Цветовая модель. История цветовой модели RGB
Наверняка многие слышали о таких цветовых моделях как RGB и CMYK, но на самом деле таких схем не 2 и не 5, а больше.
Цветовые модели бывают разные и о них пойдет сегодня речь.
RGB - R ed G reen B lue, как известно, что почти любой цвет можно задать комбинацией трех цветов - красный+зеленый+синий.
Вот из википедии пример такой модельки:
Данная модель называется аддитивной, так как для указания любого из цветов, используется добавление одного из цветовых каналов к черному. Что прекрасно видно на рисунке
Принцип RGB основан на восприятии цвета сетчаткой глаза человека:
Как видно из рисунка и описания, если ни один из цветовых каналов не задан - изображение будет черным. Если же задать все цветовые каналы по-максимуму, то получится белый цвет.
В отличии от CMYK, RGB-модель охватывает гораздо большое число цветовых тонов и нашла свое широкое применение в телевизорах и мониторах. В телевизорах (ЭЛТ) как раз стоят 3 "пушки", которые бомбардируют пучки цвета на экран. В LCD экранах жидкие-кристаллы также состоят из RGB составляющих.
В компьютерах RGB модель так и задается в виде чисел от 0 до 255 для каждого цвета. Если брать html, то черный цвет будет #000000 , красный #FF0000 , зеленый #00FF00 , синий #0000FF , а белый как #FFFFFF . Серый цвет буде что-то вроде #d3d3d3 .
Те, кто знаком с полиграфией, знают, что там используется другая цветовая модель - CMYK. C - Cyan, M - magenta, Y - yellow, K - blacK (насчет K много споров, многие считают его производным от k ey plate - ключевая поверхность, кто-то от k ontur - контурная пленка, а кто-то от k obalt - темно-серый цвет). По-русски это Голубой, Пурпурный, Желтый и Черный цвета.
Так же, как и в RGB, используется задание цвета путем указания процентного содержания одного из цветовых каналов.
Причем г+п+ж = черный цвет, но эстетам полиграфии этого мало. Они имеют дело с различным оборудованием и с различным материалом, на котором печатается изображение. Для полиграфии важно насколько изображение итоговое копирует оригинал. Ведь при использовании RGB модели, печать на черном и на белом фоне (а также, например, на кремовом) - будет отличаться. А вот CMYK модель позволяет нивелировать (свести к минимуму) подобные косяки. Причем для конкретного оборудования и конкретного материала рекомендуется создавать свою схему CMYK, что приводит к расходам на настройщика. Прям пианино, а не принтер =)
В разных странах свои стандарты CMYK также. В Америке одни, в Европе другие и тд.
Черный цвет (а в CMYK-принтера, например, лазерных цветных, 4 картриджа), который задается смешиванием 100%-но насыщенных г+п+ж приводит также к излишнему намоканию бумаги (поверхности), что приводит к ее деформации от влаги. Поэтому и стоит отдельный картридж. Ну и отдельный черный цвет дешевле других (поэтому и в обычных принтерах есть цветной отдельный и отдельный черный картридж).
Раз мы уже говорили выше о восприятии глазом RGB-модели, то для CMYK она такая же:
Если очень близко друг к друг разместить 3 (или 4, в случае с CMYK) разноцветных точки, то сетчатка сольет их в одну точку с определенным цветом. Вот для примера увеличенное изображение курсора мышки на БЕЛОМ фоне обычного LCD монитора:
Макросьемка курсора на белом фоне для TN+film матрице монитора:
Точно также и для остальных цветовых моделей. Глаз сам дорисовывает цвет.
CIE XYZ - линейная трехкомпонентная цветовая модель, основана на изучении человеческого глаза организацией CIE (Commission Internationale de l"Eclairage ). Ученые создали модель стандартного человеческого глаза и уже на ее основе цветовую модель. Грубо говоря, CIE XYZ это то, как видет трехкомпонентное изображение стандарный человек .
Из википедии:
Как известно, цветовое зрение человека обусловлено наличием трёх видов световосприимчивых рецепторов на сетчатке глаза, максимумы спектральной чувствительности которых локализованы в области 420, 534 и 564 нм, что соответствует синему, зелёному и жёлтому (хотя в литературе обычно пишут «красному») цветам. Они являются базовыми, все остальные тона воспринимаются как их смешение в определённой пропорции. Например, чтобы получить жёлтый спектральный цвет, совсем необязательно воспроизводить его точную длину волны 570—590 нм, достаточно создать такой спектр излучения, который возбуждает рецепторы глаза сходным образом. Это явление называется .
Комитет CIE провёл множество экспериментов с огромным количеством людей, предлагая им сравнивать различные цвета, а затем с помощью совокупных данных этих экспериментов построил так называемые функции соответствия цветов (color-matching functions) и универсальное цветовое пространство (universal color space), в котором был представлен диапазон видимых цветов, характерный для среднестатистического человека.
Функции соответствия цветов — это значения каждой первичной составляющей света — красной, зелёной и синей, которые должны присутствовать, чтобы человек со средним зрением мог воспринимать все цвета видимого спектра. Этим трём первичным составляющим были поставлены в соответствие координаты X, Y и Z.
YUV - линейная трехкомпонентная цветовая модель, в основе которой стоит яркость и две цветоразностных компоненты. Подобную модель мы уже рассматривали в .
