище для человека – умение трудится». (Езоп). За работу!

Актуализация знаний.

Перед изучением новой темы, предлагаю выполнить тест на повторение (раздаю карточки с тестом). На прошлом уроке мы познакомились с растровыми изображениями. Давайте вспомним, как называется минимальный участок изображения, для которого независимым образом можно задать цвет? (пиксель). Что такое «глубина цвета»? (Количество информации, которое используется для кодирования цвета точки изображения). Мы знаем, что на экране монитора цвет точки имеет двоичный код. Что это значит? (состоит из 0 и 1). А как связаны между собой «глубина цвета» и «палитра цветов»?(N =2 i – формула Хартли) (1 слайд )

Постановка учебной задачи.

Мы привыкли видеть яркие изображения на экранах телевизоров и мониторах. Но бывает так, что после печати на цветном принтере красочная картинка перестает смотреться. Например, я столкнулась с такой ситуацией (демонстрирую яркое фото и блеклое). Какой вопрос у вас возникает? (почему так произошло? Можно ли исправить такое фото? Как предотвратить такую ситуацию?)

И сегодня на уроке мы выясним

Почему на мониторе картинка смотрится ярко, а после печати может стать блеклой, и для этого мы познакомимся с палитрами цветов в двух системах цветопередачи;

То нужно сделать, чтобы предотвратить такую ситуацию и на практике научимся устанавливать различные графические режимы.

Сформулируем тему урока.(2 слайд).

Изучение нового материала.

Вспомним опыт Ньютона (просмотр видео ).

Какой опыт мы сейчас наблюдали? (Опыт Ньютона по дисперсии света). В чем он заключается? (Узкий луч солнечного света направлялся на треугольную стеклянную призму). На экране за призмой появлялся спектр - радужная полоса из семи цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый( 3 слайд ).

Хорошо известна фраза, которая помогает легко запомнить последовательность цветов в спектре видимого света: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».

Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов, так называемых колбочек, находящихся на сетчатке глаза. (4 слайд) .

С экрана монитора мы воспринимаем цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красного , зеленого и синего . Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий ). (Давайте оставим две строчки для темы, мы ее с вами позже сформулируем, и запишем название первой цветовой модели) (5 слайд) .

Цвета в палитре RGB формируются путем сложения базовых цветов, каждый из которых может иметь различную интенсивность. Цвет палитры Color можно определить с помощью формулы

Color = R + G + В, где 0<= R <= Rmax, 0 <=G <= Gmax, 0 <= В <= Bmax .

При минимальных интенсивностях всех базовых цветов получается черный цвет, при максимальных интенсивности – белый цвет. При максимальной интенсивности одного цвета и минимальной двух других – красный , зеленый и синий цвета.

Наложение зеленого и синего цветов образует голубой цвет (Cyan), наложение красного и зеленого цветов - желтый цвет (Yellow), наложение красного и синего цветов - пурпурный цвет (Magenta). Таблица (6 слайд).

При глубине цвета в 24 бита на кодирование каждого из базовых цветов выделяется по 8 битов. В этом случае для каждого из цветов возможны N = 2 8 = 256 уровней интенсивности. Уровни интенсивности задаются десятичными (от минимального - 0 до максимального - 255) или двоичными (от 00000000 до 11111111) кодами. (7 слайд) .

При печати изображений на принтерах используется палитра цветов в системе CMY. Основными красками в ней являются Cyan - голубая , Magenta - пурпурная и Yellow - желтая. (8 слайд) .

Цвета в палитре CMY формируются путем наложения красок. Цвет палитры Color можно определить с помощью формулы, в которой интенсивность каждой краски задается в процентах:

Color = С+М + Y, где 0% <= С <= 100%, 0% <= М <= 100%, 0% <= Y <= 100%.

Напечатанное на бумаге изображение человек воспринимает в отраженном свете. Если на бумагу краски не нанесены, то падающий белый свет полностью отражается, и мы видим белый лист бумаги. Нанесенная на бумагу голубая краска поглощает красный свет и отражает зеленый и синий свет, и мы видим голубой цвет. Нанесенная на бумагу пурпурная краска поглощает зеленый свет и отражает красный и синий свет, и мы видим пурпурный цвет. Нанесенная на бумагу желтая краска поглощает синий свет и отражает красный и зеленый свет, и мы видим желтый цвет. (9 слайд) .

