Цветовая модель YCbCr

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Мы смотрим на предметы и, характеризуя их, говорим примерно следующее: он большой, мягкий, светло-голубого цвета. При описании чего-либо в большинстве случаев упоминается цвет, так как он несет огромное количество информации. На самом деле тело не имеет определенного цвета. Само понятие цвета тесно связано с тем, как человек (человеческий взгляд) воспринимает свет; можно сказать, что цвет зарождается в глазу.

Цвет - чрезвычайно сложная проблема, как для физики, так и для физиологии, т.к. он имеет как психофизиологическую, так и физическую природу. Восприятие цвета зависит от физических свойств света, т. е. электромагнитной энергии, от его взаимодействия с физическими веществами, а также от их интерпретации зрительной системой человека. Другими словами, цвет предмета зависит не только от самого предмета, но также и от источника света, освещающего предмет, и от системы человеческого видения. Более того, одни предметы отражают свет (доска, бумага), а другие его пропускают (стекло, вода). Если поверхность, которая отражает только синий свет, освещается красным светом, она будет казаться черной. Аналогично, если источник зеленого света рассматривать через стекло, пропускающее только красный свет, он тоже покажется черным.

Самым простым является ахроматический цвет, т.е. такой, какой мы видим на экране черно-белого телевизора. При этом белыми выглядят объекты, ахроматически отражающие более 80% света белого источника, а черными - менее 3%. Единственным атрибутом такого цвета является интенсивность или количество. С интенсивностью можно сопоставить скалярную величину, определяя черное, как 0, а белое как 1.

Если воспринимаемый свет содержит длины волн в произвольных неравных количествах, то он называется хроматическим.

При субъективном описании такого цвета обычно используют три величины: цветовой тон, насыщенность и светлота. Цветовой тон позволяет различать цвета, такие как красный, зеленый, желтый и т.д. (это основная цветовая характеристика). Насыщенность характеризует чистоту, т.е. степень ослабления (разбавления, осветления) данного цвета белым светом, и позволяет отличать розовый цвет от красного, изумрудный от ярко-зеленого и т. д. Другими словами, по насыщенности судят о том, насколько мягким или резким кажется цвет. Светлота отражает представление об интенсивности, как о факторе, не зависящем от цветового тона и насыщенности (интенсивность цвета).

Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории света лежит предположение о том, что в центральной части сетчатки глаза находятся три типа чувствительных к цвету колбочек.

Первый воспринимает зеленый цвет, второй - красный, а третий - синий цвет. Относительная чувствительность глаза максимальна для зеленого цвета и минимальна для синего. Если на все три типа колбочек воздействует одинаковый уровень энергетической яркости, то свет кажется белым. Ощущение белого цвета можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комбинацией двух других. Такие цвета называют основными.

Человеческий глаз способен различать около 350 000 различных цветов. Это число получено в результате многочисленных опытов. Четко различимы примерно 128 цветовых тонов. Если меняется только насыщенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов: мы можем различить от 16 (для желтого) до 23 (для красного и фиолетового) таких цветов.

Таким образом, для характеристики цвета используются следующие атрибуты:

· Цветовой тон.

Можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого - например, зеленый от красного, желтого и других.

· Яркость.

Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.

· Насыщенность или чистота тона.

Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному цвету добавить в определенной пропорции белый цвет, то получится светлый бледно-красный цвет.

Указанные три атрибута позволяют описать все цвета и оттенки. То, что атрибутов именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета.

Большинство людей различают цвета, а те, кто занимается компьютерной графикой, должны четко чувствовать разницу не только в цветах, но и в тончайших оттенках. Это очень важно, так как именно цвет несет в себе большое количество информации, которая ничуть не уступает в важности ни форме, ни массе, ни другим параметрам, определяющим каждое тело.

Факторы, влияющие на внешний вид конкретного цвета:

· источник света;

· информация об окружающих предметах;

· ваши глаза;

Правильно подобранные цвета могут, как привлечь внимание к желаемому изображению, так и оттолкнуть от него. Это объясняется тем, что в зависимости от того, какой цвет видит человек, у него возникают различные эмоции, которые подсознательно формируют первое впечатление от видимого объекта.