Кратко модель можно описать так:
Для любого пикселя (если речь идет о компьютерном изображении) создается слой яркости (в оттенках серого), а также 2 слоя, необходимых для восстановления оригинала. Модель использовалась для перехода от ч/б ТВ к цветному, так как старые телевизоры могли использовать лишь один слой, а новые цветные все 3 компонента. Думаю технология аналогичная используется и в окрашивании старых советских кино в цвет.
Модель YUV:
HSV (Hue, Saturation, Value — тон, насыщенность, значение) или HSB (Hue, Saturation, Brightness — оттенок, насыщенность, яркость) - цветовая модель, тоже трехкомпанентная.
Как видно из рисунка, данные модели представляются в трехмерном формате (цилиндр и конус). Из-за трехмерности не совсем удобно их использовать в качестве цветовой модели внутри ПО и изображений, но зато в качестве визуализации они подходят очень кстати.
Думаю подобные палитры в графических редакторах видели многие из вас:
Для выбора цвета из палитры, действительно, такой формат представления удобен и часто используется в прикладном ПО.
RYB - модель на основе 3х компонентов - Красного, Желтого и Синего цветов. Раньше считалась правильной, но не все цвета можно такой моделью задать, особенно оттенки зеленого. Основана на палитре художников, которые смешивают краски для получения нужного цвета, но художники используют не 3 цвета, а большее количество, поэтому модель не используется сейчас уже.
Lab — аббревиатура названия двух разных (хотя и похожих) . Более известным и распространенным является CIELAB (точнее, CIE 1976 L*a*b*), другим — Hunter Lab (точнее, Hunter L, a, b). Таким образом, Lab — это неформальная аббревиатура, не определяющая цветовое пространство однозначно. Чаще всего, говоря о пространстве Lab, подразумевают CIELAB.
При разработке Lab преследовалась цель создания цветового пространства, изменения цвета в котором будет более линейным с точки зрения человеческого восприятия (по сравнению с ), то есть с тем, чтобы одинаковое изменение значений координат цвета в разных областях цветового пространства производило одинаковое ощущение изменения цвета. Таким образом математически корректировалась бы нелинейность восприятия цвета человеком. Оба цветовых пространства рассчитываются относительно определенного значения . Если значение точки белого дополнительно не указывается, подразумевается, что значения Lab рассчитаны для стандартного осветителя D50. (c) Wikipedia
Для простых смертных, RGB и CMYK это то, как мы будем кодировать цвета для машин, причем не учитывая итог (CMYK учитывает итог путем калибровки инструмента и цветовой модели). А вот LAB обеспечивает отображение именно того цвета, который увидит человек. Часто используется как промежуточная цветовая модель при переводе из одной модели к другой.
NCS (Natural Color System , естественная система цвета) — цветовая модель, предложенная Скандинавским институтом цвета (Skandinaviska Färginstitutet AB), Стокгольм, Швеция. Она основана на системе противоположных цветов и нашла широкое применение в промышленности для описания цвета продукции.
За основу взяты 6 цветов: Белый, черный, голубой, желтый, зеленый и красный.
Остальные цвета получаются путем задания темноты, насыщенности и двух основных цветов.
Вроде (беру из головы):
Оранжевый: 5% темноты, 80% насыщенности, 50% желтого, 50% красного.
Ну и в таком духе.
Цветовая модель Пантон , система PMS (Pantone Matching System) — стандартизованная система подбора цвета, разработанная американской фирмой Pantone Inc в середине XX века. Использует цифровую идентификацию цветов изображения для полиграфии печати как смесевыми, так и красками. Эталонные пронумерованные цвета напечатаны в специальной книге, страницы которой веерообразно раскладываются.
Существуют и другие цветовые модели, я отобрал наиболее приглянувшиеся и интересные. Для наших простых нужд хватает RGB, YUV, LAB моделей, для полиграфии добавляются еще CMYK и другие.
Вообще довольно интересно было узнать о том, как вроде бы простой цвет задают совершенно разными моделями.
В этой статье рассказывается о цветовых моделях, используемых программе Adobe Photoshop.
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.
Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного — голубой. Таким образом, путём смешения из небольшого количества простых цветов, можно получить множество (и при чём довольно большое) сложных (составных). Поэтому для описания цвета вводится понятие цветовой модели — как способа представления большого количества цветов посредством разложения его на простые составляющие.
Цветовой круг
Одной из таких моделей — является цветовой круг, о котором уже неоднократно упоминалось ранее. Он представлен на рисунке 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. Схема такого круга представлена ниже. Друг напротив друга расположены контрастные цвета.
Цветовой охват
Перед тем как перейти к рассмотрению цветовых моделей в отдельности, рассмотрим сначала понятие цветового охвата, который даст нам представление о том, насколько та или иная цветовая модель хорошо представляет цвета. Цветовым охватом называется максимальный диапазон цветов, который способно воспроизвести или зафиксировать устройство, или человеческий глаз.
Определённым цветовым охватом обладают электронно-лучевая трубка монитора или телевизора, цветовые модели, полиграфические краски и, конечно же, глаз человека. На рисунке 3 схематически показано сравнение цветовых охватов человеческого глаза, монитора и печатающей машины. Цветовой охват монитора примерно соответствует модели RGB в различных вариациях, печатающей машины — CMYK.
