О цветовых пространствах / Habr

Я по образованию программист, но по работе мне пришлось столкнуться с обработкой изображений. И тут для меня открылся удивительный и неизведанный мир цветовых пространств. Не думаю, что дизайнеры и фотографы узнают для себя что-то новое, но, возможно, кому-нибудь это знание окажется, как минимум полезно, а в лучшем случае интересно.

Основная задача цветовых моделей – сделать возможным задание цветов унифицированным образом. По сути цветовые модели задают определённые системы координат, которые позволяют однозначно определить цвет.

Наиболее популярными на сегодняшний день являются следующие цветовые модели: RGB (используется в основном в мониторах и камерах), CMY(K) (используется в полиграфии), HSI (широко используется в машинном зрении и дизайне). Существует множество других моделей. Например, CIE XYZ (стандартные модели), YCbCr и др. Далее дан краткий обзор этих цветовых моделей.

Цветовой куб RGB

Из закона Грассмана возникает идея аддитивной (т.е. основанной на смешении цветов от непосредственно излучающих объектов) модели цветовоспроизведения. Впервые подобная модель была предложена Джеймсом Максвеллом в 1861 году, но наибольшее распространение она получила значительно позже.

В модели RGB (от англ. red – красный, green – зелёный, blue – голубой) все цвета получаются путём смешения трёх базовых (красного, зелёного и синего) цветов в различных пропорциях. Доля каждого базового цвета в итоговом может восприниматься, как координата в соответствующем трёхмерном пространстве, поэтому данную модель часто называют цветовым кубом. На Рис. 1 представлена модель цветового куба.

Чаще всего модель строится так, чтобы куб был единичным. Точки, соответствующие базовым цветам, расположены в вершинах куба, лежащих на осях: красный – (1;0;0), зелёный – (0;1;0), синий – (0;0;1). При этом вторичные цвета (полученные смешением двух базовых) расположены в других вершинах куба: голубой — (0;1;1), пурпурный — (1;0;1) и жёлтый – (1;1;0). Чёрный и белые цвета расположены в начале координат (0;0;0) и наиболее удалённой от начала координат точке (1;1;1). Рис. показывает только вершины куба.

Цветные изображения в модели RGB строятся из трёх отдельных изображений-каналов. В Табл. показано разложение исходного изображения на цветовые каналы.

В модели RGB для каждой составляющей цвета отводится определённое количество бит, например, если для кодирования каждой составляющей отводить 1 байт, то с помощью этой модели можно закодировать 2^(3*8)≈16 млн. цветов. На практике такое кодирование избыточно, т.к. большинство людей не способно различить такое количество цветов. Часто ограничиваются т.н. режимом «High Color» в котором на кодирование каждой компоненты отводится 5 бит. В некоторых приложениях используют 16-битный режим в котором на кодирование R и B составляющих отводится по 5 бит, а на кодирование G составляющей 6 бит. Этот режим, во-первых, учитывает более высокую чувствительность человека к зелёному цвету, а во-вторых, позволяет более эффективно использовать особенности архитектуры ЭВМ. Количество бит, отводимых на кодирование одного пиксела называется глубиной цвета. В Табл. приведены примеры кодирования одного и того же изображения с разной глубиной цвета.

Субтрактивные модели CMY и CMYK

Субтрактивная модель CMY (от англ. cyan — голубой, magenta — пурпурный, yellow — жёлтый) используется для получения твёрдых копий (печати) изображений, и в некотором роде является антиподом цветового RGB-куба. Если в RGB модели базовые цвета – это цвета источников света, то модель CMY – это модель поглощения цветов.

Например, бумага, покрытая жёлтым красителем не отражает синий свет, т.е. можно сказать, что жёлтый краситель вычитает из отражённого белого света синий. Аналогично голубой краситель вычитает из отражённого света красный, а пурпурный краситель вычитает зелёный. Именно поэтому данную модель принято называть субтрактивной. Алгоритм перевода из модели RGB в модель CMY очень прост:

При этом предполагается, что цвета RGB находятся в интервале [0;1]. Легко заметить, что для получения чёрного цвета в модели CMY необходимо смешать голубой, пурпурный и жёлтый в равных пропорциях. Этот метод имеет два серьёзных недостатка: во-первых, полученный в результате смешения чёрный цвет будет выглядеть светлее «настоящего» чёрного, во-вторых, это приводит к существенным затратам красителя. Поэтому на практике модель СMY расширяют до модели CMYK, добавляя к трём цветам чёрный (англ. black).

