Кодирование цвета в системе rgb. Кодирование графических данных

Цвет каждого пикселя растрового изображения запоминается с помощью комбинации битов. Чем больше битов используется для этого, тем большее количество оттенков цветов для каждого пикселя можно получить.

Суммарное количество двоичных разрядов (бит), используемых для представления информации о цвете одного пикселя, называется битовой глубиной цвета (глубиной цвета) , которая измеряется в битах на пиксель (bpp).

В монохромном изображении пикселы могут быть любого из оттенков, составленных смешиванием двух базовых цветов. Если в качестве базовых цветов используются черный и белый, то говорят о шкале градаций серого цвета.

Цветовая разрешающая способность монохромного изображения равна 8 bpp. (2 8 =256), т.е. для описания цвета пикселя монохромного изображения используется один байт. Добавление одного бита удваивает количество значений, которое можно закодировать, т.е. байтом можно закодировать 256 цветов, а тремя байтами (24 бита) – 16777216 различных цветов. О 24-битовых изображениях часто говорят как об изображениях с естественными цветами (True Color).

Цветовая модель – это способ описания цвета в виде совокупности числовых параметров.

Цветовой охват модели – это вся совокупность цветов, которые могут быть воспроизведены с использованием той или иной цветовой модели.

По принципу действия цветовые модели делятся на три класса:

1. аддитивные (RGB) , основанные на сложении цветов

2. субтрактивные (CMY, CMYK) , основу которых составляет операция вычитания цветов

3. перцепционные или интуитивные (HSB, HLS, Lab) , базирующиеся на восприятии.

Цветовая модель RGB используется при описании цветов, получаемых смешением световых лучей. Ее составляющими являются три базовых цвета: Red (красный), Green (зеленый) и Blue (синий). Все остальные цвета в этой модели образуются за счет смешения базовых цветов в различных пропорциях. Каждый из трех базовых цветов может варьироваться в пределах от 0 до 255, образовывая разные цвета и обеспечивая, таким образом, доступ ко всем другим цветам. Для их хранения необходимо 3 байта – 24 бита (цветовая разрешающая способность аддитивной модели составляет 24 bpp).

Каждому цвету RGB-модели можно сопоставить код, который содержит яркости его трех составляющих. Для записи кода используется десятичное (тройка десятичных чисел, разделенных запятой) или шестнадцатеричное (#XXXXXX; # – признак шестнадцатеричного числа, далее каждые две цифры – шестнадцатеричное число яркости каждой составляющей) представление кода. Например, код желтого цвета можно записать как 255,255,0 или #FFFF00.

На экране монитора RGB схема – это свечение трех зерен триады люминофора (красного, зеленого и синего). Для получения белого цвета необходимо, чтобы ярко светились все три зерна триады – красное, зеленое и синее (R:255/G:255/B:255). Отсутствие свечения дает черный свет (R:0/G:0/B:0).

При попарном свечении при максимальной яркости можно получить три цвета: пурпурный (magenta) – светятся красный и синий; голубой (cyan) – синий и зеленый и желтый (yellow) – красный и зеленый, которые составляют базовую основу субтрактивной моделиCMYK/CMY.

Цветовая модель CMYK / CMY состоит из трех базовых цветов: Cyan – голубой, Magenta – пурпурный и Yellow – желтый. Каждый из трех параметров модели соответствует процентному содержанию в пикселе напечатанного на бумаге точечного изображения соответствующей ему базовой краски. При смешении максимально допустимых моделью количеств всех трех компонентов должен получаться черный цвет, а при отсутствии красок – белый цвет. Однако смешение этих цветов в полиграфии не дает чистого черного цвета, поэтому в триаду цветов добавляют черный (blacK) цвет.

CMYK – основная цветовая модель для отраженного света. Каждый из базовых цветов CMYK получается вычитанием из белого цвета одного из базовых цветов модели RGB.

Четыре параметра модели могут принимать значения от 0 до 100. Для хранения каждого числа отводится 1 байт (8 бит). Цветовая разрешающая способность модели равна 32 bpp.

При смешивании отдельных цветовых составляющих модели CMYK при максимальной яркости можно получить следующие результаты:

Голубой + Пурпурный = Синий с оттенком фиолетового, который можно усилить, изменив пропорции смешиваемых цветов.

Пурпурный + Желтый = Красный. Уменьшение яркости пурпурного дает оранжевый, а уменьшение яркости желтого – розовый.

Желтый + Голубой = Зеленый. Уменьшение яркости желтого дает изумрудный, а уменьшение яркости голубого – салатовый.

Цветовые красители имеют худшие характеристики по сравнению с люминофором. Поэтому цветовая модель CMYK имеет более узкий цветовой диапазон по сравнению с RGB-моделью.

Преобразование цветов из системы RGB в систему CMYK не всегда возможно. Поэтому, цвета, отображаемые на экране монитора, никогда нельзя точно повторить при печати. Однако, многие программы позволяют работать непосредственно в цветах CMYK.