Итак, цвет в компьютерных технологиях, в типографии, во многих других отраслях производства, связанных с обработкой изображения, представляется в виде комбинации небольшого количества трёх составных. Такое представление называется цветовой моделью. Различные виды моделей имеют различные цветовые охваты. В этом и заключается их основные преимущества или недостатки. Отражённый и поглощаемый цвет описывается по-разному. Существует довольно большое количество цветовых моделей, но мы остановимся лишь на тех, которые наиболее часто используются в графических пакетах.
Цветовая модель RGB
Это одна из наиболее распространенных и часто используемых моделей. Она применяется в приборах, излучающих свет, таких, например, как мониторы, проекторы, телевизоры. Данная цветовая модель базируется на трех основных цветах: Red — красном, Green — зеленом и Blue — синем. Каждая из вышеперечисленных составляющих может варьироваться в пределах от 0 до 255, образовывая разные цвета и обеспечивая, таким образом, доступ ко всем 16 миллионам. При работе с графическим редактором Adobe Photoshop можно выбирать цвет, полагаясь не только на тот, что мы видим, но при необходимости, указывать и цифровое значение, тем самым иногда, особенно при цветокоррекции, контролируя процесс работы.
Данная цветовая модель является аддитивной, то есть при увеличении яркости отдельных составляющих будет увеличиваться и яркость результирующего цвета: если смешать все три цвета с максимальной интенсивностью, то результатом будет белый цвет; напротив, при отсутствии всех цветов получается черный.
Важно знать : числовые значения каналов в фотошоп означают яркость данного цвета. То есть, чем больше число, тем светлее выглядит канал. Чтобы лучше понять этот фундаментальный принцип, поэкспериментируйте с диалоговым окном выбора цвета, вводя в него разные значения одного канала при нулевых других.
Достоинствами данного режима является то, что он позволяет работать с 16 миллионами цветов при 8 битах на канал (224 цветов), а недостаток состоит в том, что при выводе изображения на печать часть из этих цветов теряется, в основном самые яркие и насыщенные, также возникает проблема с синими цветами.
Цветовая модель RGB считается самой легкой для освоения. Подавляющее большинство уроков для начинающих и пользователей среднего уровня написаны именно для нее. Но высокий уровень владения программой фотошоп предполагает знание основ и умение работать и в других цветовых моделях.
Цветовая модель CMYK
Гораздо ближе к цветовому охвату напечатанного изображения стоит цветовая модель CMYK.
В отличии от предыдущей цветовой модели RGB, данная модель использует так называемый субтрактивный синтез цветов. Она использует параметры отраженного света. То есть, если цвет объекта, к примеру, голубой (Cyan), это означает, что из белого цвета он поглощает красный цвет, иначе говоря, он вычитается из белого. Если цвет объекта пурпурный (Magenta), значит он поглощает зеленый цвет. И наконец, если цвет объекта желтый (Yellow), значит он поглощает голубой цвет. Если объект поглощает все цвета, мы видим его как черный. В модели CMYK черный цвет назван скелетным или ключевым (Key). Аббревиатура CMYK образована первыми буквами субтрактивных цветов.
Важно знать : каналы цветовой модели CMYK в программе фотошоп обозначают количество краски определенного цвета. То есть, чем выше числовое значение канала, тем он темнее. Это кардинальное отличие данной модели от предыдущей. Кроме того, раз CMYK содержит 4 канала, то появляется возможность более тонкой, даже ювелирной, цветокоррекции. Именно поэтому пользователи-профессионалы предпочитают выполнять цветокоррекцию в данной цветовой модели.
Подготовка изображения для печати в типографии или на принтере также требует знания и умения работать в CMYK, так как печатающие машины, в том числе и принтеры, создают изображения именно по такому принципу.
Недостатком СMYK является более узкий цветовой охват, поэтому часть цветов при преобразовании из другой цветовой модели безвозвратно теряется.
Цветовая модель Lab
Если с предыдущими цветовыми моделями сложностей обычно не возникает, то с моделью Lab ситуация совершенно иная. Понять взаимодействие цветовых каналов в ней немного сложнее. Дело в том, что в пространстве Lab цвет отделен от контраста. В одном канале L (яркость) содержится информация о деталях изображения и яркостном контрасте. Это практически черно-белая версия изображения. Канал а охватывает палитру от пурпурного цвета (127) до зеленого (-128). Канал b охватывает палитру от желтого цвета (127) до синего (-128). Нулевые значения a и b соответствуют нейтральным тонам, то есть всем оттенкам серого.
Lab называют также аппаратно-независимой моделью. Фактически, вся работа программы фотошоп основана именно на алгоритмах этой цветовой модели (хотя большинство об этом и не подозревает). Цветовой охват Lab соответствует всем видимым нами цветам, поэтому почти половина из них не воспроизводится при печати, а пятая часть не воспроизводится монитором.
Освоить работу в Lab непросто, но владение даже несколькими приемами работы в этом пространстве позволяет выполнять такую коррекцию, которую либо невозможно произвести в других моделях, либо результат, полученный в Lab за несколько секунд, достигается с большими затратами усилий и времени.
В заключении хочу добавить, что какое бы цветовое пространство вы не выбрали для работы, это само по себе ничего не значит. Чтобы добиться хорошего результата, нужно четко знать принципы образования цветов каждой модели, и, разумеется, основы работы со всеми инструментами программы фотошоп.
Желаю творческих успехов!