Цветовое пространство тон, насыщенность, интенсивность (HSI)

Рассмотренные ранее цветовые модели RGB и CMY(K) весьма просты в плане аппаратной реализации, но у них есть один существенный недостаток. Человеку очень тяжело оперировать цветами, заданными в этих моделях, т.к. человек, описывая цвета, пользуется не содержанием в описываемом цвете базовых составляющих, а несколько иными категориями.

Чаще всего люди оперируют следующими понятиями: цветовой тон, насыщенность и светлота. При этом, говоря о цветовом тоне, обычно имеют в виду именно цвет. Насыщенность показывает насколько описываемый цвет разбавлен белым (розовый, например, это смесь красного и белого). Понятие светлоты наиболее сложно для описания, и с некоторыми допущениями под светлотой можно понимать интенсивность света.

Если рассмотреть проекцию RGB-куба в направлении диагонали белый-чёрный, то получится шестиугольник:

Все серые цвета (лежащие на диагонали куба) при этом проецируются в центральную точку. Чтобы с помощью этой модели можно было закодировать все цвета, доступные в RGB-модели, необходимо добавить вертикальную ось светлоты (или интенсивности) (I). В итоге получается шестигранный конус:

При этом тон (H) задаётся углом относительно оси красного цвета, насыщенность (S) характеризует чистоту цвета (1 означает совершенно чистый цвет, а 0 соответствует оттенку серого). Важно понимать, что тон и насыщенность не определены при нулевой интенсивности.

Алгоритм перевода из RGB в HSI можно выполнить, воспользовавшись следующими формулами:

Цветовая модель HSI очень популярна среди дизайнеров и художников, т.к. в этой системе обеспечивается непосредственный контроль тона, насыщенности и яркости. Эти же свойства делают эту модель очень популярной в системах машинного зрения. В Табл. показано изменение изображения при увеличении и уменьшении интенсивности, тона (выполняется поворот на ±50°) и насыщенности.

Модель CIE XYZ

С целью унификации была разработана международная стандартная цветовая модель. В результате серии экспериментов международная комиссия по освещению (CIE) определила кривые сложения основных (красного, зелёного и синего) цветов. В этой системе каждому видимому цвету соответствует определённое соотношение основных цветов. При этом, для того, чтобы разработанная модель могла отражать все видимые человеком цвета пришлось ввести отрицательное количество базовых цветов. Чтобы уйти от отрицательных значений CIE, ввела т.н. нереальные или мнимые основные цвета: X (мнимый красный), Y (мнимый зелёный), Z (мнимый синий).

При описании цвета значения X,Y,Z называют стандартными основными возбуждениями, а полученные на их основе координаты – стандартными цветовыми координатами. Стандартные кривые сложения X(λ),Y(λ),Z(λ) (см. Рис.) описывают чувствительность среднестатистического наблюдателя к стандартным возбуждениям:

Помимо стандартных цветовых координат часто используют понятие относительных цветовых координат, которые можно вычислить по следующим формулам:

Легко заметить, что x+y+z=1, а это значит, что для однозначного задания относительных координат достаточно любой пары значений, а соответствующее цветовое пространство может быть представлено в виде двумерного графика:

Множество цветов, задаваемое таким способом, называют треугольником CIE.
Легко заметить, что треугольник CIE описывает только цветовой тон, но никак не описывает яркость. Для описания яркости вводят дополнительную ось, проходящую через точку с координатами (1/3;1/3) (т.н. точку белого). В результате получают цветовое тело CIE (см. Рис.):

Это тело содержит все цвета, видимые среднестатистическим наблюдателем. Основным недостатком этой системы является то, что используя её, мы можем констатировать только совпадение или различие двух цветов, но расстояние между двумя точками этого цветового пространства не соответствует зрительному восприятию различия цветов.

