Цветовые модели. Аддитивные цветовые модели

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА РЭС

Реферат

на тему

«Цветовые модели. Аддитивные цветовые модели»

Минск, 2009

Большинство графических пакетов позволяют оперировать широким кругом цветовых моделей, часть из которых создана для специальных целей, а другая для особых типов красок. Основные используемые на практике это RGB, CMYK, CMY, Lab модели.

Цветовая модель представляет совокупность методов и средств, необходимых для представления определённых цветовых пространств. Цветовая модель состоит из цветовых координат и способа их реализации.

В зависимости от способа реализации цветовых координат и принципа действия цветовые модели условно можно разделить на:

Аддитивные, основанные на сложении цветов (RGB)

Субтрактивные, основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез) CMY, CMYK,

Перцепционные, базирующиеся на восприятии.

Цветовой круг демонстрирует соотношение между тремя первичными цветами красным, зеленым и синим и тремя первичными цветами голубым, пурпурным и желтым. Например, пурпурный можно получить из двух соседних цветов - красного и синего. Аналогично желтый при смешивании с голубым дает зеленый. Цвета, расположенные друг напротив друга, называются дополнительными цветами. Например, дополнительным цветом к зеленому является пурпурный. Если вы сделали фотографию, в которой избыток зеленого цвета, то этот эффект можно подавить, добавив соответствующий дополнительный цвет, пурпурный (смесь красного и синего согласно модели RGB). И напротив, вы можете усилить красный цвет, если уменьшите голубой (смесь зеленого и синего согласно модели RGB.

Рис 1 Круг цветности. Синтез аддитивного и субтрактивного смешивания цветов.

Аддитивные цветовые модели, В середине прошлого века немецкий ученый Герман Грассман сформулировал три закона аддитивного синтеза цвета.

Первый закон (трехмерности)

Любой цвет однозначно выражается тремя, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в том, что ни один из этих трех цветов нельзя получить сложением двух остальных.

Второй закон (непрерывности)

При непрерывном изменении излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвета, к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий.

Третий закон (аддитивности)

Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, а не от спектрального состава. Следствием является аддитивность цветовых уравнений: если цвета смешиваемых излучений описаны цветовыми уравнениями, то цвет смеси выражается суммой цветовых уравнений:

сС=rR+gG+bB,

где с, r, g, b?0 весовые коэффициенты для каждой из составляющих цвета.

Для смеси цветов (сС)1 и (сС)2 имеет место равенства:

сС1+ сС2 =(rR)1+ (gG)1 +(bB)1+(rR)2+ (gG)2 +(bB)2 ,

которое свидетельствует о том, что цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не от спектрального состава.

В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue) цвета (рис. 2). При по парном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета. На рис. 3 приведена схема получения новых цветов на базе двух первичных путем использования источников зеленого и красного цветов, интенсивностью каждого из которых можно управлять с помощью фильтра. Можно увидеть, что равные пропорции первичных цветов дают желтый цвет (1,2); снижение в смеси интенсивности зеленого цвета при той же интенсивности красного позволяет синтезировать оранжевый цвет (3,4); подобные колометрические схемы позволяют создать желтый и оранжевый цвета в виде геометрического места цветовых точек -- локуса (2, 4). Однако таким способом нельзя получить некоторые цвета, например голубой, для создания которого требуется наличие третьего первичного цвета-- синего (рис. 4).

Аддитивные цвета нашли широкое применение в системах освещения, видеосистемах, устройствах записи на фотопленку, мониторах, сканерах и цифровых камерах. Используемые для построения RGB-модели первичные, или аддитивные, цвета имеют еще одно название. Иногда, чтобы подчеркнуть тот факт, что при добавлении света интенсивность цвета увеличивается, эту модель называют добавляющей. Такое обилие терминов, используемых для описания RGB-модели, связано с тем, что она возникла задолго до появления компьютера и каждая область ее применения внесла свой вклад в терминологию.

Рис. 2. Принцип действия аддитивной цветовой модели RGB.

Путем проекции трех цветов: красного, синего и зеленого на светлую поверхность можно получить большинство цветов видимой области спектра. При одновременном смешивании трех чистых цветов получается белый цвет.

Рис. 3. Аддитивный синтез новых цветов на базе разного процентного соотношения двух первичных цветов: красного и зеленого

Рис. 4. Цветовая (слева) и колориметрическая (справа) схемы получения цветового пространства RGB-модели с помощью трех первичных цветов.

При использовании этой модели любой цвет может быть представлен в цветовом пространстве с помощью вектора, описываемого уравнением:

сС=rR+gG+bВ.

Уравнение идентично уравнению свободного вектора в пространстве, рассматриваемому в векторной алгебре. При этом направление вектора характеризует цветность, а его модуль выражает яркость. Математически цветовую модель RGB удобнее всего представлять в виде куба (рис. 5). В этом случае каждая его пространственная точка однозначно определяется значениями координат X, Y и Z. Если по оси Х откладывать красную составляющую, по оси Y -- зеленую, а по оси Z -- синюю, то каждому цвету можно поставить в соответствие точку внутри куба.

Рис. 5. Получение треугольника цветности через куб.

На диагонали (ахроматической оси), соединяющей точки с координатами (R,G,В)=(0,0,0) и (R,G,В)=(255,255,255), расположены различные градации серого, для которых значения красной, зеленой и синей составляющих одинаковы. На рис. 6 приведен пример практической реализации RGB-модели в программе Corel PHOTO-PAINT 9.

