Что такое цветопередача и как она работает

Что такое цвет

Большинство людей воспринимают цвет в соответствии со школьным курсом физики. Там нам объясняли, что белый цвет на самом деле представляет собой смесь семи цветов радуги, и наглядно демонстрировали это с помощью стеклянной призмы.

Дальше мы вспоминаем, что свет — это волна, а у волны есть длина. Получается, что цвет — это световая волна с определенной длиной. Даже таблички соответствующие имеются в великом множестве, и выглядят они примерно так:

Вроде бы все просто и понятно, но на самом деле нет. У световой волны есть не только длина, но и интенсивность, и свет с длиной волны 675 нм в зависимости от интенсивности будет восприниматься как красно-коричневый или как алый.

Возможно, вы скажете, что не нужно усложнять, потому что цвет — это свойство поверхности. Стена, покрашенная в зеленый цвет, — зеленая, а в серый — серая. Чтобы увидеть это, измерять длину волны совершенно необязательно. Правда, если взглянуть на серую стену, освещенную закатным солнцем, цвет ее будет казаться золотисто-оранжевым.

А еще давайте вспомним, как в детстве «смотрели мультики», закрывая глаза и надавливая на глазные яблоки. Или как перед глазами мелькали картинки (искры из глаз) после сильного удара головой.

Получается, что цвет — это не просто волна определенной длины или свойство поверхности. Цвет — это ощущение, которое возникает в сознании человека при воздействии на зрительный аппарат различных факторов — электромагнитного излучения определенного диапазона, ударов и прикосновений, болезней, галлюцинаций.

Таким образом, цвет — это наши ощущения. Цвет не может существовать без наблюдателя, то есть без нас с вами.

Как видит цвет человек

Цветовые ощущения возникают в зрительном нерве. Основной источник этих ощущений — зрительный аппарат, те самые палочки и колбочки, о которых рассказывали на школьных уроках биологии. Это светочувствительные клетки внутри глаза, которые передают сигнал зрительному нерву, а тот отправляет его на обработку в мозг.

Хотя все люди разные, цветовые ощущения у нас по большей части совпадают. Но это нисколько не упрощает задачу измерения, потому что предмет измерений — ощущение. Что, собственно, вообще нужно измерять?

Решением этого вопроса озадачились в тридцатые годы прошлого века производители красок. Их заинтересованность вполне объяснима: понятная и прозрачная методика измерения цвета краски позволила бы контролировать качество продукции разных производителей, подбирать нужные цвета по каталогу и делать прочие удобные и привычные для нас вещи.

Чтобы решить проблему, они профинансировали исследование, которое провела Международная комиссия по освещению (Communication Internationale de l`Eclairage, CIE). Вот как это измеряли ощущения:

• на экран проецировалось два световых пятна — одно из них представляло собой спектрально чистый цвет, то есть один из цветов радуги, его получали с помощью стеклянной призмы;

• второе пятно образовывалось как смесь трех лучей белого света, пропущенных через цветные фильтры — красный, зеленый и синий; пропорции, в которых смешивались эти лучи, можно было изменять с помощью трех регуляторов;

• от участника исследования требовалось, вращая регуляторы, добиться, чтобы цвет второго, «смешанного», пятна света стал таким же, как цвет первого, спектрально чистого, пятна;

• как только участник добивался нужного результата, лаборант записывал значения регуляторов в журнал.

В исследовании приняло участие несколько сотен человек. Результаты усреднили, получив цветовые ощущения, вызываемые чистыми цветами, расположенными на всем протяжении видимого спектра — от фиолетового до красного. Таким образом, CIE удалось измерить ощущения, вызываемые цветом. Результатом измерения стали три числа — уровни красного, зеленого и синего, которые при смешении вызывают у большинства людей ощущение строго определенного цвета.