Цвет в компьютерной графике нужен для того, чтобы:

· нести в себе определенную информацию об объектах.

Например, летом деревья зеленые, осенью - желтые. На черно-белой фотографии определить пору года практически невозможно, если на это не указывают какие-либо другие дополнительные факты.

· цвет необходим также для того, чтобы различать объекты.

· с его помощью можно вывести одни части изображения на первый план, другие же увести в фон, то есть акцентировать внимание на важном - композиционном - центре.

· без увеличения размера при помощи цвета можно передать некоторые детали изображения.

· в двумерной графике, а именно таковую мы видим на мониторе, так как он не обладает третьим измерением, именно при помощи цвета, точнее оттенков, имитируется (передается) объем.

· цвет используется для привлечения внимания зрителя, создания красочного и интересного изображения.

Любое компьютерное изображение характеризуется, кроме геометрических размеров и разрешения (количество точек на один дюйм), максимальным числом цветов, которые могут быть в нем использованы. Максимальное количество цветов, которое может быть использовано в изображении данного типа, называется глубиной цвета. Кроме полноцветных, существуют типы изображений с различной глубиной цвета - черно-белые штриховые, в оттенках серого, с индексированным цветом. Некоторые типы изображений имеют одинаковую глубину цвета, но различаются по цветовой модели.

1. О природе света и цвета

1. Основные цвета

Свет как физическое явление представляет собой поток электромагнитных волн различной длины и амплитуды. Глаз человека, будучи сложной оптической системой, воспринимает эти волны в диапазоне длин приблизительно от 350 до 780 нм. Свет воспринимается либо непосредственно от источника, например, от осветительных приборов, либо как отраженный от поверхностей объектов или преломленный при прохождении сквозь прозрачные и полупрозрачные объекты. Цвет - это характеристика восприятия глазом электромагнитных волн разной длины, поскольку именно длина волны определяет для глаза видимый цвет. Амплитуда, определяющая энергию волны (пропорциональную квадрату амплитуды), отвечает за яркость цвета. Таким образом, само понятие цвета является особенностью человеческого "видения" окружающей среды.

Рис.1.Три функции выравнивания цветов для отображения спектральных частот из диапазона примерно от 400 до 700 нм.

При объединении света от нескольких источников с различными преобладающими частотами интенсивность света от каждого источника можно менять, что позволит получить диапазон дополнительных цветов. На основе данного наблюдения была сформирована одна модель цвета. Оттенки, выбранные для источников, называются в ней основными цветами, а цветовой гаммой модели называется набор всех цветов, которые можно получить из основных цветов. Два основных цвета, дающих в сумме белый цвет, называются дополнительными. Примеры пар дополнительных цветов - красный и голубой, зеленый и пурпурный, синий и желтый.

Ни один конечный набор действительных основных цветов не даст всех возможных видимых цветов. Тем не менее, для большинства задач трех основных цветов достаточно, а, используя расширенные методы, можно описать и цвета, не входящие в цветовую гамму для данного набора основных цветов. Имея набор из трех основных цветов, любой четвертый цвет можно описать с помощью процедур смешивания цветов. Следовательно, смесь одного или двух основных цветов с четвертым цветом можно представить некоторой комбинацией остальных основных цветов. В этом расширенном смысле можно считать, что набор из трех основных цветов описывает все цвета. На рис. 1. показан набор функций выравнивания цветов для трех основных цветов и указано, какая "величина" каждого основного цвета требуется для получения любого спектрального цвета. Кривые, изображенные на рис. 1. получены усреднением мнений большого числа наблюдателей. Цвета в окрестности 500 нм можно подобрать, только "вычитая" некоторую долю красного света из комбинации синего и зеленого. Это означает, что для описания цвета, близкого к 500 нм, можно только так объединить этот цвет с долей красного, чтобы получить указанную на диаграмме комбинацию синего и зеленого. Из сказанного, в частности, следует, что RGB-монитор не может отображать цвета в окрестности 500 нм.

1.2 Природа цветового ощущения

Характер цветового ощущения связан со спектральным составом действующего на глаз света и со свойствами зрительного аппарата человека. Влияние спектрального состава следует из таблицы, в которой цвета излучений сопоставлены с занимаемыми ими спектральными интервалами.