(Таблица). Рассмотрим, как формируется палитра цветов в системе CMYK. (записать) (10 слайд) .

Смешение трех красок - голубой , желтой и пурпурной - должно приводить к полному поглощению света, и мы должны увидеть черный цвет. Однако на практике вместо черного цвета получается грязно-бурый цвет. Поэтому в цветовую модель добавляют еще один, истинно черный цвет. Так как буква В уже используется для обозначения синего цвета, для обозначения черного цвета принята последняя буква в английском названии черного цвета Black , т. е. К . Расширенная палитра получила название CMYK . (11 слайд) .

Итак, какая система цветопередачи применяется в мониторах компьютеров, в телевизорах и других излучающих свет технических устройствах? (RGB). И изображения с экрана монитора мы видим в излученном свете. (12 слайд) .

А какая система цветопередачи применяется в полиграфии? (CMYK). И напечатанные изображения мы видим в отраженном свете.

Практическая работа.

Вернемся к нашей испорченной фотографии. Как вы думаете, что нужно сделать перед тем как напечатать изображение? (Перевести его из RGB в CMYK ). И мы сейчас с вами на практике потренируемся конвертировать изображение из RGB в CMYK .

Разбейтесь, пожалуйста, на пары. Каждая пара берет ноутбук и занимает место за столом. Кто-нибудь из вас работал в графическом редакторе PhotoShop ? Давайте запустим программу. Перед нами рабочее поле. Слева – панель инструментов. Сверху – выпадающее меня, панель свойств. Справа – окна дополнительных панелей. Если мы откроем файл, то появится окно изображения. Конвертируем изображение из RGB в CMYK. Собственно, перевод из RGB в CMYK занимает ровно 1 секунду.

После такого перевода вы можете обнаружить, что ваша графика потеряла былую яркость. Картинка стала серой и блеклой. А почему графика вообще становится блеклой? Мы уже знаем, что разница между этими двумя цветовыми моделями очень простая.

RGB - цветовая модель для большей части мониторов, современных телевизоров, да и экранов вообще.

CMYK - это цветовая модель, имитирующая краски печати, которыми типография способна напечатать изображение.

Что же происходит при конвертировании из RGB в CMYK ? Прежде всего, каждому пикселю графики присваиваются другие цифровые значения. В RGB это были условные R255G255B0 , а после конвертации пиксель приобрел значения С4M0Y93K0 .

Как раз в этот момент картинка и может потерять в яркости. Причины, по которым это происходит, заключаются в том, что цветовой обхват модели RGB значительно больше, чем цветовой охват CMYK .

Фотошоп срочно подыскивает более тусклые цвета.

Результат данного перевода вовсе не максимум яркости, которую через CMYK можно обеспечить. И вы легко в этом убедитесь, просто применив цветокоррекцию Яркость/Контраст.

Причина потери яркости заключается в том, что в чистые оттенки Фотошоп подмешивает слишком много посторонних красок. Чаще всего Фотошоп создает черновые смеси красок и вместо ярко выраженной краски получится то, что происходит, когда вы в детстве все цвета гуаши брали, и на бумаге смешивали.

После конвертации из RGB в CMYK изображение надо обязательно цветокорректировать.

Самостоятельная работа.

А сейчас предлагаю поработать самостоятельно с использованием тестовой оболочки MyTest . Перед вами три задания. Два первых - это легкие задания. Третье - посложнее. Выбираете любые два.

(Тестовая оболочка позволяет отправить ответы учеников учителю, который сразу видит результат. Ребята могут просмотреть вопросы, на которые ответилт неверно ).

Домашнее задание.

Дома предлагаю подготовить небольшое сообщение о третьей цветовой модели HSB . Тем, кто справился со всеми заданиями, нужно выполнить одну из предложенных практических работ и написать небольшой вывод о проделанной работе. У кого возникли затруднения. Предлагаю заполнить таблицу и еще раз потренироваться в определении цвета.

Рефлексия.

Ребята, скажите, какие цвета являются базовыми для человеческого восприятия? (красный, зеленый, синий)

Какие цветовые модели существуют?

В каких видах деятельности целесообразно их использовать?

В самом низу ваших карточек оцените свою работу на уроке.

Спасибо за урок! Мне было приятно с вами работать!

Цветовые модели RGB и CMY (CMYK)

RGB (для дисплеев) и CMYK (для печати) являются наиболее распространенными системами представления цвета.