Модель CIELAB

Основной целью при разработке CIELAB было устранение нелинейности системы CIE XYZ с точки зрения человеческого восприятия. Под аббревиатурой LAB обычно понимается цветовое пространство CIE L*a*b*, которое на данный момент является международным стандартом.

В системе CIE L*a*b координата L означает светлоту (в диапазоне от 0 до 100), а координаты a,b – означают позицию между зелёным-пурпурным, и синим-жёлтым цветами. Формулы для перевода координат из CIE XYZ в CIE L*a*b* приведены ниже:

где (Xn,Yn,Zn) – координаты точки белого в пространстве CIE XYZ, а

На Рис. представлены срезы цветового тела CIE L*a*b* для двух значений светлоты:

По сравнению с системой CIE XYZ Евклидово расстояние (√((L1-L2 )^2+(a1^*-a2^* )^2+(b1^*-b2^* )^2 )) в системе CIE L*a*b* значительно лучше соответствует цветовому различию, воспринимаемому человеком, тем не менее, стандартной формулой цветового различия является чрезвычайно сложная CIEDE2000.

Телевизионные цветоразностные цветовые системы

В цветовых системах YIQ и YUV информация о цвете представляется в виде сигнала яркости (Y) и двух цветоразностных сигналов (IQ и UV соответственно).

Популярность этих цветовых систем обусловлена в первую очередь появлением цветного телевидения. Т.к. компонента Y по сути содержит исходное изображение в градациях серого, сигнал в системе YIQ мог быть принят и корректно отображён как на старых чёрно-белых телевизорах, так и на новых цветных.

Вторым, возможно более важным плюсом, этих пространств является разделение информации о цвете и яркости изображения. Дело в том, что человеческий глаз весьма чувствителен к изменению яркости, и значительно менее чувствителен к изменению цветности. Это позволяет передавать и хранить информацию о цветности с пониженной глубиной. Именно на этой особенности человеческого глаза построены самые популярные на сегодняшний день алгоритмы сжатия изображений (в т.ч. jpeg). Для перевода из пространства RGB в YIQ можно воспользоваться следующими формулами:

habr.com

Цветовое пространство • ru.knowledgr.com

Цветовое пространство — определенная организация цветов. В сочетании с физическим профилированием устройства это допускает восстанавливаемые представления цвета, и в аналоговых и в цифровых представлениях. Цветовое пространство может быть произвольным, с особыми цветами, назначенными на ряд физических цветных образчиков и соответствующих назначенных имен или чисел такой как с системой Pantone, или структурированный математически, как с Adobe RGB или sRGB. Цветная модель — абстрактная математическая модель, описывающая способ, которым цвета могут быть представлены как кортежи чисел (например, три кортежа в RGB или четыре в CMYK), однако цветная модель без связанной функции отображения к абсолютному цветовому пространству — более или менее произвольная цветовая система без связи с любой глобально понятой системой цветной интерпретации. Добавление определенной функции отображения между цветной моделью и справочным цветовым пространством устанавливает в пределах справочного цветового пространства, которое моделирует определенный «след», известный как гамма, и для данного цвета, это определяет цветовое пространство. Например, Adobe RGB и sRGB — два различных абсолютных цветовых пространства, оба основанные на модели цвета RGB. Определяя цветовое пространство, обычный справочный стандарт — CIELAB или цветовые пространства CIEXYZ, которые были специально предназначены, чтобы охватить все цвета, которые видит средний человек.

Так как «цветовое пространство» — более конкретный термин, определяя особую комбинацию цветной модели и нанося на карту функцию, это имеет тенденцию использоваться неофициально, чтобы определить цветную модель, начиная с идентификации, что цветовое пространство автоматически определяет связанную цветную модель, однако это использование строго неправильное. Например, хотя несколько определенных цветовых пространств основаны на модели цвета RGB, нет такой вещи как исключительное цветовое пространство RGB.

Примеры

Цвета могут быть созданы в печати с цветовыми пространствами, основанными на модели цвета CMYK, используя отнимающие основные цвета пигмента (голубой (C), пурпурный (M), желтый (Y), и черный (K)). Чтобы создать трехмерное представление данного цветового пространства, мы можем назначить количество пурпурного цвета к Оси X представления, количество циана к ее Оси Y и сумму желтого к ее Оси Z. Получающееся 3D пространство обеспечивает уникальное положение для каждого возможного цвета, который может быть создан, объединив те три пигмента.

