Цветовое пространство — это определенная организация цветов . В сочетании с профилированием цвета, поддерживаемым различными физическими устройствами, оно поддерживает воспроизводимые представления цвета — независимо от того, подразумевает ли такое представление аналоговое или цифровое представление. Цветовое пространство может быть произвольным, то есть с физически реализованными цветами, назначенными набору физических цветовых образцов с соответствующими назначенными именами цветов (включая дискретные числа в — например — коллекции Pantone ), или структурированным с математической строгостью (как в системе NCS , Adobe RGB и sRGB ). «Цветовое пространство» — это полезный концептуальный инструмент для понимания цветовых возможностей конкретного устройства или цифрового файла. При попытке воспроизвести цвет на другом устройстве цветовые пространства могут показать, можно ли сохранить детализацию теней/светлых участков и насыщенность цвета, и насколько они будут скомпрометированы.
« Цветовая модель » — это абстрактная математическая модель, описывающая способ представления цветов в виде кортежей чисел (например, тройки в RGB или четверки в CMYK ); однако цветовая модель без связанной функции сопоставления с абсолютным цветовым пространством является более или менее произвольной цветовой системой без связи с какой-либо глобально понимаемой системой интерпретации цвета. Добавление определенной функции сопоставления между цветовой моделью и эталонным цветовым пространством устанавливает в эталонном цветовом пространстве определенный «отпечаток», известный как гамма , и для данной цветовой модели это определяет цветовое пространство. Например, Adobe RGB и sRGB — это два разных абсолютных цветовых пространства, оба основанные на цветовой модели RGB. При определении цветового пространства обычным эталонным стандартом являются цветовые пространства CIELAB или CIEXYZ , которые были специально разработаны для охвата всех цветов, которые может видеть среднестатистический человек. [1]
Поскольку «цветовое пространство» определяет определенную комбинацию цветовой модели и функции отображения, это слово часто неформально используется для обозначения цветовой модели. Однако, даже если определение цветового пространства автоматически определяет связанную цветовую модель, такое использование является некорректным в строгом смысле. Например, хотя несколько конкретных цветовых пространств основаны на цветовой модели RGB , не существует такого понятия, как единое цветовое пространство RGB .
В 1802 году Томас Юнг постулировал существование трех типов фоторецепторов (теперь известных как колбочки ) в глазу, каждый из которых был чувствителен к определенному диапазону видимого света. [2] Герман фон Гельмгольц развил теорию Юнга–Гельмгольца далее в 1850 году: что три типа колбочек фоторецепторов можно классифицировать как предпочитающие короткие ( синий ), предпочитающие средние ( зеленый ) и предпочитающие длинные ( красный ) в соответствии с их реакцией на длины волн света, падающего на сетчатку . Относительная сила сигналов, обнаруженных тремя типами колбочек, интерпретируется мозгом как видимый цвет. Но не ясно, думали ли они о цветах как о точках в цветовом пространстве.
Концепция цветового пространства, вероятно, принадлежит Герману Грассману , который разработал ее в два этапа. Во-первых, он разработал идею векторного пространства , которая допускала алгебраическое представление геометрических концепций в n -мерном пространстве . [3] Фернли-Сандер (1979) описывает основу линейной алгебры Грассмана следующим образом: [4]
Определение линейного пространства (векторного пространства)... стало широко известно около 1920 года, когда Герман Вейль и другие опубликовали формальные определения. Фактически, такое определение было дано тридцатью годами ранее Пеано , который был хорошо знаком с математическими работами Грассмана. Грассман не дал формального определения — язык был недоступен — но нет сомнений, что у него была концепция.
На этом концептуальном фоне в 1853 году Грассман опубликовал теорию смешивания цветов; она и три ее цветовых закона до сих пор изучаются как закон Грассмана . [5]
Как впервые отметил Грассман... множество света имеет структуру конуса в бесконечномерном линейном пространстве. В результате фактор-множество (относительно метамерии) светового конуса наследует коническую структуру, что позволяет представить цвет в виде выпуклого конуса в трехмерном линейном пространстве, который называется цветовым конусом. [6]
Цвета могут быть созданы при печати с цветовыми пространствами на основе цветовой модели CMYK , используя субтрактивные основные цвета пигмента ( c yan , m agenta , ellow и blac k ). Чтобы создать трехмерное представление заданного цветового пространства, мы можем назначить количество пурпурного цвета оси X представления , количество голубого цвета его оси Y и количество желтого цвета его оси Z. Результирующее трехмерное пространство обеспечивает уникальное положение для каждого возможного цвета, который может быть создан путем комбинирования этих трех пигментов.