Для устранения несоответствий цветовых диапазонов RGB- и CMYK-моделей существуют три направления:

1. Выявление и коррекция несоответствующих цветов непосредственно в процессе редактирования:

§ редактирование изображения в формате CMYK-модели;

§ использование CMYK-ориентированных палитр;

§ средства индикации, имеющиеся в программах, для получения информации о наличии в изображении цветов, не поддерживаемых моделью CMYK.

2. Расширение цветового пространства CMYK-модели. Переход от 4-цветной к 6- и 7-цветной моделям:

§ системы PANTONE HEXACHROME Colors – к 4 цветам модели CMYK добавлены зеленый и оранжевый (CMYKOG);

§ использование цветовой модели HiFi Color 3000 – всего 7 цветов, 4 цвета CMYK-модели и 3 цвета RGB-модели.

§ использование цветовой модели CMYK + Special – дополнительно включает в себя четыре цвета.

§ использование плашечных цветов.

3. Использование системы управления цветом – CMS (Color Management Systems).

Плашечные цвета – это цвета, получающиеся путем смешивания из исходных красок до печатного процесса, а не смешиванием четырёх (CMYK) или шести (CMYKOG) красок при печати. Их можно получить от различных производителей, но в повседневной практике печатники чаще всего самостоятельно готовят краску, используя таблицы, полученные от производителя краски.

Плашечные цвета позволяют печатать специальные цвета, которые нельзя получить смешиванием обычных чернил CMYK. Самый типичный пример – цвета вне охвата (перенасыщенные синие и оранжевые), «металлики» (золото, серебро, медь и т.д.), флуоресцентные краски и т.п.

Существует несколько промышленных стандартов плашечных цветов, некоторые из них используются только в определённых частях света. Наиболее распространённый стандарт разработан в компании Pantone.

Палитра Pantone – это набор цветов, каждому из которых присвоено определенное имя. Компания Pantone выпускает цветовые каталоги, по которым полиграфисты и производят выбор красок для каждого тиража.

Цветовая модель HSB основана на трех параметрах: H (Hue) – оттенок или тон; S (Saturation) – насыщенность и B (Brightness) – яркость.

Цветовой тон – свет с доминирующей длиной волны (например, свет с доминирующей длиной волны 450 нм ассоциируется с синим цветом).

Насыщенность характеризует чистоту цвета (нулевая – серый цвет, максимальная – наиболее яркий вариант данного цвета).

Яркость понимается как степень освещенности. При нулевой яркости цвет становиться черным. Максимальная яркость при максимальной насыщенности дают наиболее выразительный вариант данного цвета.

Графически модель HSB можно представить в виде кольца (рис.6), вдоль которого располагаются оттенки цветов. На внешнем круге находятся оттенки цветов (параметр Н измеряется в градусах от 0 до 360), каждому спектральному цвету соответствует свой градус, то есть всего насчитывается 360 вариантов (красный – 0, желтый – 60, зеленый – 120 градусов и т.д.).

Рис.6. Графическое представление цветовой модели HSB

Чем ближе к центру круга располагается цвет, тем меньше его насыщенность (S измеряется в процентах).

Яркость отображается на линейке, перпендикулярной плоскости цветового круга (В измеряется в процентах). Все цвета на внешнем круге имеют максимальную яркость.

Модель HSB согласуется с восприятием цвета человеком и считается самой удобной в подборе цвета для пользователя. Однако она является абстрактной, поскольку не существует технических средств для непосредственного измерения цветового тона и насыщенности. Модель HSB не образует цветовых каналов в документе (сохранить документ в этой цветовой модели нельзя). Поэтому, к достоинствам цветовой модели HSB относят аппаратную независимость и простой и интуитивно понятный механизм управления цветом. А к недостаткам – ограниченное цветовое пространство и неудобство визуального восприятия компоненты «яркость» (например, оттенки, имеющие равные значения параметра «яркость» (к примеру, желтый и красный), визуально воспринимаются разными по яркости).

Цветовая модель HLS основана на трех параметрах: H (Hue) – оттенок или тон, S (Saturation) – насыщенность и L (Lightness) – освещенность.

Освещенность – параметр цветовой модели, позволяющий визуально сравнивать степень яркости цветового тона. Оттенки с равными значениями светлоты выглядят одинаково яркими. Уменьшение освещенности приближает цвет к черному, а увеличение – к белому. Чистый спектральный цвет получается при освещенности 50%.

Данная модель используется в некоторых графических редакторах, например в Macromedia FreeHand.

Цветовая модель Lab основана на трех параметрах:

L (Luminosity) – яркость (освещенность) – осуществляет контроль за яркостью цветов, образованных двумя цветовыми каналами

цветовой канал a – соотношение зеленой и красной составляющих цвета – содержит цвета от темно-зеленого через серый до ярко-розового

цветовой канал b – соотношение синей и желтой составляющих – содержит цвета от светло-синего через серый до ярко-желтого

Модель Lab обладает самым большим цветовым охватом, в ней можно представить практически все природные цвета, которые способен воспринять человек.

Графическое изображение модели Lab представлено на рис.7.