Евгений Карташов
- Перевод
Я собираюсь совершить экскурс в историю науки о человеческом восприятии, которая привела к созданию современных видеостандартов. Также я попытаюсь объяснить часто используемую терминологию. Кроме того, я вкратце расскажу, почему типичный процесс создания игры со временем будет всё больше и больше напоминать процесс, используемый в киноиндустрии.
Пионеры исследований цветовосприятия
Сегодня мы знаем, что сетчатка человеческого глаза содержит три разных типа фоторецепторных клеток, называемых колбочками. Каждый из трёх типов колбочек содержит белок из семейства белков опсинов, который поглощает свет в различных частях спектра:Поглощение света опсинами
Колбочки соответствуют красной, зелёной и синей частям спектра и часто называются длинными (L), средними (M) и короткими (S) согласно длинам волн, к которым они наиболее чувствительны.
Одной из первых научных работ о взаимодействии света и сетчатки был трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Исаака Ньютона, написанный между 1670-1675 гг. У Ньютона была теория, что свет с различными длинами волн приводил к резонансу сетчатки с теми же частотами; эти колебания затем передавались через оптический нерв в «сенсориум».
«Лучи света, падая на дно глаза, возбуждают колебания в сетчатке, которые распространяются по волокнам оптических нервов в мозг, создавая чувство зрения. Разные типы лучей создают колебания разной силы, которые согласно своей силе возбуждают ощущения разных цветов…»
Больше чем через сотню лет Томас Юнг пришёл к выводу, что так как частота резонанса - это свойство, зависящее от системы, то чтобы поглотить свет всех частот, в сетчатке должно быть бесконечное количество разных резонансных систем. Юнг посчитал это маловероятным, и рассудил, что количество ограничено одной системой для красного, жёлтого и синего. Эти цвета традиционно использовались в субтрактивном смешивании красок. По его собственным словам :
Поскольку по причинам, указанным Ньютоном, возможно, что движение сетчатки имеет скорее колебательную, чем волновую природу, частота колебаний должна зависеть от строения её вещества. Так как почти невозможно полагать, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесконечное количество частиц, каждая из которых способна колебаться в идеальном согласии с любой возможной волной, становится необходимым предположить, что количество ограничено, например, тремя основными цветами: красным, жёлтым и синим…Предположение Юнга относительно сетчатки было неверным, но он сделал правильный вывод: в глазе существует конечное количество типов клеток.
В 1850 году Герман Гельмгольц первым получил экспериментальное доказательство теории Юнга. Гельмгольц попросил испытуемого сопоставить цвета различных образцов источников света, регулируя яркость нескольких монохромных источников света. Он пришёл к выводу, что для сопоставления всех образцов необходимо и достаточно трёх источников света: в красной, зелёной и синей части спектра.
Рождение современной колориметрии
Перенесёмся в начало 1930-х. К тому времени научное сообщество имело достаточно хорошее представление о внутренней работе глаза. (Хотя потребовалось ещё 20 лет, чтобы Джорджу Уолду удалось экспериментально подтвердить присутствие и функции родопсинов в колбочках сетчатки. Это открытие привело его к Нобелевской премии по медицине в 1967 году.) Commission Internationale de L"Eclairage (Международная комиссия по освещению), CIE, поставила задачу по созданию исчерпывающей количественной оценки восприятия цвета человеком. Количественная оценка была основана на экспериментальных данных, собранных Уильямом Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом при параметрах, схожих с выбранными впервые Германом Гельмгольцем. Базовыми настройками были выбраны 435,8 нм для синего цвета, 546,1 нм для зелёного и 700 нм для красного.
Экспериментальная установка Джона Гилда, три ручки регулируют основные цвета
Из-за значительного наложения чувствительности колбочек M и L невозможно было сопоставить некоторые длины волн с сине-зелёной частью спектра. Для «сопоставления» этих цветов в качестве точки отсчёта нужно было добавить немного основного красного цвета:
Если мы на мгновение представим, что все основные цвета вносят отрицательный вклад, то уравнение можно переписать так:
Результатом экспериментов стала таблица RGB-триад для каждой длины волны, что отображалось на графике следующим образом:
Функции сопоставления цветов RGB по CIE 1931
Разумеется, цвета с отрицательным красным компонентом невозможно отобразить с помощью основных цветов CIE.
Теперь мы можем найти трихромные коэффициенты для света распределения спектральной интенсивности S как следующее внутреннее произведение:
Может казаться очевидным, что чувствительность к различным длинам волн можно проинтегрировать таким образом, но на самом деле она зависит от физической чувствительности глаза, линейной по отношению к чувствительности к длинам волн. Это было эмпирически подтверждено в 1853 году Германом Грассманом, и представленные выше интегралы в современной формулировке известны нам как закон Грассмана.
Термин «цветовое пространство» возник потому, что основные цвета (красный, зелёный и синий) можно считать базисом векторного пространства. В этом пространстве различные цвета, воспринимаемые человеком, представлены лучами, исходящими из источника. Современное определение векторного пространства введено в 1888 году Джузеппе Пеано, но более чем за 30 лет до этого Джеймс Клерк Максвелл уже использовал только зародившиеся теории того, что позже стало линейной алгеброй, для формального описания трихроматической цветовой системы.