Основная модель субтрактивного синтеза цвета – полиграфическая система CMYK (сине-зеленый/голубой, пурпурный, желтый, ключевой/черный).

Самый распространенный вариант аддитивного смешения, предполагающего суммирование разноцветных потоков в единый результирующий поток, – модель RGB (красный, зеленый, синий).

Если субтрактивная схема применяется в полиграфии (с белым нулем – отсутствием краски на бумаге), то аддитивная (обладающая бо́льшим цветовым охватом) – в телевизорах, мониторах и т.п., где выключенный экран выглядит черным.

Поскольку RGB и CMY дополняют друг друга, между ними существует определенное соотношение. Если показать эту информацию в виде одного цветового круга, то цвета RGB и CMY будут в нем поочередно меняться. Если смешать два RGB-цвета, то получится CMY-цвет; если же, наоборот, смешать два CMY-цвета, то на этот раз получится RGB-цвет. Например, в модели CMY красный цвет описывается как смесь пурпурного и желтого. А в модели RGB пурпурный цвет описывается как смесь красного и синего.

Кроме того, в сравнении с RGB, CMYK обладает меньшим цветовым охватом. Законы физики не позволяют печатать цвета RGB. Для печати RGB- изображения следует преобразовать его аддитивные цвета в цвета CMY, т.е. перевести их в субтрактивные цвета.

Система цветопередачи RGB

RGB (англ. Red, Green, Blue – красный, зеленый, синий) – аддитивная цветовая модель (англ. Additive Primary Model), описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения. Аддитивной модель называется потому, что цвета получаются путем добавления (англ. addition ) к черному цвету. Выбор основных цветов в RGB обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза.

Модель RGB используется для воспроизведения спектра видимого света и представляет все то, что передает, фильтрует или ощущает световые волны (например, монитор, сканер или глаз) (рис. 7.5). Для создания различных цветов складываются разные уровни основных цветов (красного, зеленого и синего). Черный цвет – это отсутствие любого света.

Рис. 7.5.

Изображение в данной цветовой модели состоит из трех каналов. При смешении основных цветов, например, синего (В ) и красного (/?), мы получаем дополнительный пурпурный (англ. М – magenta ), при смешении зеленого (G ) и красного (R ) – дополнительный желтый (англ. Y – yellow ), при смешении зеленого (G ) и синего (В ) – дополнительный циановый (англ. С – cyan ). При смешении всех трех цветовых компонентов мы получаем белый цвет. В телевизорах и мониторах применяются три электронных пушки (светодиода, светофильтра) для красного, зеленого и синего каналов.

Числовое отображение RGB

Каждая из координат RGB представляется в виде одного байта, значения которого обозначаются целыми числами от 0 до 255 включительно, где 0 – минимальная, а 255 – максимальная интенсивность.

COLORREF – стандартный тип для представления цветов в операционной системе Win32. Используется для определения цвета в RGB-виде. Размер – 4 байта.

Определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREFC = RGB (r,g, b ),

где г, g и b – интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно красной, зеленой и синей составляющих определяемого цвета С.

Следовательно, ярко-синий цвет может быть определен как (0,0,255), красный – как (255,0,0), ярко-фиолетовый – (255,0,255), черный – (0,0,0), а белый – (255,255,255).

В HTML используется #RrGgBb-запись, называемая также шестнадцатеричной: каждая координата записывается в виде двух шестнадцатеричных цифр, без пробелов (цвета HTML см. далее). Например, #RrGgBb- запись белого цвета – #FFFFFF.

Для справки

Стандарты цветовых пространств RGB. Цветовая модель RGB является зависимой от устройства. Поскольку мониторы разных моделей и производителей различаются, было предложено несколько стандартов цветовых пространств для этой модели.

Наиболее распространенное цветовое пространство sRGB является стандартом для изображения на мониторе (профиль По умолчанию для компьютерной графики). Пространство sRGB, использующееся с цветовой.моделью RGB, имеет по многим тонам цвета более широкий цветовой охват (может представить более насыщенные цвета), чем типичный охват цветов цветовых пространств в CMYK, поэтому иногда изображения, хорошо выглядящие в RGB, значительно тускнеют и гаснут в CMYK.

Также распространены Adobe RGB и ProPhoto RGB. Цветовое пространство ProPhoto RGB, также известное как ROMM RGB (от англ. Reference Output Medium Metric – метрика образцового выходного материала), является цветовым пространством RGB, предназначенным для обработки фотографий и ориентированным на выходной материал. Стандарт разработан компанией Kodak, он предлагает особо широкий охват, предназначенный для фотоизображений.