· Фиолетовый 400-450 нм

· Синий 450-480 нм

· Голубой 480-510 нм

· Зеленый 510-565 нм

· Желтый 565-580 нм

· Оранжевый 580-620 нм

· Красный 620-700 нм

Вместе с тем задача оценки цвета не решается простым измерением распределения энергии излучения по спектру, как можно предположить на основании таблицы. По интервалу, занимаемому излучением, цвет можно указать вполне однозначно: если тело излучает или отражает в пределах 565-580 нм, то цвет его всегда жёлтый. Однако обратное заключение верно не всегда: по известному цвету излучения невозможно уверенно указать его спектральный состав или длину волны. Например, если излучение желтое, то это не значит, что оно занимает названный интервал или его часть. Желтой выглядит и смесь монохроматических излучений, находящихся вне этого интервала: зеленого (l1 = 546 нм) с красным (l2 = 700 нм) при определенных соотношениях их мощностей. В общем случае видимое тождество световых пучков не гарантирует их тождества по спектральному составу. Неразличимые по цвету, пучки могут иметь как одинаковый состав, так и разный. В первом случае их цвета называются изомерными, во втором - метамерными.

Практика воспроизведения цветных объектов требует получения цвета, зрительно неотличимого от воспроизводимого. При этом не имеет значения, метамерны или изомерны оригинальный цвет и цвет-копия. Отсюда возникает потребность воспроизводить и измерять цвет, не зависимо от спектрального состава излучения, вызывающего данное цветовое ощущение. Для специалиста, использующего или воспроизводящего цвет, безразличен спектральный состав света, отражаемого образцом. Для него существенно, чтобы копия была действительно, например желтой, как образец, а не желто-зеленой или желто-оранжевой.

Теория цветового зрения объясняет, почему участок спектра, находящийся в пределах 400 - 700 нм, оказывает световое действие и по какой причине мы видим излучения в диапазоне 400 - 450 нм фиолетовым, 450 - 480 - синим и т.д. Сущность теории состоит в том, что светочувствительные нервные окончание, находящиеся в одной из оболочек глаза и называемые фоторецепторами, реагируют только на излучения видимой части спектра. Глаз содержит три группы рецепторов, из которых одна наиболее чувствительна к интервалу 400 - 500 нм, другая - 500 - 600 нм, третья - 600 - 700 нм. Рецепторы реагируют на излучения в соответствии с их спектральной чувствительностью, и ощущения всех цветов возникают в результате комбинации трех реакций.

1.3 Колориметрия. Закон Грассмана

Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком.

Одними из основных законов колориметрии являются законы смешивания цветов. Эти законы в наиболее полном виде были сформулированы в 1853 году немецким математиком Германам Грассманом:

· Цвет трехмерен - для его описания необходимы три компонента.

Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов.

Иными словами, для любого заданного цвета (Ц) можно записать такое цветовое уравнение, выражающее линейную зависимость цветов:

Ц = к1Ц1 + к2 Ц2 + к3 Ц3,

цвет графика компьютерный грассман

где Ц1, Ц2, Ц3 - некоторые базисные, линейно независимые цвета, коэффициенты k1,k2,k3 указывают количество соответствующего смешиваемого цвета. Линейная независимость цветов Ц1, Ц2, Ц3 означает, что ни один из них не может быть выражен взвешенной суммой (линейной комбинацией) двух других.

Если на глаз действует смесь излучений, то реакции рецепторов на каждое из них складываются. Смешение окрашенных световых пучков даёт пучок нового цвета. Получение заданного цвета называется его синтезом. Законы синтеза цвета сформулировал Г. Грасман (1853 г.).

· Первый закон Грасмана (трехмерности).

Любой цвет однозначно выражается тремя, если они линейно независимы.

Линейная независимость заключается в том, что нельзя получить никакой из указанных трех цветов сложением двух остиальных. Закон утверждает возможность описания цвета с помощью цветовых уравнений.

· Второй закон Грасмана (непрерывности).

При непрерывном изменении излучения цвет изменяется также непрерывно.

Не существует такого цвета, к которому невозможно было бы подобрать бесконечно близкий.

· Третий закон Грасмана (аддитивности).