Цвета могут быть созданы на компьютерных мониторах с цветовыми пространствами на основе цветовой модели RGB , используя аддитивные основные цвета ( красный , зеленый и синий ). Трехмерное представление назначило бы каждый из трех цветов осям X, Y и Z. Цвета, генерируемые на данном мониторе, будут ограничены средой воспроизведения, такой как люминофор (в мониторе с ЭЛТ ) или фильтры и подсветка ( монитор ЖК ).
Другой способ создания цветов на мониторе — это цветовая модель HSL или HSV , основанная на оттенке , насыщенности , яркости (значении/светлости). В такой модели переменные назначаются цилиндрическим координатам .
Многие цветовые пространства можно представить в виде трехмерных значений таким образом, но некоторые из них имеют больше или меньше измерений, а некоторые, например Pantone , вообще не могут быть представлены таким образом.
Преобразование цветового пространства — это перевод представления цвета из одного базиса в другой. Обычно это происходит в контексте преобразования изображения, представленного в одном цветовом пространстве, в другое цветовое пространство, с целью сделать переведенное изображение максимально похожим на оригинал.
Цветовая модель RGB реализуется по-разному в зависимости от возможностей используемой системы. Наиболее распространенным воплощением в общем использовании по состоянию на 2021 год [обновлять]является 24- битная реализация с 8 битами или 256 дискретными уровнями цвета на канал . [7] Таким образом, любое цветовое пространство, основанное на такой 24-битной модели RGB, ограничено диапазоном 256×256×256 ≈ 16,7 миллионов цветов. Некоторые реализации используют 16 бит на компонент для 48 бит в общей сложности, что приводит к той же гамме с большим количеством различных цветов. Это особенно важно при работе с цветовыми пространствами с широким охватом (где большинство наиболее распространенных цветов расположены относительно близко друг к другу) или когда последовательно используется большое количество алгоритмов цифровой фильтрации. Тот же принцип применим к любому цветовому пространству, основанному на той же цветовой модели, но реализованному с разной битовой глубиной .
Цветовое пространство CIE 1931 XYZ было одной из первых попыток создать цветовое пространство, основанное на измерениях человеческого восприятия цвета (более ранние попытки были сделаны Джеймсом Клерком Максвеллом , Кенигом и Дитеричи и Эбни в Имперском колледже ) [8] , и оно является основой почти для всех других цветовых пространств. Цветовое пространство CIERGB является линейно связанным компаньоном CIE XYZ. Дополнительные производные CIE XYZ включают CIELUV , CIEUVW и CIELAB .
RGB использует аддитивное смешивание цветов, поскольку описывает, какой свет должен быть испущен для получения заданного цвета. RGB хранит отдельные значения для красного, зеленого и синего. RGBA — это RGB с дополнительным каналом, альфа, для указания прозрачности. Распространенные цветовые пространства, основанные на модели RGB, включают sRGB , Adobe RGB , ProPhoto RGB , scRGB и CIE RGB .
CMYK использует субтрактивное смешивание цветов, применяемое в процессе печати, поскольку оно описывает, какие чернила необходимо наносить, чтобы свет, отраженный от подложки и прошедший через чернила, производил заданный цвет. Начинается с белой подложки (холст, страница и т. д.) и чернила используются для вычитания цвета из белого, чтобы создать изображение. CMYK хранит значения чернил для голубого, пурпурного, желтого и черного. Существует множество цветовых пространств CMYK для различных наборов чернил, подложек и характеристик печати (которые изменяют растискивание или функцию переноса для каждой краски и, таким образом, изменяют внешний вид).
YIQ ранее использовался в телевизионных трансляциях NTSC ( Северная Америка , Япония и другие страны) по историческим причинам. Эта система хранит значение яркости , примерно аналогичное (и иногда неправильно идентифицируемое как) [9] [10] яркости , вместе с двумя значениями цветности как приблизительными представлениями относительного количества синего и красного в цвете. Она похожа на схему YUV , используемую в большинстве систем видеозахвата [11] и в телевидении PAL ( Австралия , Европа , за исключением Франции , которая использует SECAM ), за исключением того, что цветовое пространство YIQ повернуто на 33° относительно цветового пространства YUV, а цветовые оси поменяны местами. Схема YDbDr, используемая телевидением SECAM, повернута другим образом.
