Цветовая модель. 
Информатика и информационные технологии

Развитие компьютерной графики и цифровых систем печати поставило задачу разработки системы управления цветом, способной контролировать цветовые параметры на всех стадиях подготовки цветных изданий: от создания до получения тиражей. Усилиями специалистов в области теоретической оптики и разработчиков прикладных оптических систем предложено несколько систем, позволяющих точно описать цветовые параметры. Такие системы именуют цветовыми моделями. В основе всех моделей лежит колориметрический принцип — описание и цветовых, и яркостных характеристик неким набором числовых параметров, которые в ряде случаев называют цветовыми координатами.

Цветовая модель — система представления цветов с помощью ограниченного числа красок в полиграфии или цветовых каналов монитора и других излучающих устройств.

Существует много типов цветовых моделей, но в компьютерной графике, как правило, применяются три модели, известные под названиями RGB, CMYK, HSB. По принципу действия эти цветовые модели можно разбить на три класса: аддитивные (RGB), построенные на сложении цветов; субтрактивные (CMYK), основу которого составляет операция вычитания цветов; перцепционные (HSB), базирующиеся на восприятии цвета.

Цветовая модель RGB. В цветовой модели RGB цвета получаются в результате смешения трех цветов: красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), первые буквы английских наименований и дали название этой модели. Сложение основных цветов в полной яркости дает белый цвет, в минимальной представляет черный цвет. Если цветовые координаты смешивать в равных пропорциях, то получится серый цвет различной насыщенности. Смешение красного и зеленого дает желтый, красный и синий образуют пурпурный, а зеленый и синий — голубой.

Цветовые координаты: красный, зеленый и синий — базовые цвета, или аддитивные. Цвета голубой, пурпурный, желтый, получаемые в результате попарного смешения базовых цветов, — вторичные, или комплементарные. По принципу сложения цветов работают многие устройства: мониторы, телевизоры и др. Так, RGB-мониторы работают на основе использования трех лучей, иод действием которых точка экрана светится одним из трех цветов — красным, зеленым и синим, а изображение ЖК-мониторов формируется триадой ЖК-ячеек.

Цветные изображения формируются в соответствии с двоичным кодом цвета каждой точки, хранящимся в видеопамяти. Возможна различная глубина цвета (битовая глубина), задаваемая используемым количеством битов для кодирования цвета точки. Наиболее распространенными значениями глубины цвета являются 8, 16, 24 или 32 бита на точку.

В вычислительной технике интенсивность базовых цветов принято измерять целыми числами от 0 до 255. Ноль означает отсутствие данной цветовой составляющей, число 255 — максимальную интенсивность. Базовые цвета могут смешиваться, поэтому общее количество цветов, порождаемое аддитивной моделью, равно 256×256×256 = 16 777 216. Число кажется огромным, но в действительности модель позволяет воссоздать лишь небольшую часть цветового спектра. Любой естественный цвет можно разложить на красную, зеленую и синюю составляющие и измерить их интенсивность. Обратное действие, т. е. синтез, реализуется далеко не всегда. Диапазон цветов модели RGB у? же, чем видимый спектр. Чтобы получить часть спектра, лежащую между синим и зеленым цветами, требуются излучатели с отрицательной интенсивностью красного цвета, которых, конечно же, в природе не существует. Диапазон воспроизводимых цветов модели или устройства называется цветовым охватом. Недостаток аддитивной модели — ее узкий цветовой охват. Кроме того, недостатком модели следует считать аппаратную зависимость. Цвет, заданный значениями интенсивностей базовых цветов R = 204, G = 230, В = 171, как набор цветовых координат однозначно определяет светло-салатовый цвет на устройстве, работающем по принципу сложения базовых цветов. В действительности цвет, воспроизводимый конкретным устройством, зависит от внешних факторов. Экраны дисплеев покрываются люминофорами, отличающимися по химическому и спектральному составу. Мониторы одной марки могут иметь разную степень износа и условия освещения, по-разному синтезируют цвета. Цветовые характеристики различных устройств выравнивают за счет калибровки и использования систем управления цветом.

Цветовая модель HSB. Предназначена преодолеть аппаратную зависимость модели RGB. Эта модель наиболее соответствует способу восприятия цветов человеческим глазом. В модели HSB все цвета определяются тремя составляющими и относятся к перцепционным моделям: 1) оттенком или цветовым тоном (Huc), 2) насыщенностью (Saturation) и 3) яркостью (Brightness). Название модели образовано по первым буквам английских названий цветовых координат. Разделение характеристик упрощает проблему корректного воспроизведения цветов на различных технических устройствах.

