Цветовые модели. Общие понятия. Виды цветовых моделей. Способы описания цвета

Министерство образования  Республики Беларусь

Учреждение образования

«БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ»

Институт информационных технологий

 

Специальность_________________________________

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

 

По курсу_________КДРЭС________________________

 

Вариант №_₁₄_

 

Студент-заочник___ курса

Группы №______________

ФИО __________________

_______________________

Адрес__________________

_______________________

Тел. ___________________

 

 

 

Минск, 2012

Вариант 14

План:

1. Цветовые модели. Общие понятия. Виды цветовых моделей. Способы описания цвета. Аддитивные цветовые модели. RGB – модель. Понятия единичных цветов и треугольника цвета. Использование RGB – модели для воспроизведения цвета в компьютерах. Ограничения RGB – модели. Стандартизированные RGB – модели.

2. Применение различных эффектов  в векторной графике к растровому  изображению (не менее пяти  эффектов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введениe

Мир, окружающий нас, полон всевозможных цветов и цветовых оттенков. С физической точки зрения цвет — это набор определённых длин волн, отражённых от предмета или пропущенных сквозь прозрачный предмет. Однако сейчас нас интересует вопрос не о том, что такое цвет, какова его физическая природа, а то, как вообще на практике можно получить тот или иной цвет. С развитием многих отраслей производства, в том числе, полиграфии, компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Цветовые модели. Общие  понятия. Виды цветовых моделей. Способы описания цвета. Аддитивные цветовые модели. RGB – модель. Понятия единичных цветов и треугольника цвета. Использование RGB – модели для воспроизведения цвета в компьютерах. Ограничения RGB – модели. Стандартизированные RGB – модели.

Цветовые модели определяют механизм представления цвета на бумаге или  экране монитора. Photo-Paint может оперировать  со следующими цветовыми моделями, большинство из которых создано  для специальных целей или  особых типов красок:  
CMY, CMYK, RGB, HSB, HLS, Lab, YIQ, Grayscale, Registration color.

В основном работа ведется с двумя  моделями: RGB (монитор дисплея) и CMYK (принтер).

Большинство компьютерных цветовых моделей  основано на использовании трех основных цветов. Каждому из основных цветов присваивается определенное значение цифрового кода, после чего все остальные цвета определяются как комбинация основных цветов. Примерно такой принцип использует художник при создании картины на базе ограниченной палитры цветов.

Хотя цветовые модели позволяют представить цвет математически, такое представление всегда будет казаться искусственным в силу отличия от нашего восприятия. Однако они удобны при использовании в компьютерных программах для однозначного определения выводимого цвета. Так, если послать на монитор цветовой сигнал R255G000B255, то на любом хорошо откалиброванном мониторе должен появиться один и тот же цвет (в данном случае, пурпурный).

Для реализации доступа к цветовым моделям и интерактивного выбора нужного цвета необходимо открыть  соответствующее окно диалога.

Это можно сделать одним из следующих  способов:

- двойным нажатием мыши  в строке состояния на одном  из образцов цвета в полях  "Краска", "Фон", "Заливка"; 

- выбором в панели  графики инструмента "Прямоугольник"  и нажатием мышью в контекстно-зависимой  панели свойств на кнопке "Контур  фигуры"; 

- выбором в панели  графики инструмента "Заливка"  и нажатием кнопки "Однородная  заливка"-"Редактировать заливку". 

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.

Способы описания цвета

В компьютерной графике применяют  понятие цветового разрешения (другое название — глубина цвета). Оно  определяет метод кодирования цветовой информации для ее воспроизведения  на экране монитора. Для отображения  черно-белого изображения достаточно двух бит (белый и черный цвета). Восьмиразрядное кодирование позволяет отобразить 256 градаций цветового тона. Два байта (16 бит) определяют 65536 оттенков (такой режим называют High Color). При 24-разрядном способе кодирования возможно определить более 16,5 миллионов цветов (режим называют True Color). 
 
С практической точки зрения цветовому разрешению монитора близко понятие цветового охвата. Под ним подразумевается диапазон цветов, который можно вое произвести с помощью того или иного устройства вывода (монитор, принтер, печатная машина и прочие). 
 