Цвет смеси излучений зависит только от их цветов, но не от спектрального состава.

Из этого закона следует факт, имеющий первостепенное значение для теории цвета, - аддитивность цветовых уравнений: если цвета нескольких уравнений описаны цветовыми уравнениями, то цвет выражается суммой этих уравнений.

Смысл третьего закона становится более понятным, если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонент) может быть получен различными способами. Например, смешиваемая компонента может быть получена, в свою очередь, смешиванием других компонент.



2. Восприятие цвета человеком

2.1 Интуитивное восприятие цвета

Мы попытались объяснить цвет с помощью длин ваш и спектра. Как оказывается, это неполное представление о цвете, а вообще говоря, оно неправильно.

Во-первых, глаз человека- не спектроскоп. Зрительная система Человека, скорее всего, регистрирует не длину волны и спектр, а формирует ощущения иным способом.

Во-вторых, без учета особенностей человеческого восприятия невозможно объяснить смешение цветов. Например, белый цвет действительно можно представить равномерным спектром смеси бесконечного множества монохроматических цветов. Однако тот же белый цвет можно создать смесью всего двух специально подобранных монохроматических цветов (такие цвета называются взаимно дополнительными).

Во всяком случае, человек воспринимает эту смесь как белый цвет. А можно получить белый цвет, смешав три или более монохроматических излучений Излучения различные по спектру, но дающие один и тот же цвет, называются метамерными.

Многие люди воспринимают понятия, связанные с цветом, на более интуитивном уровне, чем набор трех чисел, дающих относительные пропорции основных цветов. Обычно гораздо проще представить создание пастельного красного цвета, прибавляя белый к чистому красному, а темно-синего - добавляя черный к чистому синему. Исходя из этого, графические пакеты часто предлагают палитры цветов с использованием нескольких моделей цвета. Одна модель обеспечивает пользователю интуитивный цветовой интерфейс, а другие описывают компоненты цвета для выходных устройств.

2.2 Зрительный аппарат человека

Системы отображения графической информации воздействуют на зрительный аппарат человека, поэтому с необходимостью должны учитывать как физические, так и психофизиологические особенности зрения.

На рис. 2. показан поперечный размер глазного яблока человека.

Свет попадает в глаз через роговицу и фокусируется хрусталиком на внутренний слой глаза, называемый сетчаткой.

Сетчатка глаза содержит два принципиально различных типа фоторецепторов - палочки, обладающие широкой спектральной кривой чувствительности, вследствие чего они не различают длин волн и, следовательно, цвета, и колбочки, характеризующиеся узкими спектральными кривыми и поэтому обладающие цветовой чувствительностью.

Колбочек существует три типа отличающихся фоточувствительным пигментом. Колбочки обычно называют "синими", "зелеными" и "красными" в соответствии с наименованием цвета, для которого они оптимально чувствительны. Выдаваемое колбочкой значение является результатом интегрирования спектральной функции с весовой функцией чувствительности.

Рис. 2.Поперечный разрез глаза

Светочувствительные клетки, известные как колбочки и палочки, формируют слой клеток в задней части сетчатки.

Колбочки и палочки содержат зрительные пигменты. Зрительные пигменты очень похожи на любые другие пигменты, в том, что они поглощают свет и степень поглощения зависит от длины волны. Важное свойство зрительных пигментов состоит в том, что когда зрительный пигмент поглощает фотон света, то изменяется форма молекулы и в то же самое время происходит переизлучение света.

Пигмент при этом изменился, измененная молекула поглощает свет менее хорошо чем прежде, т.е. как часто говорят, "отбеливается". Изменение формы молекулы и переизлучение энергии некоторым, пока еще не вполне ясным образом, инициируют светочувствительную клетку к выдаче сигнала.

Информация от светочувствительных рецепторов (колбочек и палочек) передается другим типам клеток, которые соединены между собой. Специальные клетки передают информацию в зрительный нерв.

Таким образом волокно зрительного нерва обслуживает несколько светочувствительных рецепторов, т.е. некоторая предварительная обработка изображения выполняется непосредственно в глазу, который по сути представляет собой выдвинутую вперед часть мозга.