Цветовым топом, или оттенком, называется чистый цвет с определенной длиной волны. Насыщенность описывает чистоту, или силу, цвета. Один и тот же тон может быть тусклым или насыщенным. Изменение насыщенности можно представить как разбавление чистого цвета серым. Все цвета естественного происхождения имеют низкую насыщенность, поэтому чистые тона выглядят слишком яркими, ненатуральными. Яркость характеризует интенсивность, энергию цвета. Изменение яркости можно представить как смешение чистого тона и черного цвета. Большое содержание черного делает цвет затененным, неинтенсивным. С уменьшением доли черного цвета освещенность увеличивается. Черный цвет имеет нулевую яркость, а белый — абсолютную.

Достоинство системы HSB — ее независимость от аппаратуры. Однако эта независимость признается чисто теоретической, так как система HSB — абстрактная. Это значит, что нет таких устройств, синтезирующих цвет в данной системе. Не существует и прямой процедуры измерения цветового тона и насыщенности. В любом методе ввода информации о цвете сначала измеряются красная, синяя и зеленая составляющие, которые потом пересчитываются в координаты HSB. Так как при вводе и выводе цвета система HSB привязана к системе RGB, то ее аппаратная независимость пока не имеет большого практического значения.

Цветовая модель CMYK. В основе систем RGB и HSB рассматриваются источники света. Однако большинство окружающих нас объектов не излучает свет, а поглощает и отражает в разных пропорциях падающий свет. Мы видим пассивные объекты в отраженном цвете. Если яблоко имеет красный цвет, то это значит, что оно отражает длинные волны и поглощает короткие. Для описания таких явлений используется цветовая модель, объясняющая порождение цветов не как результат сложения, а как результат вычитания базовых цветов. Эта модель называется CMYK по первым буквам названий цветовых координат: Cyan (Голубой), Magenta (Пурпурный), Yellow (Желтый), BlacK (Черный). Черный цвет представлен в названии последней буквой своего названия для того, чтобы нс путать его в сокращениях с синим (Blue).

Палитры цветов. Пиксел монитора несет информацию о своем цвете, выражаемую в битах. Чем большим количеством битов описывается пиксел, тем больше информации он может в себе нести и тем больше его битовая глубина. Битовую глубину изображения часто называют цветовой разрешающей способностью. Она измеряется в битах на пиксел (bit per pixel, bpp). Так, если цветная иллюстрация имеет в каждом пикселе по 8 бит цветовой информации, то ее цветовая разрешающая способность будет 8 bрр. При 8-битовой глубине доступно 256 оттенков цвета. На принципе 8-битного цвета основана цветовая модель Index Color. Она работает на базе создания палитры цветов. Все оттенки в файле делятся на 256 возможных вариантов, каждому из которых присваивается номер. Далее из получившейся палитры цветов строится таблица, где каждому номеру ячейки приписывается цветовой оттенок в значениях RGB. Эти оттенки записываются в соответствующую таблицу.

До появления 8-битного цвета из-за малых мощностей персональных компьютеров тех времен использовались палитры из 16 цветов (4 bрр), 4 цветов (2 bрр) и самая первая компьютерная графика была однобитовая — 2 цвета. Однобитовые изображения, называемые Bitmap или иногда Lineart, используются и сегодня там, где не требуются цвето-тоновые переходы. Равный по размеру Bitmap-файл в 24 раза меньше, чем файл RGB, кроме того, он очень хорошо сжимается.

Цветовая модель Grayscale представляет собой ту же индексированную палитру, где вместо цвета пикселам назначена одна из 256 градаций серого. На основе Grayscale легко можно понять строение RGBи CMYK-файлов.

В RGB для описания цвета используются 24 бита, которые делятся на три группы (канала) по 8 бит. Одна группа используется для хранения в пикселе величины красного цвета, две другие — зеленого и синего. Они могут дать до 16 700 000 комбинаций оттенков. Аналогичным образом в CMYK существуют четыре группы, для описания цвета используются 32 bрр. Следует заметить, что если RGB имеет стандартные 256 градаций яркости, то в CMYK яркость измеряется в процентах (т.е. до 100). Несмотря на бо? льшую, чем в RGB, цветовую глубину 32 бита на пиксел, диапазон оттенков CMYK значительно меньше, чем в RGB, так как CMYK является не более чем имитацией на экране печатных цветов.