YPbPr — это масштабированная версия YUV. Чаще всего встречается в цифровой форме YCbCr , широко используемой в схемах сжатия видео и изображений , таких как MPEG и JPEG .
xvYCC — это новый международный стандарт цветового пространства цифрового видео, опубликованный IEC ( IEC 61966-2-4). Он основан на стандартах ITU BT.601 и BT.709 , но расширяет цветовую гамму за пределы основных цветов R/G/B, указанных в этих стандартах.
HSV ( h ue, s aturation, value ), также известный как HSB (hue, saturation, b lightness), часто используется художниками, поскольку зачастую более естественно думать о цвете в терминах оттенка и насыщенности, чем в терминах аддитивных или субтрактивных цветовых компонентов. HSV — это преобразование цветового пространства RGB, а его компоненты и колориметрия относятся к цветовому пространству RGB, из которого он был получен.
HSL ( оттенок , насыщенность , светлота / яркость ), также известный как HLS или HSI (оттенок, насыщенность, интенсивность ) очень похож на HSV , только «яркость» заменена на «светлость». Разница в том, что яркость чистого цвета равна яркости белого, а светлота чистого цвета равна светлоте средне-серого.
Ранние цветовые пространства имели два компонента. Они в значительной степени игнорировали синий свет, поскольку дополнительная сложность трехкомпонентного процесса обеспечивала лишь незначительное увеличение точности по сравнению с переходом от монохромного к двухкомпонентному цвету.
В науке о цвете существует два значения термина « абсолютное цветовое пространство» :
В этой статье мы сосредоточимся на втором определении.
CIEXYZ , sRGB и ICtCp являются примерами абсолютных цветовых пространств, в отличие от общего цветового пространства RGB .
Неабсолютное цветовое пространство можно сделать абсолютным, определив его отношение к абсолютным колориметрическим величинам. Например, если красный, зеленый и синий цвета на мониторе измеряются точно, вместе с другими свойствами монитора, то значения RGB на этом мониторе можно считать абсолютными. Цветовое пространство CIE 1976 L*, a*, b* иногда называют абсолютным, хотя для этого также требуется спецификация белой точки . [16]
Популярный способ сделать цветовое пространство, например RGB, абсолютным цветом — это определить профиль ICC , содержащий атрибуты RGB. Это не единственный способ выразить абсолютный цвет, но он является стандартом во многих отраслях. Цвета RGB, определенные широко распространенными профилями, включают sRGB и Adobe RGB . Процесс добавления профиля ICC к графике или документу иногда называется тегированием или встраиванием ; таким образом, тегирование отмечает абсолютное значение цветов в этой графике или документе.
Цвет в одном абсолютном цветовом пространстве может быть преобразован в другое абсолютное цветовое пространство и обратно, в общем; однако некоторые цветовые пространства могут иметь ограничения гаммы , и преобразование цветов, которые лежат за пределами этой гаммы, не даст правильных результатов. Также вероятны ошибки округления, особенно если используется популярный диапазон всего из 256 различных значений на компонент ( 8-битный цвет ).
Частью определения абсолютного цветового пространства являются условия просмотра. Один и тот же цвет, рассматриваемый при различных условиях естественного или искусственного освещения , будет выглядеть по-разному. Те, кто профессионально занимается сопоставлением цветов, могут использовать комнаты для просмотра, освещенные стандартным освещением.
Иногда существуют точные правила преобразования между неабсолютными цветовыми пространствами. Например, пространства HSL и HSV определяются как отображения RGB. Оба являются неабсолютными, но преобразование между ними должно сохранять один и тот же цвет. Однако, в общем, преобразование между двумя неабсолютными цветовыми пространствами (например, RGB в CMYK ) или между абсолютными и неабсолютными цветовыми пространствами (например, RGB в L*a*b*) является почти бессмысленной концепцией.
Другой метод определения абсолютных цветовых пространств знаком многим потребителям как карта образцов, используемая для выбора краски, тканей и т. п. Это способ согласования цвета между двумя сторонами. Более стандартизированный метод определения абсолютных цветов — это система Pantone Matching System , запатентованная система, которая включает карты образцов и рецепты, которые коммерческие типографии могут использовать для изготовления чернил определенного цвета.
абсолютное цветовое пространство.