Область сетчатки, в которой волокна зрительного нерва собираются вместе и выходят из глаза, лишена светочувствительных рецепторов и называется слепым пятном.

Таким образом, свет должен вначале пройти два слоя клеток, прежде чем он воздействует на колбочки и палочки.

Причины для такого обратного устройства сетчатки не полностью поняты, но одно из объяснений состоит в том, что расположение светочувствительных клеток в задней части сетчатки позволяет любому паразитному непоглощенному свету попасть на клетки находящиеся непосредственно позади сетчатки, которые содержат черный пигмент - меланин. Клетки, содержащие меланин, также помогают химически восстанавливать светочувствительный визуальный пигмент в колбочках и палочках после того, как они были отбелены на свету.

Интересно отметить, что природа создала целый ряд конструкций глаза. При этом глаза у всех позвоночных похожи на глаза человека, а глаза у беспозвоночных либо сложные (фасеточные) как у насекомых, либо недоразвитые в виде светочувствительного пятна. Только у осьминогов глаза устроены как у позвоночных, но светочувствительные клетки находятся непосредственно на внутренней поверхности глазного яблока, а не как у нас позади других слоев, занимающихся предварительной обработкой изображения. Поэтому, возможно, особого смысла в обратном расположении клеток в сетчатке нет. А это просто один из экспериментов природы.

2.3 Световая и спектральная чувствительность глаза

Способность глаза реагировать на возможно малый поток излучения называется световой чувствительностью. Она измеряется, как величина, пороговой яркости. Пороговой называется та наименьшая яркость объекта, например светового пятна, при которой оно может быть обнаружено с достаточной вероятность на абсолютно черном фоне. Вероятность обнаружения зависит не только от яркости объекта, но и от угла зрения, под которым он рассматривается, или, как говорят, от его углового размера. С возрастанием углового размера растет число рецепторов, на которое проецируется пятно. Практически, однако, с увеличением угла зрения более чем на 50° чувствительность перестаёт изменяться.

В соответствии с этим световая чувствительность Sп. определяется как величина, обратная пороговой яркости Bп., при условии, что угол зрения 50°:

Sп. = (1 / Вп.) 50°

Световая чувствительность очень велика. Так, по данным Н. И. Пинегина, для отдельных наблюдателей минимум энергии, необходимый для появления зрительного эффекта, составляет 3-4 кванта. Это значит, что в благоприятных условиях палочковая световая чувствительность глаза близка к предельной, физически мыслимой. Колбочковая световая чувствительность, обеспечивающая цветовые ощущения, намного ниже «ахроматической», палочковой. По Н. И. Пинегину, для возбуждения колбочкового зрения необходимо, чтобы на одну колбочку в среднем упало не менее 100 квантов. Монохроматические излучения действуют на глаз по-разному. Его реакция максимальна на среднюю часть спектра. Чувствительность к монохроматическим, определяемая как относительная, называется спектральной. Реакция глаза, выражающаяся в возникновении светового ощущения, зависит, во-первых, от потока излучения Фl, упавшего на сетчатку, а во-вторых, от той доли потока, которая воздействует на рецепторы. Эта доля есть спектральная чувствительность kl. Иногда для обозначения того же понятия применяется термин спектральная эффективность излучения. Произведение kl и Фl, определяет характеристику потока излучения,связанную с уровнем его светового действия называемую световым потоком Fl.

Fl = Фl kl.

Следовательно, абсолютное значение спектральной чувствительности определяется отношением:

kl = Fl / Фl.

Глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к излучению l = 555 нм, относительно которой определяются все другие значения этой величины. При световых измерениях значение kl в формуле (1) принято заменять произведением k555 vl, где vl -относительное значение спектральной чувствительности, называемое относительной спектральной световой эффективностью излучения (видностью): vl = kl / v555.

2.4 Субъективные характеристики цвета

Характер цветового ощущения зависит как от суммарной реакции цветочувствительных рецепторов, так и от соотношения реакций каждого из трёх типов рецепторов. Суммарная реакция определяет светлоту, а соотношение ее долей - цветность. Когда излучение раздражает все рецепторы одинаково (единица интенсивности раздражения - «доля участия в белом»), его цвет воспринимается как белый, серый или как черный. Белый, серый и черный цвета называются ахроматическими. Эти цвета не различаются качественно.