RGB – самое используемое цветовое пространство, и у него есть как сильные, так и слабые стороны. С одной стороны, модель RGB оптимальна для редактирования изображений с высоким разрешением. В ней отображается широкий диапазон значений, и изображения в формате RGB могут обрабатываться при помощи почти всех инструментов и функций графических редакторов .

С другой стороны, RGB зависит от устройств. Какое бы ни было числовое определение цвета, способ его вывода на экран полностью зависит от аппаратуры отображения.

• Графический редактор – программа (или пакет программ), предназначенная для создания и обработки графических файлов.

Очень часто у людей, напрямую не связанных с полиграфическим дизайном, возникают вопросы "Что такое CMYK?", "Что такое Pantone?" и "почему нельзя использовать ничего, кроме CMYK?".

В этой статье постараемся немного разобраться, что такое цветовые пространства CMYK, RGB, LAB, HSB и как использовать краски Pantone в макетах.

Цветовая модель

CMY(K), RGB, Lab, HSB - это цветовая модель. Цветовая модель - термин, обозначающий абстрактную модель описания представления цветов в виде кортежей чисел, обычно из трёх или четырёх значений, называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами. Вместе с методом интерпретации этих данных множество цветов цветовой модели определяет цветовое пространство.

RGB - аббревиатура английских слов Red, Green, Blue - красный, зелёный, синий. Аддитивная (Add, англ. - добавлять) цветовая модель, как правило, служащая для вывода изображения на экраны мониторов и другие электронные устройства. Как видно из названия – состоит из синего, красного и зеленого цветов, которые образуют все промежуточные. Обладает большим цветовым охватом.

Главное, что нужно понимать, это то, что аддитивная цветовая модель предполагает, что вся палитра цветов складывается из светящихся точек. То есть на бумаге, например, невозможно отобразить цвет в цветовой модели RGB, поскольку бумага цвет поглощает, а не светится сама по себе. Итоговый цвет можно получить, прибавляя к исходномой черной (несветящейся) поверхности проценты от каждого из ключевых цветов.

CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, Key color - субтрактивная (subtract, англ. - вычитать) схема формирования цвета, используемая в полиграфии для стандартной триадной печати. Обладает меньшим, в сравнении с RGB, цветовым охватом.

CMYK называют субстрактивной моделью потому, что бумага и прочие печатные материалы являются поверхностями, отражающими свет. Удобнее считать, какое количество света отразилось от той или иной поверхности, нежели сколько поглотилось. Таким образом, если вычесть из белого три первичных цвета - RGB, мы получим тройку дополнительных цветов CMY. «Субтрактивный» означает «вычитаемый» - из белого вычитаются первичные цвета.

Key Color (черный) используется в этой цветовой модели в качестве замены смешению в равных пропорциях красок триады CMY. Дело в том, что только в идеальном варианте при смешении красок триады получается чистый черный цвет. На практике же он получится, скорее, грязно-коричневым - в результате внешних условий, условий впитываемости краски материалом и неидеальности красителей. К тому же, возрастает риск неприводки в элементах, напечатанных черным цветом, а также переувлажнения материала (бумаги).

В цветовом пространстве Lab значение светлоты отделено от значения хроматической составляющей цвета (тон, насыщенность). Светлота задана координатой L (изменяется от 0 до 100, то есть от самого темного до самого светлого), хроматическая составляющая - двумя декартовыми координатами a и b. Первая обозначает положение цвета в диапазоне от зеленого до пурпурного, вторая - от синего до желтого.

В отличие от цветовых пространств RGB или CMYK, которые являются, по сути, набором аппаратных данных для воспроизведения цвета на бумаге или на экране монитора (цвет может зависеть от типа печатной машины, марки красок, влажности воздуха на производстве или производителя монитора и его настроек), Lab однозначно определяет цвет. Поэтому Lab нашел широкое применение в программном обеспечении для обработки изображений в качестве промежуточного цветового пространства, через которое происходит конвертирование данных между другими цветовыми пространствами (например, из RGB сканера в CMYK печатного процесса). При этом особые свойства Lab сделали редактирование в этом пространстве мощным инструментом цветокоррекции.

