Цвет и модели цвета
Мир, окружающий человека, — это вселенная цвета. Цвет имеет не только информационную, но и эмоциональную составляющую. Человеческий глаз — очень тонкий инструмент, способный различать даже едва заметные опенки цвета. Однако очень трудно пересказать другому человеку свое ощущение цвета, даже если это какой-нибудь известный или привычный цвет, скажем, цвет неба или цвет листвы.
Для многих отраслей производства, в том числе для компьютерных технологий и полиграфии, необходимы численные способы описания цвета. Эта необходимость реализуются в цветовых моделях (color models), в которых цвет представляет собой набор числовых значений для определенных координатных осей.
Все предметы, которые нас окружают, с точки зрения цвета делятся на 3 большие группы:
— Предметы излучающие свет (солнце, лампочка, монитор …)
— Предметы поглощающие и отражающие свет (Прежде всего бумага, а также все не светящиесяпредметы)
— предметы пропускаюшие свет (стекла, пленки и и тд)
Для технических нужд чаще всего используются первая и вторая группы. В силу физической специфики этих предметов для их описания используются разные цветовые модели.
Цветовая модель RGB
Многие цвета видны оттого, что в органы зрения человека попадают излучаемые тем или иным источником световые потоки (цвета на экране телевизора, монитора, кино, слайд-проектора и т. д.). У таких устройств базовым цветом, который он способен показывать даже будучи не подключенным к розетке, является черный цвет. А все остальные цвета в нем синтезируются смешением всего 3 основных цветов разной интенсивности — красного, зеленого и синего. При смешении двух основных цветов результат осветляется. При смешении красного и зеленого получается желтый, при смешении зеленого и синего получается голубой, синий и красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, в результате образуется белый. Такие цвета называются аддитивными.
Модель, в основе которой лежат указанные три цвета, носит название RGB по первым буквам английских слов Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий). В компьютерной реализации модели RGB значение каждой составляющей принадлежит диапазону от 0 до 255 
— Нулевые значения всех составляющих (0, 0, 0) соответствуют черному цвету.
— Максимальные значения всех составляющих (255, 255, 255) соответствуют белому цвету.
— При нулевом значении одной составляющей и двух максимальных обеспечиваются вторичные основные цвета — голубой, пурпурный и желтый.
— Все оттенки серого получаются тогда, когда интенсивность каждого из основных цветов одинакова. Например, 50% серый получается при установке значений red=128 green=128 blue=128
Эта модель, конечно, совсем не очевидна для фотографа, художника или дизайнера, но ее необходимо принять и разобраться в ней, потому что она является теоретической основой процессов фотографирования, сканирования и визуализации изображений на экране монитора.
Цветовая модель CMYK
В модели CMYK к отражаемым относятся цвета, которые остаются после вычитания из белого падающего светового потока на какую-либо поверхность. Такие цвета называются субтрактивными («вычитательными»), поскольку это результат вычитания основных аддитивных (например, полиграфическая краска голубого цвета поглощает красный и отражает синий и зеленый цвета).
К основным субтрактивным цветам относятся: голубой (cyan), пурпурный (magenta), желтый (yellow). Они входят в так называемую полиграфическую триаду (process colors), которая может быть представлена в виде трехмерной модели: 
Диапазон каждой составляющей простирается от 0 до 100% (рис. 2.2).
При смешении двух субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется, а при смешении всех трех должен получиться черный цвет. При полном отсутствии краски остается белый цвет (белая бумага). 
Данная модель описывает реальные полиграфические краски, которые далеко не столь совершенны, как луч света. Они не могут полностью
перекрыть весь цветовой диапазон, а это приводит, в частности, к тому, что смешение трех основных красок, которое должно давать (согласно теоретической модели) черный цвет, на самом деле дает темный цвет не очень определенного цвета (бурый).
Для исключения этого недостатка в число основных полиграфических красок была внесена черная краска, позволяющая получить глубокий черный цвет. Именно она добавила последнюю букву в название модели CMYK, хотя и не совсем обычно. С — это Cyan (голубой), М — Magenta (пурпурный), Y — Yellow (желтый), а К — это сокращение от Key color — «контурный цвет», т. е. черный цвет.
Цветовая модель HSB
Если основные цвета двух вышеописанных моделей разместить в виде единой последовательности, то получится усеченный вариант цветового круга, в котором цвета располагаются в известном порядке: красный (R), желтый (Y), зеленый (G), голубой (С), синий (В) и пурпурный (М). В цветовой модели HSB этот круг взят за основу. 