Разница в зрительных ощущениях при действии на глаз ахроматических излучений зависит только от уровня раздражения рецепторов. Поэтому ахроматические цвета могут быть заданы одной психологической величиной - светлотой.

Если рецепторы разных типов раздражены неодинаково, возникает ощущение хроматическое цвета. Для его описания нужны уже две величины светлота и цветность. Качественная характеристика зрительного ощущения, определяемая как цветность, двумерна: складывается из насыщенности и цветового тона. В тех случаях, когда, когда все рецепторы раздражены почти одинаково, цвет близок к ахроматическому: качество цвета едва выражено. Это, в частности, белый с синим оттенком, синевато-серый и т.д. Чем больше перевес в раздражении рецепторов одного из двух типов, тем сильнее ощущается качество цвета, его хроматичность. Когда, например, возбуждены только красночувствительные рецепторы, мы видим чисто красный цвет. Весьма далекий от ахроматического.

Степень отличия хроматического цвета от ахроматического называется насыщенностью. Светлота и насыщенность - характеристики, недостаточные для полного определения цвета. Когда говорят «насыщенный красный» или «малонасыщенный зелёный», то кроме насыщенности, упоминается цветовой тон цвета. Это, то его свойство, которое подразумевают в обыденной жизни, когда называют цвет предмета. Несмотря на очевидность понятия, общепризнанного определения термина «цветовой тон» нет. Одно из них дается в такой форме: цветовой тон - это характеристика цвета, определяющая его сходство с известным цветом (неба, зелени, песка и т. д.) и выражаемая словами «синий, зеленый. Желтый и т. д.».

Цветовой тон определяется рецепторами, дающими наибольшую реакцию. Если цветовое ощущение формируется в результате одинакового раздражения рецепторов двух типов при меньшем вкладе третьего, то возникает цвет промежуточного тона. Так, голубой цвет ощущается при одинаковых реакциях зеленочувствительных и синечувствительных оболочек. Реакция рецепторов, получивших наименьшее раздражение, определяет насыщенность.

Ощущение желтого возникает при равных реакциях красночувствительных и зеленочувствительных колбочек. Если усиливать возбуждение красночувствительных, цветовой тон смещается в сторону оранжевого. Если вызывать раздражение и у синечувствительных, насыщенность упадет. Цветовой тон, насыщенность и светлота данного цвета зависят не только от спектрального состава излучения, но и от условий наблюдения, состояния наблюдателя, цвета фона и т.д. Поэтому рассмотренные здесь характеристики называются субъективными.

3. Цветовые модели и их виды

Наука о цвете - это довольно сложная и широкомасштабная наука, поэтому в ней время от времени создаются различные цветовые модели, применяемые в той либо иной области. Одной из таких моделей и является цветовой круг.

Многим известно о том, что существует 3 первичные цвета, которые невозможно получить и которые образуют все остальные. Основные цвета - это желтый, красный и синий. При смешивании желтого с красным получается оранжевый, синего с желтым - зеленый, а красного с синим - фиолетовый. Таким образом, можно составить круг, который будет содержать все цвета. Он представлен на рис. и называется большим кругом Освальда.

Наряду с кругом Освальда есть еще и круг Гете, в котором основные цвета расположены в углах равностороннего треугольника, а дополнительные - в углах перевернутого треугольника.

Друг напротив друга расположены контрастные цвета.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели - цветовые модели (цветовое пространство), т.е. - это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. Цветовые модели могут быть аппаратно-зависимыми (их пока большинство, RGB и CMYK в их числе) и аппаратно-независимыми (модель Lab). В большинстве «современных» визуализационных пакетов (например, в Photoshop) можно преобразовывать изображение из одной цветовой модели в другую.

В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель - это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Основные цветовые модели:

· RGB;

· CMY (Cyan Magenta Yellow);

· CMYK (Cyan Magenta Yellow Key, причем Key означает черный цвет);

· HSB;

· Lab;

· HSV (Hue, Saturation, Value);

· HLS (Hue, Lightness, Saturation);

· и другие.