CIE решила, что для упрощения вычислений будет более удобно работать с цветовым пространством, в которой коэффициенты основных цветов всегда положительны. Три новых основных цвета выражались в координатах цветового пространства RGB следующим образом:
Этот новый набор основных цветов невозможно реализовать в физическом мире. Это просто математический инструмент, упрощающий работу с цветовым пространством. Кроме того, чтобы коэффициенты основных цветов всегда были положительными, новое пространство скомпоновано таким образом, что коэффициент цвета Y соответствует воспринимаемой яркости. Этот компонент известен как яркость CIE (подробнее о ней можно почитать в замечательной статье Color FAQ Чарльза Пойнтона (Charles Poynton)).
Чтобы упростить визуализацию итогового цветового пространства, мы выполним последнее преобразование. Разделив каждый компонент на сумму компонентов мы получим безразмерную величину цвета, не зависящую от его яркости:
Координаты x и y известны как координаты цветности, и вместе с яркостью Y CIE они составляют цветовое пространство xyY CIE. Если мы расположим на графике координаты цветности всех цветов с заданной яркостью, у нас получится следующая диаграмма, которая вам наверно знакома:
Диаграмма xyY CIE 1931
И последнее, что нужно узнать - что считается белым цветом цветового пространства. В такой системе отображения белый цвет - это координаты x и y цвета, которые получаются, когда все коэффициенты основных цветов RGB равны между собой.
С течением времени появилось несколько новых цветовых пространств, которые в различных аспектах вносили улучшения в пространства CIE 1931. Несмотря на это, система xyY CIE остаётся самым популярным цветовым пространством, описывающим свойства устройств отображения.
Передаточные функции
Прежде чем рассматривать видеостандарты, необходимо ввести и объяснить ещё две концепции.Оптико-электронная передаточная функция
Оптико-электронная передаточная функция (optical-electronic transfer function, OETF) определяет то, как линейный свет, фиксируемый устройством (камерой) должен кодироваться в сигнале, т.е. это функция формы:
Раньше V был аналоговым сигналом, но сейчас, разумеется, он имеет цифровое кодирование. Обычно разработчики игр редко сталкиваются с OETF. Один из примеров, в котором функция будет важна: необходимость сочетания в игре видеозаписи с компьютерной графикой. В этом случае необходимо знать, с какой OETF было записано видео, чтобы восстановить линейный свет и правильно смешать его с компьютерным изображением.
Электронно-оптическая передаточная функция
Электронно-оптическая передаточная функция (electronic-optical transfer, EOTF) выполняет противоположную OETF задачу, т.е. она определяет, как сигнал будет преобразован в линейный свет:
Эта функция более важна для разработчиков игр, потому что она определяет, как созданный ими контент будет отображаться экранах телевизоров и мониторов пользователей.
Отношение между EOTF и OETF
Понятия EOTF и OETF хоть и взаимосвязаны, но служат разным целям. OETF нужна для представления захваченной сцены, из которого мы потом можем реконструировать исходное линейное освещение (это представление концептуально является буфером кадра HDR (High Dynamic Range) обычной игры). Что происходит на этапах производства обычного фильма:- Захват данных сцены
- Инвертирование OETF для восстановления значений линейного освещения
- Цветокоррекция
- Мастеринг под различные целевые форматы (DCI-P3, Rec. 709, HDR10, Dolby Vision и т.д.):
- Уменьшение динамического диапазона материала для соответствия динамическому диапазону целевого формата (тональная компрессия)
- Преобразование в цветовой пространство целевого формата
- Инвертирование EOTF для материала (при использовании EOTF в устройстве отображения изображение восстанавливается как нужно).
До текущего момента стандартный техпроцесс игры выглядел следующим образом:
- Рендеринг
- Буфер кадра HDR
- Тональная коррекция
- Инвертирование EOTF для предполагаемого устройства отображения (обычно sRGB)
- Цветокоррекция
Стандартный рабочий процесс цветокоррекции SDR (изображение принадлежит Джонатану Блоу (Jonathan Blow))
После внедрения HDR большинство игр начало двигаться к техпроцессу, похожему на используемый в производстве фильмов. Даже при отсутствии HDR схожий с кинематографическим техпроцесс позволял оптимизировать работу. Выполнение цветокоррекции в HDR означает, что у вас есть целый динамический диапазон сцены. Кроме того, становятся возможными некоторые эффекты, которые раньше были недоступны.
Теперь мы готовы рассмотреть различные стандарты, используемые в настоящее время для описания форматов телевизоров.
Видеостандарты
Rec. 709
Большинство стандартов, относящихся к вещанию видеосигналов, выпущено Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), органом ООН, в основном занимающимся информационными технологиями.Рекомендация ITU-R BT.709 , которую чаще называют Rec. 709 - это стандарт, описывающий свойства HDTV. Первая версия стандарта была выпущена в 1990 году, последняя - в июне 2015 года. В стандарте описываются такие параметры, как соотношения сторон, разрешения, частота кадров. С этими характеристиками знакомо большинство людей, поэтому я не буду рассматривать их и сосредоточусь на разделах стандарта, касающихся воспроизведения цвета и яркости.
В стандарте подробно описана цветность, ограниченная цветовым пространством xyY CIE. Красный, зелёный и синий источники освещения соответствующего стандарту дисплея должны быть выбраны таким образом, чтобы их отдельные координаты цветности были следующими:
Их относительная интенсивность должна быть настроена таким образом, чтобы белая точка имела цветность
(Эта белая точка также известна как CIE Standard Illuminant D65 и аналогична захвату координат цветности распределения спектральной интенсивности обычного дневного освещения.)