— По краю этого цветового крута располагаются так называемые спектральные цвета или цветовые тоны (Hue), которые определяются длиной световой волны, отраженной от непрозрачного объекта или прошедшей через прозрачный объект. Цветовой тон характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла в диапазоне от 0 до 360 градусов. Эти цвета обладают максимальной насыщенностью.
— Насыщенность (Saturation) — это параметр цвета, определяющий его чистоту. Уменьшение насыщенности цвета означает его разбеливание. С уменьшением насыщенности цвет становится пастельным, блеклым, размытым. На модели все одинаково насыщенные цвета располагаются на концентрических окружностях, т. е. можно говорить об одинаковой насыщенности, например, зеленого и пурпурного цветов, и чем ближе центр круга, тем все более разбеленные цвета получаются. В самом центре любой цвет максимально разбеливается, проще говоря, становится белым цветом. Ось насыщенности — это радиус окружности. Диапазон значений — от 0 до 100%.
— Яркость (Brightness) — это параметр цвета, определяющий затемненность цвета. Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. Работу с яркостью можно охарактеризовать как добавление в спектральный цвет определенного процента черной краски. Чем больше в цвете содержание черного, тем ниже яркость цвета, и тем более темным он становится. Ось яркости — это вертикаль, опущенная из центра окружности. Диапазон значений — от 0 до 100%. 
В общем случае модель можно представить в форме конуса, любой цвет в модели HSB получается из спектрального цвета добавлением определенного процента белой и черной красок, т. е. фактически серой краски.
Примечание
Название модели HSB — аббревиатура от Hue, Saturation и Brightness
Важной особенностью модели HSB является наличие треугольника (на рис. выше он выделен серым цветом), в пределах которого располагаются все оттенки одного цветового тона, что соответствует привычной логике выбора цвета.
Цветовая модель Lab
Цветовая модель Lab была создана Международной комиссией по освещению (Commission Internationale de I’EcIairage — CIE) с целью преодоления существенных недостатков перечисленных моделей, в частности, она призвана стать аппаратно-независимой моделью и определять цвета без учета особенностей устройства (сканера, монитора, принтера, печатного станка и т. д.).
Что касается цветовых параметров, то в этой модели любой цвет определяется светлотой (Lightness) и двумя хроматическими компонентами: параметром «a», который изменяется в диапазоне от красного до зеленого, и параметром «b», изменяющимся в диапазоне от желтого до синего. 
В данной модели так же трудно ориентироваться, как в моделях RGB и CMYK, но нужно иметь представление о ней, поскольку программа Adobe Photoshop использует ее в качестве модели-посредника при конвертировании из одной цветовой модели в другую.
Кроме того, эта модель является центральной в системе управления цветом и имеет максимально широкий цветовой охват (см ниже).
Цветовое пространство модели Lab можно условно представить в виде графика цветности ху. Все цвета, расположенные внутри и на границе «подковы», являются физически реализуемыми. 
Цветовой охват
Мы видим естественный цвет в природных условиях — и представленный на экране монитора или на бумаге. Возможный диапазон видимых цветов, или цветовой охват (gamut), при этом отличается.
Самый широкий он, естественно, в природе и ограничивается, естественно, возможностями нормального человеческого зрения.
Часть из того, что существует в природе, может передать монитор (на экране нельзя точно передать, например, чистые голубой и желтый цвета).
Часть из того, что передает монитор, можно напечатать (например, при полиграфическом исполнении совсем не передаются цвета, составляющие которых имеют очень низкую плотность).
Представить цветовой охват можно на графике цветности ху (площадь «подковы» совпадает с цветовым охватом модели Lab). 
Источник
Цветовая модель это способ описания цвета
Как видим из вышеизложенного, описание цвета может опираться на составление любого цвета на основе основных цветов или на такие понятия, как светлота, насыщенность, цветовой тон. Применительно к компьютерной графике описание цвета также должно учитывать специфику аппаратуры для ввода/вывода изображений. В связи с необходимостью описания различных физических процессов воспроизведения цвета были разработаны различные цветовые модели. Цветовые модели позволяют с помощью математического аппарата описать определенные цветовые области спектра. Цветовые модели описывают цветовые оттенки с помощью смешивания нескольких основных цветов.
Основные цвета разбиваются на оттенки по яркости (от темного к светлому), и каждой градации яркости присваивается цифровое значение (например, самой темной – 0, самой светлой – 255). Считается, что в среднем человек способен воспринимать около 256 оттенков одного цвета. Таким образом, любой цвет можно разложить на оттенки основных цветов и обозначить его набором цифр – цветовых координат.
Таким образом, при выборе цветовой модели можно определять трехмерное цветовое координатное пространство, внутри которого каждый цвет представляется точкой. Такое пространство называется пространством цветовой модели.