В цифровых технологиях используются, как минимум четыре, основных модели: RGB, CMYK, HSB в различных вариантах и Lab. В полиграфии используются также многочисленные библиотеки плашечных цветов.

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного - голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого - пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего - желтый (красный+зеленый) и т.д.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разить на три класса:

· аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

· субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

· перцепционные (HSB, HLS, LAB, YCC), базирующиеся на восприятии.

Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. 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 (Вlue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), 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.

Таким образом, цветовые модели (цветовое пространство) представляют средства для концептуального и количественного описания цвета. Цветовой режим - это способ реализации определенной цветовой модели в рамках конкретной графической программы.



4.Цветовая модель YCbCr

цвет графика компьютерный

YCbCr, Y?CbCr, или Y Pb/Cb Pr/Cr, также пишется как Y'CBCR или YCBCR - семейство цветовых пространств, которые используются для передачи цветных изображений в компонентном видео и цифровой фотографии.

Название этой цветовой модели расшифровывается как: Y - luminance, U или Cb - Chrominance-blue, V или Cr - Chrominance-red, что переводится как "Яркость - Цветность синего - Цветность красного" (формат представления данных цветного видеоизображения)

Характеристика принципа представление цвета в этой цветовой модели совпадает с естественным способом цветовосприятия человеческим глазом. Сетчатая оболочка - это сложное переплетение нервных клеток и нервных волокон, соединяющих нервные клетки между собой и связывающих глаз с корой головного мозга. Основными светочувствительными элементами (рецепторами) являются два вида клеток: одни - в виде стебелька, называемые палочками (высота 30 мкм, толщина 2 мкм), другие - более короткие и более толстые, называемые колбочками (высота 10 мкм, толщина 6-7 мкм).

Человеческий глаз более наиболее чувствителен к яркостной составляющей изображения (Y-компонента) и наименее к цветовым. Причина этого феномена лежит в физиологии. Так как зрачок, представляет собой оптическую линзу, которая фокусирует изображение на глазное дно, покрытое палочками и колбочками. Всего в глазу располагается около 130 миллионов палочек и 7 миллионов колбочек. Ну, так вот, палочки - это сенсоры, воспринимающие именно яркостную составляющую, а колбочки - цветовую. Причем палочек на порядок больше, чем колбочек, и они гораздо более чувствительны к свету. Достаточно вспомнить поговорку "Ночью все кошки серы". Почему так? Почему вечером все теряет цвет? Именно из-за того, что количества падающего на зрачок света не хватает для того, чтобы вызвать реакцию колбочки. Но и чувствительность человеческого глаза к разным цветам тоже величина не постоянная. Зрачок более чувствителен к нижней части цветового спектра, нежели к верхней. Формат JPEG как раз и учитывает эти особенности восприятия человеком цветовой информации в сжатии цветных фотографий или изображений.

Поэтому в этой цветовой модели выделяется компонент яркости и два компонента характеризующих оттенок воспринимаемого цвета, в отличие от цветовой модели RGB, где используются только компоненты интенсивности цвета - Красный, Зеленый, Синий.

В цветовом пространстве RGB все три компонента считаются одинаково важными, и они обычно сохраняются с одинаковым разрешением. Однако можно отобразить цветовое изображение более эффективно, отделив светимость от цветовой информации и представив ее с большим разрешением, чем цвет. Поэтому цветовое пространство YCbCr и его вариации является популярным методом эффективного представления цветных изображений.

Буква Y в таких цветовых пространствах обозначает компоненту светимость, которая вычисляется как взвешенное усреднение компонент R, G и B по следующей формуле:

,

где  обозначает соответствующий весовой множитель. Остальные цветовые компоненты по существу определяются в виде разностей между светимостью Y и компонентами R, G и B:

Cb=B-Y,

Cr =R-Y,

Cg=G-Y.