Свойства цветности можно визуально представить следующим образом:
Охват Rec. 709
Область схемы цветности, ограниченная треугольником, созданным основными цветами заданной системы отображения, называется охватом.
Теперь мы переходим к части стандарта, посвящённой яркости, и здесь всё становится немного сложнее. В стандарте указано, что «Общая оптико-электронная передаточная характеристика в источнике» равна:
Здесь есть две проблемы:
- Не существует спецификации о том, чему соответствует физическая яркость L = 1
- Несмотря на то, что это стандарт вещания видео, в нём не указана EOTF
Где L = 1 соответствует яркость примерно 100 кд / м² (единицу кд / м² в этой отрасли называют «нит»). Это подтверждается ITU в последних версиях стандарта следующим комментарием:
В стандартной производственной практике функция кодирования источников изображения регулируется таким образом, чтобы конечное изображение имело требуемый вид, соответствующий видимому на эталонном мониторе. В качестве эталонной принимается функция декодирования из Рекомендации ITU-R BT.1886. Эталонная среда просмотра указана в Рекомендации ITU-R BT.2035.Rec. 1886 - это результат работ по документации характеристик ЭЛТ-мониторов (стандарт опубликован в 2011 году), т.е. является формализацией существующей практики.
Кладбище слонов ЭЛТ
Нелинейность яркости как функции приложенного напряжения привела к тому, как физически устроены ЭЛТ-мониторы. По чистой случайности эта нелинейность (очень) приблизительно является инвертированной нелинейностью восприятия яркости человеком. Когда мы перешли к цифровому представлению сигналов, это привело к удачному эффекту равномерного распределения ошибки дискретизации по всему диапазону яркости.
Rec. 709 рассчитана на использование 8-битного или 10-битного кодирования. В большинстве контента используется 8-битное кодирование. Для него в стандарте указано, что распределение диапазона яркости сигнала должно распределяться в кодах 16-235.
HDR10
Что касается HDR-видео, то в нём есть два основных соперника: Dolby Vision и HDR10. В этой статье я сосредоточусь на HDR10, потому что это открытый стандарт, который быстрее стал популярным. Этот стандарт выбран для Xbox One S и PS4.Мы снова начнём с рассмотрения используемой в HDR10 части цветности цветового пространства, определённой в Рекомендации ITU-R BT.2020 (UHDTV). В ней указаны следующие координаты цветности основных цветов:
И снова в качестве белой точки используется D65. При визуализации на схеме xy Rec. 2020 выглядит следующим образом:
Охват Rec. 2020
Очевидно заметно, что охват этого цветового пространства значительно больше, чем у Rec. 709.
Теперь мы переходим к разделу стандарта о яркости, и здесь снова всё становится более интересным. В своей кандидатской диссертации 1999 года “Contrast sensitivity of the human eye and its effect on image quality” («Контрастная чувствительность человеческого глаза и её влияние на качество изображения») Питер Бартен представил немного пугающее уравнение:
(Многие переменные этого уравнения сами по себе являются сложными уравнениями, например, яркость скрывается внутри уравнений, вычисляющих E и M).
Уравнение определяет, насколько чувствителен глаз к изменению контрастности при различной яркости, а различные параметры определяют условия просмотра и некоторые свойства наблюдателя. «Минимальная различаемая разница» (Just Noticeable Difference, JND) обратна уравнению Бартена, поэтому для дискретизации EOTF, чтобы избавиться от привязки к условиям просмотра, должно быть верно следующее:
Общество инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE) решило, что уравнение Бартена будет хорошей основой для новой EOTF. Результатом стало то, что мы сейчас называем SMPTE ST 2084 или Perceptual Quantizer (PQ).
PQ был создан выбором консервативных значений для параметров уравнения Бартена, т.е. ожидаемых типичных условий просмотра потребителем. Позже PQ был определён как дискретизация, которая при заданном диапазоне яркости и количестве сэмплов наиболее точно соответствует уравнению Бартена с выбранными параметрами.
Дискретизированные значения EOTF можно найти с помощью следующей рекуррентной формулы нахождения k < 1 . Последним значением дискретизации будет являться необходимая максимальная яркость:
Для максимальной яркости в 10 000 нит с использованием 12-битной дискретизации (которая используется в Dolby Vision) результат выглядит следующим образом:
EOTF PQ
Как можно заметить, дискретизация не занимает весь диапазон яркости.
В стандарте HDR10 тоже используется EOTF PQ, но с 10-битной дискретизацией. Этого недостаточно, чтобы оставаться ниже порога Бартена в диапазоне яркости в 10 000 нит, но стандарт позволяет встраивать в сигнал метаданные для динамической регуляции пиковой яркости. Вот как 10-битная дискретизация PQ выглядит для разных диапазонов яркости:
Разные EOTF HDR10
Но даже так яркость немного выше порога Бартена. Однако ситуация не настолько плоха, как это может показаться из графика, потому что:
- Кривая логарифмическая, поэтому относительная погрешность на самом деле не так велика
- Не стоит забывать, что параметры, взятые для создания порога Бартена, выбраны консервативно.
Вот пример того, как выглядит 8-битная дискретизация Rec. 709 с пиковой яркостью 100 нит:
EOTF Rec. 709 (16-235)
Как можно видеть, мы намного выше порога Бартена, и, что важно, даже самые неразборчивые покупатели будут настраивать свои телевизоры на значительно большие 100 нит пиковые яркости (обычно на 250-400 нит), что поднимет кривую Rec. 709 ещё выше.