Эксперимент CIE стал фундаментом современной колориметрии — науки об измерениях цвета. Собранные в ходе эксперимента данные назвали цветовой координатной системой CIE RGB (по названиям цветов Red, Green, Blue).

Любопытно, что цветовых координат не существует как физического явления — пространство, в котором существуют эти координаты, — воображаемое. Впрочем, математически они вполне реальны. Если повторить эксперимент CIE, получим те же результаты.

В отличие от людей, устройства, которые работают с цветом, не испытывают цветовых ощущений. Все, что они могут, — это регистрировать или воспроизводить спектры света, которые вызывают ощущения у людей, причем в ограниченном диапазоне. Этот диапазон называют цветовым охватом.

Как видит и показывает цвет техника

Техника в основном смешивает три базовых цвета и, изменяя их соотношение, получает нужный оттенок. Чтобы разобраться, почему так, придется заглянуть в прошлое.

Наскальные рисунки — свидетельство того, что с древних времен люди смешивали различные красители, чтобы отраженный от изображения свет вызывал нужное цветовое ощущение. Примерно три-четыре тысячелетия назад были известны три цвета красящих веществ: красный, зеленый и синий. Со временем художники создали целые эмпирические учения, в которых описывались секретные способы смешивания нескольких базовых красок.

Постепенно выяснилось, что практически все цвета можно передать с помощью трех базовых красителей. Это могут быть или красный, зеленый и синий, или голубой, пурпурный и желтый. Возможны и другие варианты, но исторически используются именно эти наборы базовых цветов, и при помощи базовых спектральных цветов моделируется некий спектр, который вызовет заданное цветовое ощущение.

И сегодня в практике цветовоспроизведения используются две широко известных модели: RGB и CMY. В модели RGB используются цвета красный (Red), зеленый (Green) и синий (Blue), а в модели CMY — голубой (Cyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow).

Мониторы, смартфоны и телевизоры используют модель RGB — в них цвет создается при смешивании красных, зеленых и синих светящихся элементов. Результат цветовоспроизведения во многом зависит от работы управляющей электроники и программного обеспечения.

Любое из этих устройств способно вызвать лишь ограниченную часть цветовых ощущений. Причем точность воспроизведения цветов остается под большим вопросом. Почему? Все очень просто. Яркость и цвет каждого конкретного светодиода в матрице экрана могут пусть незначительно, но различаться. В результате нет никаких гарантий, что он вызовет цветовые ощущения, идеально соответствующие заданным.

При воспроизведении изображений на бумаге или другой поверхности обычно используется цветовая модель CMY, и здесь ситуация еще сложнее. В отличие от мониторов и дисплеев смартфонов, которые излучают свет, бумага свет не излучает. Краски, которые наносятся на бумагу, поглощают большую часть спектра, отражая лишь «свой» цвет с нужной длиной волны.

Принтеры, печатные станки и другие аппараты, использующие краски, воспроизводят цвет, нанося краски в определенном соотношении на целевую поверхность. Получить настоящий черный цвет с помощью красок модели CMY практически невозможно, поэтому полиграфисты используют «доработанную» модель CMYK. В ней к голубому, пурпурному и желтому цвету добавлен черный. В полиграфии его называют ключевым цветом — Key color, поэтому он обозначается буквой K.

Добавление черного цвета лишь незначительно улучшило качество печати. Чтобы еще увеличить цветовой охват, разработали более совершенные цветовые модели. Например, модель Hexachrome, сегодня вышедшая из употребления, представляет собой CMYK с добавлением оранжевого и зеленого цветов. Цветные струйные принтеры используют цветовые модели, в которых может быть до восьми базовых красителей. Но все-таки самая популярная сегодня модель для струйников — это шестицветная Photoink: голубой (Cyan), светло-голубой (Light Cyan), пурпурный (Magenta), светло-пурпурный (Light Magenta), желтый (Yellow), черный (Black).