Рис. 6. Представления RGB-модели в виде куба

На рисунке представлены:

1) схема модели;

2) практическая реализация RGB-модели в окне диалога «Paint Color» (Цвет краски)» пакета Corel PHOTO-PAINT

В современных специальных журналах часто используются такие понятия, как треугольник цветности, диаграмма цветности, локус, цветовой охват. В этом разделе мы попытаемся разобраться в сущности и назначении этих терминов на примере RGB-модели (хотя это можно было бы сделать и на базе любой другой цветовой модели).

Начнем рассмотрение этих понятий с принципа образования плоскости единичных цветов.

Плоскость единичных цветов (Q) (рис. 3.5) проходит через отложенные на осях координат яркости единичные значения выбранных основных цветов.

Единичным цветом в колориметрии называют цвет, сумма координат которого (или, по-другому, модуль цвета т) равна 1.

Поэтому можно считать, что плоскость Q, пересекающая оси координат в точках Br(R=1,G=0,В=0), Bg(R=0,G=1,В=0) и Bb(R=0,G=0,В=1), является единичным местом точек в пространстве RGB.

Каждой точке плоскости единичных цветов (Q) соответствует след цветового вектора, пронизывающего плоскость в соответствующей точке на расстоянии от центра координат:

m=(R²+G²+B²)^0.5=1.

Следовательно, цветность любого излучения может быть представлена на плоскости единственной точкой. Можно себе представить и точку, соответствующую белому цвету (Б). Она образуется путем пересечения ахроматической оси с плоскостью Q.

В вершинах треугольника находятся точки основных цветов. Определение точек цветов, получаемых смешением любых трех основных, производится по правилу графического сложения. Поэтому данный треугольник называется треугольником цветности, или диаграммой цветности. Часто в литературе встречается другое название -- локус, которое можно интерпретировать как геометрическое место всех цветов, воспроизводимых данным устройством.

В колориметрии для описания цветности нет необходимости прибегать к пространственным представлениям. Достаточно использовать плоскость треугольника цветности. В нем положение точки любого цвета может быть задано только двумя координатами. Третью легко найти по двум другим, так как сумма координат цветности (или модуль) всегда равна 1. Поэтому любая пара координат цветности может служить координатами точки в прямоугольной системе координат на плоскости.

Итак, мы выяснили, что цвет графически можно выразить в виде вектора в пространстве или в виде точки, лежащей внутри треугольника цветности.

В графических пакетах цветовая модель RGB используется для создания цветов изображения на экране монитора, основными элементами которого являются три электронных прожектора и экран с нанесенными на него тремя разными люминофорами. Точно так же, как и зрительные пигменты трех типов колбочек, эти люминофоры имеют разные спектральные характеристики. Но в отличие от глаза они не поглощают, а излучают свет. Один люминофор под действием попадающего на него электронного луча излучает красный цвет, другой-- зеленый и третий-- синий.

Мельчайший элемент изображения, воспроизводимый компьютером, называется пикселом (pixel от pixture element). При работе с низким разрешением отдельные пикселы не видны. Однако если вы будете рассматривать белый экран включенного монитора через лупу, то увидите, что он состоит из множества отдельных точек красного, зеленого и синего цветов (рис. 7), объединенных в RGB-элементы в виде триад основных точек. Цвет каждого из воспроизводимых кинескопом пикселов (RGB-элементов изображения) получается в результате смешивания красного, синего и зеленого цветов входящих в него трех люминофорных точек. При просмотре изображения на экране с некоторого расстояния эти цветовые составляющие RGB-элементов сливаются, создавая иллюзию результирующего цвета.

Рис. 7

В основе работы монитора лежит возбуждение с помощью электронного пучка трех типов фосфоров; экран монитора состоит из множества триад маленьких точек красного, зеленого и синего цвета, называемых пикселами

Для назначения цвета и яркости точек, формирующих изображение монитора, нужно задать значения интенсивностей для каждой из составляющих RGB-элемента (пиксела). В этом процессе значения интенсивностей используются для управления мощностью трех электронных прожекторов, возбуждающих свечение соответствующего типа люминофора. В то же время число градаций интенсивности определяет цветовое разрешение, или, иначе, глубину цвета, которые характеризуют максимальное количество воспроизводимых цветов. На рис. 8 приведена схема формирования 24- битового цвета, обеспечивающая возможность воспроизведения 256х256х256=16,7 млн цветов.

Последние версии профессиональных графических редакторов (таких, как, например, CorelDRAW 11, Corel Photo-Paint 9, Photoshop 5.5) наряду со стандартной 8-битовой глубиной цвета поддерживают 16-битовую глубину цвета, которая позволяет воспроизводить 65 536 оттенков серого. Как уже упоминалось ранее, в случае, когда все три цветовые компоненты имеют максимальную интенсивность, результирующий цвет кажется белым. Если все компоненты имеют нулевую интенсивность, то результирующий цвет-- чистый черный.

Рис. 8. Каждый из трех цветовых компонентов RGB-триады может принимать одно из 256 дискретных значений-- от максимальной интенсивности (255) до нулевой интенсивности, соответствующей черному цвету

Рис. 9. Иллюстрация формирования 6 из 16,7 млн возможных цветов

путем вариации интенсивностей каждой из трех компонентов R, G и В цветовой модели RGB

ЛИТЕРАТУРА

1. Бубнов А.Е. Компьютерный дизайн. Основы., Мн: Знание, 2008г.

2. Кричалов А.А. Компьютерный дизайн. Учебное пособие, Мн.: СТУ МГМУ, 2008г.

3. Стоянов П.Г. Работа с цветом и графикой., Мн.: БГУИР, 2008г.