В заключение
Одно из самых больших различий между Rec. 709 и HDR в том, что яркость последнего указывается в абсолютных значениях. Теоретически это означает, что контент, предназначенный для HDR, будет выглядеть одинаково на всех совместимых телевизорах. По крайней мере, до их пиковой яркости.Существует популярное заблуждение, что HDR-контент в целом будет ярче, но в общем случае это не так. HDR-фильмы чаще всего будут изготавливаться таким образом, чтобы средний уровень яркости изображения был тем же, что и для Rec. 709, но так, чтобы самые яркие участки изображения были более яркими и детальными, а значит, средние тона и тени будут более тёмными. В сочетании с абсолютными значениями яркости HDR это означает, что для оптимального просмотра HDR нужны хорошие условия: при ярком освещении зрачок сужается, а значит, детали на тёмных участках изображения будет сложнее разглядеть.
Теги:
Добавить меткиНа принципе такого деления света основан цветной телевизор или монитор Вашего компьютера. Если говорить очень грубо, то монитор, в который Вы сейчас смотрите состоит из огромного количества точек (их количество по вертикали и горизонтали определяет разрешение монитора) и в каждую эту точку светят по три "лампочки": красная, зеленая и синяя. Каждая "лампочка" может светить с разной яркостью, а может не светить вовсе. Если светит только синяя "лампочка" - мы видим синюю точку. Если только красная - мы видим красную точку. Аналогично и с зеленой. Если все лампочки светят с полной яркостью в одну точку, то эта точка получается белой, так как все градации этого белого опять собираются вместе. Если ни одна лампочка не светит, то точка кажется нам черной. Так как черный цвет - это отсутствие света. Сочетая цвета этих "лампочек", светящихся с различной яркостью можно получать различные цвета и оттенки.
Яркость каждой такой лампочки определяется интенсивностью (делением) от 0 (выключенная "лампочка") до 255 ("лампочка", светящая с полной "силой"). Такое деление цветов называется цветовой моделью RGB от первых букв слов "RED" "GREEN" "BLUE" (красный, зеленый, синий).
Таким образом белый цвет нашей точки в цветовой модели RGB можно записать в следующем виде:
R (от слова "red", красный) - 255
G (от слова "green", зеленый) - 255
B (от слова "blue", синий) - 255
"Насыщенный" красный будет выглядеть так:
Желтый цвет будет иметь следующий вид:
Так же, для записи цвета в rgb, используют шестнадцатеричную систему. Показали интенсивности запмсывают по порядку #RGB:
Белый - #ffffff
Красный - #ff0000
Черный - #00000
Желтый - #ffff00
Цветовая модель CMYK
Итак, теперь мы знаем, каким хитрым способом наш компьютер передает нам цвет той или иной точки. Давайте теперь воспользуемся приобретенными знаниями и попробуем получить белый цвет с помощью красок. Для этого купим в магазине гуашь, возьмем баночки с красной, синей и зеленой краской, и смешаем их. Получилось? И у меня нет.
Проблема в том, что наш монитор излучает свет, то есть светится, но в природе многие объекты не обладают таким свойством. Они попросту отражают белый свет, который на них падает. Причем если предмет отражает весь спектр белого света, то мы видим его белым, а если же часть этого света им поглощается - то не совсем.
Примерно так: мы светим на красный предмет белым светом. Белый свет можно представить как R-255 G-255 B-255. Но предмет не хочет отражать весь свет, который мы на него направили, и нагло ворует у нас все оттенки зеленого и синего. В итоге отражает только R-255 G-0 B-0. Именно поэтому он нам и кажется красным.
Так что для печати на бумаге весьма проблематично пользоваться цветовой моделью RGB. Для этого, как правило, используется цветовую модель CMY (цми) или CMYK (цмик). Цветовая модель CMY основана на том, что сам по себе лист бумаги белый, то есть отражает практически весь спектр RGB, а краски, наносимые на нее, выступают в качестве фильтров, каждый из которых "ворует" свой цвет (либо red, либо green, либо blue). Таким образом цвета этих красок определяются вычитанием из белого по одному цветов RGB. Получаются цвета Cyan (что-то вроде голубого), Magenta (можно сказать, розовый), Yellow (желтый).
И если в цветовой модели RGB градация каждого цвета происходила по яркости от 0 до 255, то в цветовой модели CMYK у каждого цвета основным значением является "непрозрачность" (количество краски) и определяется процентами от 0% до 100%.
Таким образом, белый цвет можно описать так:
C (cyan) - 0%; M (magenta) - 0%; Y (yellow) - 0%.
Красный - C-0%; M-100%; Y-100%.
Зеленый - C-100%; M-0%; Y-100%.
Синий - C-100%; M-100%; Y-0%.
Черный - C-100%; M-100%; Y-100%.
Однако, это возможно только в теории. А на практике же обойтись цветами CMY не получается. И черный цвет при печати получается скорее грязно-коричневым, серый не похож сам на себя, а темные оттенки цветов создать проблематично. Для урегулирования конечного цвета используется еще одна краска. Отсюда и последняя буква в названии CMYK (ЦМИК). Расшифровка этой буквы может быть разной:
Это может быть сокращение от blacK (черный). И в сокращении используется именно последняя буква, чтобы не спутать этот цвет с цветом Blue в модели RGB;
Печатники очень часто употребляют слово "Контур" относительно этого цвета. Так что возможно, что буква K в абревиатуре CMYK (ЦМИК) - это сокращение от немецкого слова "Kontur";
Так же это может быть сокращение от Key-color (ключевой цвет).