Профили устройства

Цветовая модель RGB не учитывает особенности конкретного устройства. А это значит, что в общем случае фотографии одной и той же сцены разными камерами будут различаться — просто потому, что датчики камер имеют некоторый разброс характеристик, который в результате приводит к пусть незначительным, но отличиям в оцифрованных данных.

Потом мы копируем фотографии на компьютер, ноутбук, смотрим их на телевизоре. И каждый раз одна и та же фотография выглядит по-разному: где-то она совсем темная, где-то совсем бледная, а где-то бросается в глаза желтизна. Почему так происходит?

Чтобы добиться одинакового отображения цветов, нужно учитывать аппаратные особенности каждого конкретного устройства. Решили эту задачу с помощью профилей — набора характеристик устройства, влияющих на передачу цвета.

Для мониторов и принтеров профиль представляет собой файл с расширением ICM или ICC. В этом файле могут содержаться таблицы компенсации искажений устройства, таблицы преобразования, цветовые координаты точки белого и точки черного, указание на цветовую координатную систему графического редактора и другие служебные данные.

Используя данные о цвете и профиль целевого устройства, модуль-интерпретатор цветовых профилей (CMM) графического редактора может вычислить аппаратные данные и передать его устройству, которое в точности отобразит правильные цвета. Разумеется, если они не выходят за границы его цветового охвата.

Что такое калибровка

ЖК-дисплей монитора состоит из светодиодов, характеристики светоотдачи и цветопередачи которых могут немного меняться со временем. Чтобы вернуть картинке былую яркость, проводят процедуру калибровки с помощью специальных устройств — колориметров или спектрофотометров.

Калибровка позволяет получить корректную цветовую картинку на мониторе или на печати. Результат калибровки — файл цветового профиля, который в дальнейшем используется для вывода изображения на экран или на печать.

Коварство цветового охвата

Полный набор цветовых ощущений, которые может зафиксировать или воспроизвести устройство, называют цветовым охватом.

Если перевести цветовой охват в цифры, то картина может выглядеть примерно так:

• человек видит красный цвет в диапазоне от 0 до 255;
• камера может зафиксировать красный цвет в диапазоне от 50 до 180;
• дисплей монитора может отобразить красный цвет в диапазоне от 60 до 155.

В реальности все намного сложнее, но для понимания достаточно того, что одни устройства могут воспроизвести меньший диапазон цветов, чем другие. И тут возникает вопрос: что делать с цветами, которые не помещаются в цветовой охват? С теми, которые дисплей просто не в состоянии отобразить?

Для этого приходится решать непростую задачу: втиснуть все многообразие цветов оригинала в более узкий цветовой охват монитора или принтера. Для этого нужно сформировать цветовые ощущения, максимально близкие к исходной картинке, пожертвовав точностью передачи цвета.

В ходе этого процесса используются «сырые» данные об изображении, собранные матрицей камеры, цветовой профиль камеры и объектива, а также цветовой профиль экрана. Для этого имеются различные алгоритмы: относительный колориметрический, перцептуальный, абсолютный колориметрический и метод приоритета насыщенности.

Именно на этапе «сжатия» цветового охвата возникают несоответствия в воспроизведении цветов, поскольку большинство устройств имеет ограниченный цветовой охват, а охваты разных устройств не совпадают между собой. Из-за этого не получится отобразить на экране монитора такой же голубой цвет, как на распечатке струйного принтера, а на отпечатанной в типографии брошюре не будет такого глубокого синего, как на мониторе.

Упростить работу с цветом помогла абстракция: вместо того чтобы подстраиваться при обработке изображений под каждое конкретное устройство, разбираться с потерями цвета и пытаться получить картинку приемлемого качества, решили использовать идеализированные RBG-устройства.

Первыми абстрактными RGB-устройствами стали Apple RGB и sRGB. Разработанные для них цветовые профили представляли собой обобщенный компьютерный монитор для платформ Mac и PC соответственно.