При этом получаются четыре компоненты нового пространства вместо трех RGB. Однако число Cb+Cr+Cg является постоянным, поэтому только две из трех хроматических компонент необходимо хранить, а третью вычислять на основе них. Чаще всего в качестве две искомых цветовых компонент используют Cb и Cr. Преимущество пространства YCbCr по сравнению с RGB заключается в том, что Cb и Cr можно представлять с меньшим разрешением, чем Y, т.к. глаз человека менее чувствителен к цвету предметов, чем к их яркости. Это позволяет сократить объем информации, требуемый для представления хроматических компонент, без заметного ухудшения качества передачи цветовых оттенков изображения. Такой подход к преобразованию цветового пространства дает дополнительный эффект при сжатии цветных изображений. При этом алгоритмы сжатия сначала преобразуют исходное цветовое пространство из RGB в YCbCr, сжимают, а затем при восстановлении обратно преобразуют изображение в цветовое пространство RGB, т.к. оно используется в ЭВМ. При этом формулы для прямого и обратного преобразований выглядят следующим образом:

 прямое преобразование

обратное преобразование

Отметим, что множитель kg получается из соотношения , а величина компоненты G получается вычитанием суммы Cb и Cr из Y.

Рекомендация ITU-T предлагает следующие коэффициенты:  и . Используя эти значения в данных уравнениях, получаем широко распространенные формулы:

Как отмечалось выше хроматические компоненты Cb и Cr могут быть представлены с меньшим разрешением, чем световая компонента Y.

При этом на практике используют следующие форматы их взаимного представления.

Самый очевидный формат это так называемый формат 4:4:4, который означает полную точность в передаче хроматических компонент, т.е. на каждые 4 световые отсчеты Y передаются по 4 отсчета компонент Cb и Cr (рис. 4 а).

а) б)

Рис. 3. Расположение хроматических компонент

Другой формат 4:2:2 (YUY2) предполагает, что на каждые 4 отсчета компоненты Y приходится по два отсчета хроматических компонент, расположение которых представлено на рис.3, б. Данный формат используется для высококачественного цветного видео и используется в стандартах MPEG-4 и H.264.

Наиболее популярный формат сэмплирования 4:2:0 (YV12) каждая компонента Cb и Cr имеет один отсчет на 4 отсчета Y (рис. 4 а, б).

Причем отсчеты компонент Cb и Cr, как правило, вычисляются двумя способами. В первом случае выполняется интерполяция по 4 ближайшим отсчетам компонент Cb и Cr для формирования одного отсчета для них (рис. 4, а). Такой подход применяется в стандартах MPEG-1 и H.261, H.263. В другом случае выполняется интерполяция по двум вертикальным отсчетам (рис. 4, б) и применяется в стандарте MPEG-2.

а) б)

Рис. 4. Представление формата 4:2:0

Благодаря экономичному представлению цветных сцен, формат 4:2:0 широко используется во многих потребительских приложениях, таких как видеоконференции, цифровое телевидение, DVD. Поскольку хроматические компоненты отбираются в 4 раза реже компонент яркости, то пространство 4:2:0 YCbCr занимает в 2 раза меньше отсчетов по сравнению с форматом видео 4:4:4 RGB.



Список литературы

1. Д.Херн, М.П.Бейкер «Компьютерная графика и стандарт OpenGL»,-Москва, Санкт-Петербург, Киев: «Вильямс», 2005г.

2. В.Порев «Компьютерная графика», Санкт-Петербург, Москва, Киев, Дюссельдорф: «БХВ-Петербург», 2002г.

3. Ж. Агостон «Теория цвета и её применение в дизайне» М. «Мир» 1982г.

4. Б. А. Шашлов «Цвет и цветовоспроизведение» М. «Книга» 1986 г.

5. ДЕН МАРГУЛИС «PHOTOSHOP ДЛЯ ПРОФЕССИОНАЛОВ. КАССИЧЕСКОЕ РУКОВОДСТВО ПО ЦВЕТОКОРРЕКЦИИ»,- ИЗД. РТВ-МЕДИА, 2001Г

6. Материалы с сайта: http://www.cambridgeincolour.com/

7. Материалы с сайта: http://www.remlab.ru/

8. Материалы с сайта: http://www.realcolor.ru/

9. Материалы с сайта: http://www.ukr-print.net/

10. Материалы с сайта: http://www.intuit.ru/

11. Материалы с сайта: http://www.webmascon.com/

12. Материалы с сайта: http://sdb.su/comp-grafika/

13. Материалы с сайта: http://www.sernam.ru/

14. Материалы с сайта: http://www.0x99.ru/

Размещено на Allbest.ru

...