Профессиональные графические программы обычно позволяют оперировать с несколькими цветовыми моделями, большинство из которых создано для специальных целей или особых типов красок: CMY, CMYK, CMYK256, RGB, HSB, HLS, L*a*b, YIQ, Grayscale (Оттенки серого) и Registration color. Некоторые из них используются редко, диапазоны других перекрываются.
Цветовая модель RGB. В основе одной из наиболее распространенных цветовых моделей, называемой RGB моделью, лежит воспроизведение любого цвета путем сложения трех основных цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). Каждый канал — R, G или B имеется свой отдельный параметр, указывающий на количество соответствующей компоненты в конечном цвете. Например: (255, 64, 23) – цвет, содержащий сильный красный компонент, немного зелёного и совсем немного синего. Естественно, что этот режим наиболее подходит для передачи богатства красок окружающей природы. Но он требует и больших расходов, так как глубина цвета тут наибольшая – 3 канала по 8 бит на каждый, что дает в общей сложности 24 бита.
Поскольку в RGB модели происходит сложение цветов, то она называется аддитивной (additive). Именно на такой модели построено воспроизведение цвета современными мониторами.
Цветовым пространством RGB модели является единичный куб.
Источник
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 (например, определение условий воспроизведения и/или просмотра — то есть задание способа реализации), множество цветов цветовой модели определяет цветовое пространство.
Содержание
Трёхкомпонентное цветовое пространство стимулов
Человек является трихроматом — сетчатка глаза имеет 3 вида рецепторов света, ответственных за цветное зрение (см.: колбочки). Каждый вид колбочек реагирует на определённый диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определённого спектра, называется цветовым стимулом, при этом свет с разными спектрами может иметь один и тот же цветовой стимул и, таким образом, восприниматься человеком одинаково. Это явление называется метамерией — два излучения с разными спектрами, но одинаковыми цветовыми стимулами, будут неразличимы для человека.
Можно определить цветовое пространство стимулов как линейное пространство, если задать координаты x, y, z в качестве значений стимулов, соответствующих отклику колбочек длинноволнового (L), средневолнового (M) и коротковолнового (S) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять чёрный цвет. Белый цвет не будет иметь чёткой позиции в данном определении диаграммы всевозможных цветов, а будет определяться, например, через цветовую температуру, определённый баланс белого или каким-либо иным способом. Полное цветовое пространство человека имеет вид конуса в форме подковы (см. рисунок справа). Принципиально данное представление позволяет моделировать цвета любой интенсивности — начиная с нуля (чёрного цвета) до бесконечности. Однако, на практике, человеческие рецепторы могут перенасытиться или даже быть повреждены излучением с экстремальной интенсивностью, поэтому данная модель не применима для описания цвета в условиях чрезвычайно высоких интенсивностей излучений и также не рассматривает описание цвета в условиях очень низких интенсивностей (поскольку у человека задействуется иной механизм восприятия через палочки).
Являясь линейным пространством, пространство цветовых стимулов имеет свойство аддитивного смешивания — сумма двух цветовых векторов будет соответствовать цвету, равному получаемому смешением этих двух цветов (см. также: Закон Грассмана). Таким образом, можно описывать любые цвета (вектора цветового пространства) через линейную комбинацию цветов, выбранных в качестве базиса. Такие цвета называют основными (англ. primary colors ). Чаще всего в качестве основных цветов выбирают красный, зелёный и синий (модель RGB), однако возможны другие варианты базиса основых цветов. Выбор красного, зелёного и синего оптимален по ряду причин, например потому что при этом минимизируется количество точек цветового пространства, для представления которых используются отрицательные координаты, что имеет практическое значения для цветовоспроизведения (нельзя воспроизводить цвет излучением с отрицательной интенсивностью). Этот факт следует из того что пики чувствительностей L,M и S колбочек приходятся на красный, зелёный и синий части видимого спектра.
Некоторые цветовые модели используются для цветовоспроизведения, например воспроизведения цвета на экранах телевизоров и компьютеров, или цветной печати на принтерах. Используя явление метамерии, устройства цветовоспроизведения не воспроизводят оригинальный спектр изображения, а лишь имитируют стимульную составляющую этого спектра, что в идеале позволяет получить картину неотличимую человеком от оригинальной сцены. [1]
Цветовое пространство CIE XYZ
Цветовое пространство XYZ — это эталонная цветовая модель, заданная в строгом математическом смысле организацией CIE (International Commission on Illumination — Международная комиссия по освещению) в 1931 году. Модель XYZ является мастер-моделью практически всех остальных цветовых моделей, используемых в технических областях.
