Технологии мультимедиа Москин Николай Дмитриевич доцент, к.т.н. математический факультет Петрозаводский государственный университет

§6 Цвет Цвет – это субъективное ощущение, формируемое мозгом. Для электронного воспроизведения цвета или цифровой работы с ним нужна модель цвета, связывающая субъективные ощущения с измеряемыми и воспроизво- димыми физическими явлениями.

Cпектральное распределение энергии Поскольку свет – это разновидность электромагнитного излучения, можно измерить его длину волны и интенсивность. Данные измерения можно объединить в спектральное распределение энергии (Spectral Power Distribution – SPD) – описание зависимости интенсивности света, исходящего от отдельных источников, от длины волны.

Спектральное распределение энергии дневного света Длина волны видимого света приблизительно равна нм.

Трехцветная теория цвета Считается, что цветовые рецепторы (колбочки) подразделяются на три группы, каждая из которых воспринимает только единственный цвет – красный, зеленый или синий (три различные группы длин волн). Эти цвета называются аддитивными основными цветами.

Графики чувствительности человеческих колбочек (К, С, Д) и палочек (П)

Спектры волн Виды колбочек: К – коротковолновый спектр (фиолетово-синий); С – средневолновый спектр (зелено-желтый); Д – длинноволновый спектр (желто-красный). Клетки-палочки (П) обеспечивают ночное зрение и не различают цвета. Ось длин волны на графике - логарифмическая.

Аддитивное и субтрактивное цветовоспроизведение Для излучающих объектов характерно аддитивное цветовоспроизведение (световые излучения суммируются), для отражающих объектов – субтрактивное цветовоспроизведение (световые излучения вычитаются). Примером объекта первого типа является электронно-лучевая трубка, второго типа – полиграфический отпечаток.

Модель цвета RGB В модели RGB цвет можно представить тремя значениями (r, g, b), где r, g и b – величины красного (red), зеленого (green) и синего (blue) света, составляющие искомый цвет. (100%, 0%, 0%) – чистый красный цвет, (50%, 0%, 0%) – более темный красный, (100%, 50%, 100%) – яркий оттенок розовато- лилового цвета, (0%, 0%, 0%) – черный цвет.

Модель цвета RGB

Каналы Иногда вместо хранения 24-битовых значений пикселей можно записать 3 отдельных массива 8-битовых значений, характеризующих красную, зеленую и синюю составляющие изображения. Полученные таким образом три полутоновые изображения называются каналами.

Коррекция оттенка

CIE XYZ В 1931 году Международной комиссией по освещению (CIE – Commission International d`Eclairage) было проведено множество экспериментов с большим количеством людей, где их просили смешать красный, зеленый и синий цвета для получения заданного образца. Оказалось, что для получения некоторых цветов, нужно добавлять отрицательные величины основных цветов (т.е. цвет прибавлялся к предложенному образцу, а не тому цвету, который получали участники эксперимента).

CIE XYZ МКО определила набор трех цветов X, Y и Z, которые можно использовать для получения любого видимого цвета с помощью простого сложения (Y – это яркость (или светимость)). Матрицы для перевода цветов между системами RGB и XYZ: X = 0,431*R + 0,342*G + 0,178*B Y = 0,222*R + 0,707*G + 0,071*B Z = 0,020*R + 0,130*G + 0,939*B

Хроматические координаты Yxy Если определить x = X/(X+Y+Z) и y = Y/(X+Y+Z), то любой цвет можно задать значениями x, y и Y (X и Z легко восстановить по формулам). Поскольку Y определяет яркость, то собственно цвет определяют x и y.

LAB Lab (CIELAB) – модель цвета, при разработке которой преследовалась цель создания цветового пространства, изменения цвета в котором было бы более линейным с точки зрения человеческого восприятия (по сравнению с XYZ). При этом особые свойства Lab сделали редактирование в этом пространстве мощным инструментом цветокоррекции.

Установка цвета в Adobe Photoshop

Модель цвета CMYK В 1801 году Томас Янг про- вел следующий эксперимент: при перекрытии трех основных цветов образуются новые цвета: Белый цвет (white); Оттенок синего – голубой (cyan); Синевато-красный – пурпурный (magenta); Оттенок желтого (yellow).

Модель цвета CMYK Обозначим «+» аддитивное смешивание света, «-» вычитание света. голубой (C) = зеленый (G) + синий (B) = белый (W) – красный (R) пурпурный (M) = красный (R) + синий (B) = белый (W) – зеленый (G) желтый (Y) = красный (R) + зеленый (G) = белый (W) – синий (B) Цвет, расположенный слева, называется дополнительным цветом цвета, стоящего в строке последним (например, пурпурный (M) является дополнительным цветом зеленого (G)).