Однако ключевым его назвать сложно, так как он является скорее дополнительным. И на черный этот цвет не совсем похож. Если печатать только этой краской изображение получается скорее серое. Поэтому некоторые придерживаются мнение, что буква K в обревиатуре CMYK означает "Kobalt" (темно-серый, нем.).
Как правило, используется для обозначения этого цвета термин "black" или "черный".
Печать с использованием цветов CMYK называют "полноцветной" или "триадной".
*Стоит, наверное, сказать, что при печати CMYK (ЦМИК) краски не смешиваются. Они ложатся на бумагу "пятнами" (растром) одна рядом с другой и смешиваются уже в воображении человека, потому что эти "пятна" очень малы. То есть изображение растрируется, так как иначе краска, попадая одна на другую, расплывается и образуется муар или грязь. Существует несколько разных способов растрирования.
Цветовая модель grayscale
Изображение в цветовой модели grayscale многие ошибочно называют черно-белым. Но это не так. Черно-белое изображение состоит только из черных и белых тонов. В то время, как grayscale (оттенки серого) имеет 101 оттенок. Это градация цвета Kobalt от 0% до 100%.
Аппаратно-зависимые и аппаратно-независимые цветовые модели
Цветовые модели CMYK и RGB являются аппаратно-зависимыми, то есть они зависят от способа передачи нам цвета. Они указывают конкретному устройству, как использовать соответствующие им красители, но не имеют сведений о восприятии конечного цвета человеком. В зависимости от настроек яркости, контрастности и резкости монитора компьютера, освещенности помещения, угла, под которым мы смотрим на монитор, цвет с одними и теми же параметрами RGB воспринимается нами по-разному. А восприятие человеком цвета в цветовой модели "CMYK" зависит от еще большего ряда условий, таких как свойства запечатываемого материала (например, глянцевая бумага впитывает меньше краски, чем матовая, соответственно цвета на ней получаются более яркие и насыщенные), особенности краски, влажности воздуха, при котором сохла бумага, характеристик печатного станка…
Чтобы передать человеку более достоверную информацию о цвете, к аппаратно-зависимым цветовым моделям прикрепляют так называемые цветовые профили. Каждый из такого профиля содержит информацию о конкретном способе передачи человеку цвета и регулирует конечный цвет с помощью добавления или изъятия из какого-либо составляющего первоначального цвета параметров. Например, для печати на глянцевой пленке используется цветовой профиль, убирающий 10% Cyan и добавляющий 5% Yellow к первоначальному цвету, из-за особенностей конкретной печатной машины, самой пленки и прочих условий. Однако даже прикрепленные профили не решают всех проблем передачи нам цвета.
Аппаратно-независимые цветовые модели не несут в себе сведений для передачи цвета человеку. Они математически описывают цвет, воспринимаемый человеком с нормальным цветным зрением.
Цветовые модели HSB и HLS
В основе этого цветового пространства лежит уже знакомое нам радужное кольцо RGB. Цвет управляется изменением таких параметров, как:
Hue - оттенок или тон;
Saturation - насыщенность цвета;
Brightness - яркость.
Параметр hue - это цвет. Определяется градусами от 0 до 360 исходя из цветов радужного кольца.
Параметр saturation - процент добавления к этому цвету белой краски имеет значение от 0% до 100%.
Параметр Brightness - процент добавления черной краски так же изменяется от 0% до 100%.
Принцип похож на одно из представлений света с точки зрения изобразительного искусства. Когда в уже имеющиеся цвета добавляют белую или черную краску.
Это самая простая для понимания цветовая модель, поэтому ее очень любят многие web-дизайнеры. Однако она имеет ряд недостатков:
Глаз человека воспринимает цвета радужного кольца, как цвета, имеющие различную яркость. Например, спектральный зелёный имеет большую яркость, чем спектральный синий. В цветовой модели HSB все цвета этого круга считаются обладающими яркостью в 100%, что, к сожалению, не соответствует действительности.
Так как в её основе лежит цветовая модель RGB, она, все же является аппаратно-зависимой.
Эта цветовая модель конвертируется для печати в CMYK и конвертируется в RGB для отображения на мониторе. Так что догадаться, каким у вас в конечном счете получится цвет бывает весьма проблематично.
Аналогична этой модели цветовая модель HLS (расшифровка: hue, lightness, saturation).
Иногда используются для коррекции света и цвета в изображении.
Цветовая модель LAB
В этой цветовой модели цвет состоит из:
Luminance - освещенность. Это совокупность понятий яркость (lightness) и интенсивность (chrome)
A - это цветовая гамма от зеленного до пурпурного
B - цветовая гамма от голубого до желтого
То есть двумя показателями в совокупности определяется цвет и одним показателем определяется его освещенность.
LAB - Это аппаратно-независимая цветовая модель, то есть она не зависит от способа передачи нам цвета. Она содержит в себе цвета как RGB так и CMYK, и grayscale, что позволяет ей с минимальными потерями конвертировать изображение из одной цветовой модели в другую.
Еще одним достоинством является то, что она, в отличие от цветовой модели HSB, соответствует особенностям восприятия цвета глазом человека.
Часто используется для улучшения качества изображения, и конвертирования изображений из одного цветового пространства в другое.