Функции цветового соответствия
Являясь трихроматом, человек имеет три типа светочувствительных детекторов или, другими словами, зрение человека трёхкомпонентно. Каждый тип детекторов (колбочек) имеет различающуюся чувствительность к разным длинам волн спектра, что описывается функцией спектральной чувствительности (которая напрямую определяется видом конкретных молекул фотопсинов, используемых данным типом колбочек). Можно сказать, что глаз, как детектор, выдает три вида сигнала (нервные импульсы). С математической точки зрения, из спектра (описываемого бесконечномерным вектором) путём умножения на функции спектральной чувствительности колбочек получается трёхкомпонентный вектор, описывающий детектируемый глазом цвет. В колориметрии данные функции принято называть функциями цветового соответствия (англ. color matching functions ).
Эксперименты, проведённые Дэвидом Райтом (англ. David Wright ) [3] и Джоном Гилдом (англ. John Guild ) [4] в конце 1920-х и начале 1930-х годов, послужили основой для определения функций цветового соответствия. Изначально функции цветового соответствия были определены для 2-градусного поля зрения (использовался соответствующий колориметр). В 1964 году комитет CIE опубликовал дополнительные данные для 10-градусного поля зрения.
При этом в определении кривых модели XYZ заложен фактор своевольности — форма каждой кривой может быть измерена с достаточной точностью, однако кривая суммарной интенсивности (или сумма всех трёх кривых) заключает в своём определении субъективный момент, при котором реципиента просят определить, имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если эти источники абсолютно разного цвета. Также, имеется произвольность относительной нормировки кривых X, Y и Z, поскольку можно предложить альтернативную работающую модель, в которой кривая чувствительности X имеет двукратно усиленную амплитуду. При этом цветовое пространство будет иметь иную форму. Кривые X, Y и Z в модели CIE XYZ 1931 и 1964 были выбраны таким образом, чтобы площади поверхности под каждой кривой были равны между собой.
Хроматические координаты Yxy
На рисунке справа представлена классическая хроматическая диаграмма модели XYZ с длинами волн цветов. Значения x и y в ней соответствуют X, Y и Z согласно следующим формулам:
В математическом смысле данную хроматическую диаграмму можно представить как подобласть действительной проективной плоскости, при этом x и y будут являться проективными координатами цветов. Данное представление позволяет задавать значение цвета через светлоту Y (англ. luminance ) и две координаты x, y. Однако светлота Y в модели XYZ и Yxy — это не то же самое, что яркость Y в модели YUV или YCbCr.
Обычно диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик гамутов различных устройств воспроизведения цвета — дисплеев и принтеров. Конкретный гамут обычно имеет вид треугольника, углы которого образованы точками основных, или первичных, цветов. Внутренняя область гамута описывает все цвета, которые способно воспроизвести данное устройство.
Особенности цветного зрения
Значения X, Y и Z получаются путём умножения физического спектра излучения на функции цветового соответствия. Синяя и красная часть спектра оказывают меньшее влияние на воспринимаемую яркость, что может быть продемонстрировано на примере:
| red КРАСНЫЙ | green ЗЕЛЁНЫЙ | blue СИНИЙ | yellow КРАСНЫЙ +ЗЕЛЁНЫЙ | aqua/cyan ЗЕЛЁНЫЙ +СИНИЙ | fuchsia/magenta КРАСНЫЙ +СИНИЙ | black ЧЁРНЫЙ | white КРАСНЫЙ +ЗЕЛЁНЫЙ +СИНИЙ |
Для среднестатистического человека, имеющего нормальное цветовое зрение, зелёный будет восприниматься ярче синего. [5] В то же время, хотя чистый синий цвет воспринимается как очень неяркий (если рассматривать надпись синего цвета с большого расстояния, то её цвет будет трудно отличить от чёрного), в смеси с зелёным или красным воспринимаемая яркость значительно повышается.
При определённых формах дальтонизма зелёный цвет может восприниматься эквивалентно-ярким синему, а красный как очень тёмный, либо вообще как неразличимый. Люди с дихромией — нарушением восприятия красного, например, не способны видеть красный сигнал светофора при ярком солнечном дневном свете. При дейтеранопии — нарушении восприятия зелёного, в ночных условиях зелёный сигнал светофора становится неотличимым от света уличных фонарей.
Классификация
Цветовые модели можно классифицировать по их целевой направленности:
- XYZ — описание восприятия; L*a*b* — то же пространство в других координатах.
- Аддитивные модели — рецепты получения цвета на мониторе (например, RGB).
- Полиграфические модели — получение цвета при использовании разных систем красок и полиграфического оборудования (например, CMYK).
- Модели, не связанные с физикой оборудования, являющиеся стандартом передачи информации.
- Математические модели, полезные для каких-либо способов цветокоррекции, но не связанные с оборудованием, например HSV.
Источник