Принцип действия цветных чернил Пример 1: голубые чернила, нанесенные на белую бумагу, поглощают красный компонент цвета, позволяя отражаться зеленому и синему, которые в сумме дают голубой цвет. Пример 2: если добавить слой пурпурных чернил, они поглотят зеленый цвет, так что эта комбинация даст синий цвет.

Субтрактивные основные цвета Поэтому голубой, пурпурный и желтый цвета называются субтрактивными основными цветами, а цветовую модель CMYK используют при подготовке публикаций к печати. Главная проблема модели CMYK – наложение друг на друга дополнительных цветов на практике не дает чистого черного цвета. Поэтому в модель был включен компонент чистого черного цвета (blacK).

Модель цвета HSV (HSB) Она построена на основе цветового круга Манселла. Значение цвета выбирается как вектор, исходящий из центра окружности. Точка в центре соответствует белому цвету, а точки по периметру – чистым спектральным цветам.

Модель цвета HSV (HSB) Цвет описывается тремя компонентами: Направление вектора в градусах (0-360°) - оттенок (Hue – H); Длина вектора (0-100) - насыщенность (Saturation – S); На отдельной оси (0-100) - значение яркости (Brightness Value - V). Шкала оттенков (Hue):

Трехмерное представление HSV

Модель цвета HSV (HSB)

Модель цвета YUV Иногда информацию о яркости изображения полезно отделить от цвета. Исторически это связано с передачей телевизионных сигналов, совместимых со старыми черно-белыми телевизорами. Величина Y – яркость определяется по следующей формуле: Y = 0,299*R + 0,587*G + 0,114*B По техническим причинам помимо Y используют- ся две цветоразностные составляющие U и V.

Модель цвета YUV

Модель цвета RYB RYB – цветовая модель субтрактивного синтеза, основанная на составлении цвета из красного (Red), желтого (Yellow) и синего (Blue). Эта сложившаяся исторически система предшествовала становлению современной науки о цвете.

Модель цвета RYB С помощью модели RYB нельзя воспроизвести весь спектр видимого цвета. Например, некоторые светлые оттенки зеленого, голубого и пурпурного не могут быть синтезированы из каких-либо сочетаний базовых цветов этой модели. Поэтому на практике RYB применяется редко. Эта система используется в изобразительном искусстве, поскольку ее субтрактивный характер означает легкость применения в сравнении с моделью RGB.

Насыщенность цвета В модели RGB числа r, g и b – это не абсолютные значения, а относительные пропорции. Например, при использовании 256 значений для каждого компонента можно получить 16,8 млн. комбинаций (24-битовый цвет). Если r=g=b, цвет определяется как оттенок серого, поэтому для его задания достаточно одного числа. Альтернативой является однобитовый (двухуровневый) цвет: черный и белый, оранжевый и черный и т. д. Количество битов, используемых для записи кода цвета, часто называют насыщенностью цвета.

Фотографии с цветом: 24 бит, 8 бит, 4 бит, 1 бит

Индексирование цвета Вместо хранения компонентов (r, g, b) для каждого пикселя можно хранить индекс в таблице видео соответствий (Color Lookup Table – СLUT) или палитре. Индекс занимает небольшое место в памяти, например, 1 байт (тогда палитра хранит битовых значений). Палитру цветов позволяют включать PNG, BMP и TIFF, а, например, JPEG не позволяет.

Индексирование цвета Для публикации в Web можно использовать стандартную инвариантную «безопасную» палитру для Web (Web-safe palette) с 216 цветами. Эти цвета остаются неизменными при переходе от одного браузера (платформы, монитора) к другому.

Безопасная палитра Web Каждая составляющая принимает значения 0, 51, 102, 153, 204, 255. В шестнадцатеричном виде: 00, 33, 66, 99, CC, FF.

Системы управления цветом Система управления цветом (CMS – Color Management System) – это программное обеспечение, которое компенсирует изменения, возникающие при аппаратно-независимой обработке цвета, позволяя точно и непротиворечиво воспроизводить цвета. Такие системы содержат набор объективных параметров, обязательных для всех устройств при обмене цветовыми данными.

Профиль Для согласования отображения цветов на различных устройствах они должны иметь собственный профиль, описывающий различия в представлении цвета между устройствами и определенной цветовой моделью. Международным консорциумом по цвету (International Color Consortium - ICC) установлен промышленный стандарт на параметры описания характеристик воспроизведения цвета.

sRGB Очевидно, что было бы желательно использовать аппаратно-независимое пространство цветов для хранения кодов цвета. В качестве такого пространства пытались предложить sRGB (стандартное пространство RGB). Оно основано на модели RGB и задает стандартные значения цветностей R, G и B, белую точку и гамму (они выбраны типичными для большинства мониторов).

Файловые форматы Файловые форматы растровой графики отличаются по способу сжатия информации: Алгоритмы сжатия без потерь (BMP, GIF, PCX, PNG и др.); Алгоритмы сжатия с потерями (JPEG, TIFF и др.).