Благодаря характеру определения цвета в Lab появляется возможность отдельно воздействовать на яркость, контраст изображения и на его цвет. Во многих случаях это позволяет ускорить обработку изображений, например, при допечатной подготовке. Lab предоставляет возможность избирательного воздействия на отдельные цвета в изображении, усилиения цветового контраста, незаменимыми являются и возможности, которые это цветовое пространство предоставляет для борьбы с шумом на цифровых фотографиях.

HSB - модель, которая в принципе является аналогом RGB, она основана на её цветах, но отличается системой координат.

Любой цвет в этой модели характеризуется тоном (Hue), насыщенностью (Saturation) и яркостью (Brightness). Тон - это собственно цвет. Насыщенность - процент добавленной к цвету белой краски. Яркость - процент добавленной чёрной краски. Итак, HSB - трёхканальная цветовая модель. Любой цвет в HSB получается добавлением к основному спектру чёрной или белой, т.е. фактически серой краски. Модель HSB не является строгой математической моделью. Описание цветов в ней не соответствует цветам, воспринимаемых глазом. Дело в том, что глаз воспринимает цвета, как имеющие различную яркость. Например, спектральный зелёный имеет большую яркость, чем спектральный синий. В HSB все цвета основного спектра (канала тона) считаются обладающими 100%-й яркостью. На самом деле это не соответствует действительности.

Хотя модель HSB декларирована как аппаратно-независимая, на самом деле в её основе лежит RGB. В любом случае HSB конвертируется в RGB для отображения на мониторе и в CMYK для печати,а любая конвертация не обходится без потерь.

Стандартный набор красок

В стандартном случае полиграфическая печать осуществляется голубой, пурпурной, желтой и черной красками, что, собственно и составляет палитру CMYK. Макеты, подготовленные для печати, должны быть в этом пространстве, поскольку в процессе подготовки фотоформ растровый процессор однозначно трактует любой цвет как составляющую CMYK. Соответственно, RGB-рисунок, который на экране смотрится очень красиво и ярко, на конечной продукции будет выглядеть совсем не так, а, скорее, серым и бледным. Цветовой охват CMYK меньше, чем RGB, поэтому все изображения, подготавливаемые для полиграфической печати, требуют цветокоррекции и правильной конвертации в цветовой пространство CMYK!. В частности, если вы пользуетесь Adobe Photoshop для обработки растровых изображений, следует пользоваться командой Convert to Profile из меню Edit.

Печать дополнительными красками

В связи с тем, что для воспроизведения очень ярких, "ядовитых" цветов цветового охвата CMYK недостаточно, в отдельных случаях используется печать CMYK + дополнительные (SPOT) краски . Дополнительные краски обычно называют Pantone , хотя это не совсем верно (каталог Pantone описывает все цвета, как входящие в CMYK, так и не содержащиеся в нем) - правильно называть такие цвета SPOT (плашечные), в отличие от смесевых, то есть CMYK.

Физически это означает, что вместо четырех печатных секций со стандартными CMYK-цветами используется большее их количество. Если печатных секций всего четыре, организовывается дополнительный прогон, при котором в уже готовое изделие впечатываются дополнительные цвета.

Существуют печатные машины с пятью печатными секциями, поэтому печать всех цветов происходит за один прогон, что, несомненно, улучшает качество приводки цвета в готовом изделии. В случае печати в 4 CMYK-секциях и дополнительным прогоном через печатную машину с плашечными красками цветосовпадение может страдать. Особенно это будет заметно на машинах с менее чем 4 печатными секциями - наверняка не раз вы видели рекламные листовки, где за края, к примеру, красивых ярко-красных букв может немного выступать желтая рамочка, которая есть ни что иное, как желтая краска из раскладки данного красивого красного цвета.

Подготовка макетов для полиграфии

Если вы готовите макет для печати в типографии и вами не оговорена возможность печати дополнительными (SPOT) красками, готовьте макет в цветовом пространстве CMYK, какими бы привлекательными вам не казались цвета в палитрах Pantone. Дело в том, что для имитации цвета Pantone на экране используются цвета, выходящие за пределы цветового пространства CMYK. Соответственно, все ваши SPOT-краски будут автоматически переведены в CMYK и результат будет совсем не таким, как вы ожидаете.

Если в вашем макете (при договоренности об использовании триады) все-таки есть не CMYK краски, будьте готовы к тому, что макет вам вернут и попросят переделать.

При составлении статьи за основу были взяты материалы с citypress72.ru и masters.donntu.edu.ua/