Рис.7. Графическое представление цветовой модели Lab

Lab – аппаратно-независимая цветовая модель. Она определяет цвета без учета особенностей технологии цветовоспроизведения (на мониторе, на принтере). Lab используется в качестве промежуточной цветовой модели (ее цветовой диапазон покрывает диапазоны RGB и CMYK). Например, PhotoShop использует Lab при переходе от RGB к CMYK в качестве промежуточного этапа.

Цветовой охват моделей RGB, CMYK и Lab можно изобразить следующим образом:

Рис.8. Схематическое изображение цветового охвата моделей RGB, CMYK и Lab

Любой цвет является композицией трех основных цветов – красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue). В зависимости от того, какой «вес» имеет каждый из этих цветов, получается все разнообразие цветов окружающего нас мира. В цифровых компьютерах «вес» каждого цвета должен быть представлен некоторой дискретной величиной. В простейшем случае для кодирования каждого из основных цветов достаточно по одному биту (1 = цвет включен, 0 = цвет выключен), называемых битами R , G и В . Из трех основных цветов с двоичным кодированием получается 8 цветовых комбинаций, показанных на рис. 5.2. Когда все цвета выключены, получается черный цвет. Если ввести еще один бит, который управляет яркостью или интенсивностью (Intensity), то получится 4–битная комбинация, называемая IRGB–цветом. Управление интенсивностью дает еще 8 цветов, поэтому на экране можно получить 16 цветов, кодирование и названия которых приведены в табл. 5.2.

Таблица 5.2 Базовое кодирование цветов

					Название	Компоненты
						Зеленый + синий
					Вишневый	Красный + синий
					Коричневый	Красный + зеленый
						Красный + зеленый + синий
					Ярко–синий
					Ярко–зеленый	I + зеленый
					Ярко–голубой	I + зеленый + синий
					Ярко–красный	I + красный
					Ярко вишневый	I + красный + синий
						I + красный + зеленый
					Ярко–белый	I + красный + зеленый + синий

Восприятие цветов зависит от индивидуальных особенностей человека, а также аппаратной настройки монитора, поэтому в литературе вишневый (magenta) цвет назы

вается пурпурным, малиновым и сиреневым, коричневый – золотистым, голубой – бирюзовым и даже циановым, ярко–красный – розовым и т.д.

Каждый из четырех цветовых элементов IRGB в конце концов связан с формированием активного светового излучения. Чем больше элементов находится в состоянии 1, тем ярче будет свечение, но одновременно тем более «размытым» будет восприниматься цвет. Для глаза каждый чистый основной цвет R, G или В оказывается визуально более воспринимаемым, чем любой из смешанных цветов и даже чем «яркий» вариант этого же цвета.

В 16–цветном режиме можно пользоваться всеми цветами с номерами 0 – 15, приведенными в табл. 5.2. В 8–цветном режиме нет управления интенсивностью, поэтому здесь применяются цвета с номерами 0 – 7. В 4–цветном режиме можно выбрать любые 4 цвета из 16; выбранные цвета образуют так называемую палитру. Наконец, в 2–цветном режиме разрешены только цвета 0 и 7 – черный и обычный белый.

В адаптере EGA имеются режимы, в которых для кодирования каждого из основных цветов отведено по два бита, т.е. полный цвет кодируется шестью битами RrGgBb (00 = цвет выключен, 01 = слабый цвет, 10 = обычный, 11 = яркий). Такое кодирование расширяет общее число цветов до 64. Тем не менее одновременно на экране может наблюдаться только 16 цветов, так как в видеобуфере пикселы кодируются 4–битными значениями.

В адаптере VGA введены режимы, в которых для кодирования каждого из основных цветов отведено по 6 бит, т.е. возможное число цветов возросло до огромной величины 256 к. Однако одновременно на экране наблюдается только 256 цветов, так как в режиме с максимальной «цветностью» каждый пиксел кодируется в видеобуфере 8 битами.

В адаптере SVGA каждый цвет кодируется 16 битами (High Color), 24 битами или 32 битами (True Color), что составляет 16,7 млн. цветов.

В чем разница между 24–разрядным и 32–разрядным кодированием цвета?

Прежде всего – в том, что 24–разрядное представление неудобно с точки зрения обработки изображения: каждая точка описывается тремя байтами, а умножение/деление на три – менее эффективные операции, чем умножение/деление на степени двойки. Поэтому оно используется только при необходимости экономить видеопамять и существенно замедляет вывод изображения. При наличии достаточного количества видеопамяти используется 32–разрядное представление, в котором младшие три байта описывают цвет точки, а старший байт либо управляет дополнительными параметрами (например, информацией о взаимном перекрывании объектов или глубине в трехмерном изображении), либо не используется.

Достаточно ли 16,7 млн. цветов для любого изображения?

Хотя такого количества различных цветов и достаточно для кодирования большинства изображений, используемая в настоящее время система кодирования имеет принципиальный недостаток – количество градаций каждого из основных цветов не может превышать 256. Например, если заполнить экран одним из основных цветов с плавно меняющейся яркостью, то нетрудно заметить границы между дискретными уровнями. Это не позволяет точно передавать изображения, содержащие большие области плавного изменения цветов. Однако при кодировании изображений, в которых подобных областей нет, используемая система дает вполне удовлетворительное качество передачи цвета.