Формат JPEG JPEG – это Объединенная группа экспертов в области фотографии (Joint Photographic Experts Group), разработавшая эту технологию сжатия. Этим термином обычно называют файлы растровой графики со сжатием JPEG с потерями, особенно подходящие для фотографий. Данный формат правильнее было бы назвать файлом JFIF – форматом для обмена файлами стандарта JPEG (JPEG File Interchange Format).

Формат JPEG 2000 JPEG 2000 (*.jp2, *.j2k, *.jpf, *.jpx, *.jpm, *.mj2) - графический формат, использующий вместо дискретного косинус-преобразования, применяемого в JPEG, технологию вейвлет- преобразования. В результате изображение получается более гладким и чётким (почти нет артефактов сжатия), а размер файла по сравнению с JPEG при одинаковом качестве оказывается меньшим. Пока этот формат мало распространён и поддерживается не всеми современными браузерами.

RAW Raw (англ. сырой) – формат данных, содержащий необработанные (или обработанные в минимальной степени) данные, что позволяет избежать потери информации о хранимом сигнале. Данные могут быть несжатыми, сжатыми без потерь или сжатыми с потерями. При съемке цифровыми фотоаппаратами записываются «сырые» данные с элементов светочувствительной матрицы, технической описание условий съемки, идентификация камеры и др. Обработка RAW-файла позволяет менять параметры кадра (экспозицию (в определённых пределах), яркость, контраст, баланс белого, резкость, насыщен- ность), как если бы они определялись перед съёмкой.

Формат PNG PNG (Portable Network Graphics – переносимая сетевая графика) – растровый формат хранения графики, в котором используется сжатие без потерь. Этот формат был создан на смену GIF, он не ограничен 256 цветами и в нем предлагается более сложная форма прозрачности, чем в формате GIF.

Формат TIFF TIFF (Tag Image File Format – файловый формат теговых изображений) – это межплатформенный открытый файловый формат растровой графики, где данные обычно хранятся в несжатом виде. TIFF часто используется для хранения изображений с большой глубиной цвета (при сканировании, распознавании текста, полиграфии и т.д.). Изначально формат поддерживал сжатие без потерь, но впоследствии он был дополнен для поддержки сжатия с потерями в формате JPEG.

Форматы BMP и ICO BMP (англ. Bitmap Picture) – растровый формат, разработанный компанией Microsoft. Файлы этого формата могут иметь расширения *.bmp, *.dib и *.rle. Возможна глубина цвета 1, 2, 4, 8, 16, 24, 32, 48 бит на пиксель. Поддерживает простую форму RLE-сжатия без потерь. Формат ICO (Windows Icon) - имеет структуру хранения данных, наиболее близкую к BMP, но отличаются наличием маски, которая позволяет реализовать прозрачность части изображения.

Форматы PCX и TGA PCX (PCExchange) – не столь популярный аналог BMP, хотя до сих пор поддерживается графичес- кими редакторами Adobe Photoshop, Corel Draw, GIMP и др. Использует схемы сжатия без потерь. TGA (*.tpic – на компьютерах Macintosh) – один из первых форматов, разработанный компанией Truevision Inc. Использует RLE-сжатие. Однако уровень его популярности снижается.

Средства создания и обработки изображения Adobe Photoshop Профессиональный пакет обработки фотографий. Обладает полным набором инструментов для коррекции цвета, ретуширования, регулировки контрастности и насыщенности цветов, создания различных эффектов. Corel PhotoPaint Этот редактор имеет все необходимое для создания и редактирования изображений, но уступает Adobe Photoshop в быстродействии при работе с файлами. Содержит инструменты для работы с анимированными изображениями и слайд-шоу в формате QuickTime. PhotoDraw PhotoDraw объединяет возможности пакетов векторной и растровой графики. Он включает много различных эффектов.

Средства создания и обработки изображения Corel Painter Программа редактирования растровой живописи. Модели- рует 200 разных инструментов (кисти, карандаш, уголь и др.), позволяет имитировать рисунки акварелью и маслом. PhotoImpact Графический пакет от фирмы Ulead Systems. Предлагает средства для создания и управления базами данных фотографий, мультимедийных слайд-шоу. Paint Shop Pro В пакете Paint Shop Pro, работающем как с векторной, так и с растровой графикой, представлены практически все те же возможности, что и в PhotoShop. При этом он отличается гораздо более скромными требованиями к системе и удобнее в работе.

Программа Ulead PhotoImpact 12

GIMP GIMP - пакет для создания и редактирования растровых изображений. Проект основан в 1995 году и распространяется на условиях свободной лицензии GNU (GNU Public License GPL). GIMP является высококачественным приложением для фоторетуши, экранной и веб-графики, позволяет создавать оригинальные изображения, является платформой для создания мощных и современных алгоритмов обработки графики учёными и дизайнерами, легко расширяем за счёт простой установки дополнений.