В соответствии с принципами формирования изображения аддитивным или субтрактивным методами разработаны способы разделения цветового оттенка на составляющие компоненты, называемые цветовыми моделями. В компьютерной график в основном применяют модели RGB и HSB (для создания и обработки аддитивны изображений) и СМУК(для печати копии изображения на полиграфическом оборудовании). 
 
Цветовые модели расположены в трехмерной системе координат, образующей цветовое пространство, так как из законов Грассмана следует, что цвет можно выразит точкой в трехмерном пространстве. 
 
Первый закон Грассмана (закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя составляющими, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в невозможности получить любой из этих трех цветов сложением двух остальных. 
 
Второй закон Грассмана (закон непрерывности). При непрерывном изменены излучения цвет смеси также меняется непрерывно. Не существует такого цвете к которому нельзя было бы подобрать бесконечно близкий. 
 
Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цвета, но не спектрального состава.  
 
Таким образом, прямоугольная трехмерная координатная система цветового пространства для аддитивного способа формирования изображения имеет точку начал координат, соответствующую абсолютно черному цвету (цветовое излучение отсутствует), и три оси координат, соответствующих основным цветам. Любой цвет может быть выражен в цветовом пространстве вектором, который описываете; уравнением: 
 
, 
 
которое практически идентично уравнению свободного вектора в пространстве рассматриваемому в векторной алгебре. Направление вектора характеризует цветность, а его модуль выражает яркость. 
 
Так как величина излучения основных цветов является основой цветовой модели ее максимальное значение принято считать за единицу. Тогда в трехмерном цветовом 
 
пространстве можно построить плоскость единичных цветов, образованную треугольником цветности. Каждой точке плоскости единичных цветов соответствует след цветового вектора, пронизывающего ее в этой точке. Следовательно, цветность любого излучения может быть представлена единственной точкой внутри треугольника цветности, в вершинах которого находятся точки основных цветов. То есть положение точки любого цвета можно задать двумя координатами, а третья легко находится по двум другим. 
 
 
 
Если на плоскости единичных цветов указать значения координат, соответствующих реальным спектральным излучениям оптического диапазона (от 380 до 700 нм), и соединить их кривой, то мы получим линию, являющуюся геометрическим местом точек цветности монохроматических излучений, называемую локусом. Внутри локуса находятся все реальные цвета. 
 
 
 
^ Цветовой локус 
 
Чтобы избежать отрицательных значений координат, была выбрана колориметрическая система XYZ, полученная путем пересчета из RGB. В этой системе точке белого соответствуют координаты (0,33; 0,33). Колориметрическая система XYZ является универсальной, в ней можно выразить цветовой охват как аддитивных, так и субтрактивных источников цвета. Для аддитивных источников цветовой oси выражается треугольником с координатами вершин, соответствующими излучению основных цветов R, G, В. 
 
Для субтрактивных источников (полученных в процессе печати красками, чернилами, красителями) используется модель CMYK, поэтому цветовой охват описывается шестиугольником, когда помимо точек синтеза основной триады (желт пурпурная, голубая) добавляются точки попарных наложений, соответствуют основным цветам: желтая + голубая = зеленая,  
 
желтая + пурпурная = красная,  
 
голубая + пурпурная = синяя. 
 
 
 
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 (Blue) цвета (рис. 3.1). При попарном 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. 3.2 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. 3.3).

Рис. 3.1. 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. 3.2. Аддитивный синтез новых цветов на базе разного процентного соотношения двух первичных цветов: красного и зеленого

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. 3.3. Цветовая (слева) и колориметрическая (справа) схемы получения цветового пространства RGB-модели с помощью трех первичных цветов. Стороны треугольника образуют множество спектрально-чистых цветов (локус)

Математически цветовую модель RGB удобнее всего представлять в виде куба (рис. 3.4, 1). 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.

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.

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. 3.4,2 приведен пример практической реализации RGB-модели в программе Corel PHOTO-PAINT 9.

Рис. 3.4. Представления RGB-модели в виде куба; 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 B_r(R=1,G=0,В=0), B_g(R=0,G=1,В=0) и B_b(R=0,G=0,В=1), является единичным местом точек в пространстве RGB (рис. 3.5).

Рис. 3,5. Плоскость единичных цветов и образование треугольника цветности

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 (рис. 3.5).

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 (рис. 3.5). 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.