Принятие этого стандарта значительно упростило работу с цветом и дало толчок к дальнейшему развитию этого направления. В 1998 году компания Adobe представила свое абстрактное устройство — Adobe RGB. В отличие от предшественников, это устройство не пыталось подстроиться под возможности реальных мониторов и печатающих устройств, а, напротив, обладало огромным цветовым охватом. Благодаря этому можно при работе с изображениями переходить от цветовой модели RGB к цветовым координатам и обратно, не боясь потерять цвета из-за недостаточного охвата целевого устройства.

Хотя возможностей Adobe RGB уже было вполне достаточно даже для профессионального применения, нашлись те, кому хотелось большего. В результате появилось абстрактное устройство ProPhoto RGB cо сверхшироким цветовым охватом. Его цветовой профиль используется при работе над печатными макетами высшего качества, при глубокой ретуши и сложной цветокоррекции изображений.

Коротко о самом важном

Прежде чем перейти к практическим советам, давайте повторим главное:

1. Цвет — это ощущение, которое появляется у человека под воздействием света с определенной длиной волны и других факторов.

2. Одно и то же цветовое ощущение может быть получено не только при воздействии «чистого» света, но и при смешивании различных цветовых лучей.

3. Ощущение цвета удалось измерить с помощью эксперимента международной комиссии по цвету. Результатом стала представленная в 1931 году цветовая координатная система CIE RGB и колориметрия как наука.

4. Весь диапазон цветовых ощущений, которые может испытывать человек, называют цветовым пространством.

5. Устройства не испытывают ощущений, но могут их фиксировать (камеры) или воспроизводить (мониторы, принтеры).

6. Диапазон цветов, которые в состоянии воспроизвести или зафиксировать устройство, называют цветовым охватом. Цветовой охват любого физического устройства меньше цветового пространства.

7. Устройства фиксации (камеры) собирают набор «сырых» данных о цвете — тот самый RAW у профессиональных и полупрофессиональных камер. Для их отображения требуется преобразовать информацию о цвете в соответствии с возможностями устройства вывода (монитора, принтера и т. п.).

8. Учесть аппаратные особенности каждого конкретного устройства помогают цветовые профили — набор характеристик устройства, влияющих на передачу цвета. Для создания профиля устройство калибруют с помощью специального прибора.

9. Из-за разницы в цветовом охвате различных устройств при обработке изображений могут происходить потери и искажения цвета.

10. Чтобы избежать потерь цвета при обработке, были разработаны абстрактные профили идеальных устройств: sRGB, Adobe RGB и другие. Их цветовой охват больше любого реального устройства, поэтому информация о цвете сохраняется без искажений.

Практические рекомендации

В большинстве случаев при работе с изображениями вполне достаточно цветового профиля sRGB, который позволяет отобразить 16,7 млн цветов. Причина в том, что цветовой охват большинства мониторов меньше, чем sRGB. В обзорах обычно используют относительный охват, например 96% от sRGB. У дешевых моделей он может быть намного меньше.

Если вы не ограничены в средствах и заинтересованы в наилучшем возможном результате, можно подобрать себе монитор с поддержкой профиля Adobe RGB, который позволяет отобразить намного больше цветов: если sRGB охватывает 35% видимых цветов из цветовой координатной системы CIE, то Adobe RGB — более 50%. Впрочем, для публикации в интернете картинок, которые будут смотреть на экранах, даже sRGB поддерживающих не полностью, это избыточно.

Чтобы получить качественную цветовую картинку, стоит установить драйверы для вашей модели монитора. Они включают в себя файл цветового профиля, содержащий информацию для правильного преобразования цветов в соответствии с возможностями устройства.

Если после этого цвета все еще кажутся вам неправильными, попробуйте выполнить калибровку экрана средствами операционной системы. В случае если и это не помогло, можно задуматься о калибровке с помощью специального устройства.