Цвета могут быть созданы на компьютерных мониторах с цветовыми пространствами, основанными на модели цвета RGB, используя совокупные основные цвета (красный, зеленый, и синий). Трехмерное представление назначило бы каждый из трех цветов к этим X, Y, и Оси Z. Обратите внимание на то, что цвета, произведенные на данном мониторе, будут ограничены средой воспроизводства, такой как фосфор (в мониторе CRT) или фильтры и подсветка (ЖК-монитор).

Другой способ создать цвета на мониторе с HSL или цветовым пространством HSV, основанным на оттенке, насыщенности, яркость (ценность/яркость). С таким пространством переменные назначены на цилиндрические координаты.

Много цветовых пространств могут быть представлены как трехмерные ценности этим способом, но у некоторых есть больше или меньше размеров, и некоторые, таких как Pantone, не могут быть представлены таким образом вообще.

Преобразование

Преобразование цветового пространства — перевод представления цвета от одного основания до другого. Это, как правило, происходит в контексте преобразования изображения, которое представлено в одном цветовом пространстве другому цветовому пространству, цель быть, чтобы заставить переведенное изображение выглядеть максимально подобным оригиналу.

Плотность RGB

Модель цвета RGB осуществлена по-разному, в зависимости от возможностей используемой системы. Безусловно наиболее распространенное используемое общим образом воплощение — 24-битное внедрение с 8 битами, или 256 дискретных уровней цвета за канал. Любое цветовое пространство, основанное на такой 24-битной модели RGB, таким образом ограничено диапазоном 256×256×256 ≈ 16,7 миллионов цветов. Некоторые внедрения используют 16 битов за компонент для 48-битного общего количества, приводящего к той же самой гамме с большим числом отличных цветов. Это особенно важно, работая с цветовыми пространствами широкой гаммы (где большинство более общих цветов расположено относительно близко друг к другу), или когда большое количество цифровых алгоритмов фильтрации используется последовательно. Тот же самый принцип просит любое цветовое пространство, основанное на той же самой цветной модели, но осуществленное в различных битовых глубинах.

Списки

Цветовое пространство XYZ CIE 1931 года было одной из первых попыток произвести цветовое пространство, основанное на измерениях человеческого цветного восприятия (более ранние усилия были James Clerk Maxwell, König & Dieterici и Эбни в Имперском Колледже), и это — основание для почти всех других цветовых пространств. Цветовое пространство CIERGB — линейно связанный компаньон CIE XYZ. Дополнительные производные CIE XYZ включают CIELUV, CIEUVW и CIELAB.

Универсальный

RGB использует совокупное смешивание цвета, потому что это описывает, какой свет должен излучаться, чтобы произвести данный цвет. RGB хранит отдельные ценности для красного, зеленого и синего цвета. RGBA — RGB с дополнительным каналом, альфой, чтобы указать на прозрачность.

Общие цветовые пространства, основанные на модели RGB, включают sRGB, Adobe RGB, ProPhoto RGB, scRGB, и CIE RGB.

CMYK использует отнимающее смешивание цвета, используемое в процессе печати, потому что это описывает, какие чернила должны быть применены так, свет, отраженный от основания и через чернила, производит данный цвет. Каждый начинает с белого основания (холст, страница, и т.д.), и использует чернила, чтобы вычесть цвет от белого, чтобы создать изображение. CMYK хранит ценности чернил для голубого цвета, пурпурного, желтого и черного цвета. Есть много цветовых пространств CMYK для различных наборов чернил, оснований и особенностей прессы (которые изменяют точечную выгоду или функцию перемещения для каждых чернил и таким образом изменяют появление).

YIQ раньше использовался в NTSC (Северная Америка, Япония и в другом месте) телевидение по историческим причинам. Эта система хранит стоимость luma, примерно аналогичную (и иногда не распознаваемый как) светимость, наряду с двумя ценностями насыщенности цвета как приблизительные представления относительных сумм синего и красного цвета в цвете. Это подобно схеме YUV, используемой в большинстве видео систем захвата и в ПАЛ (Австралия, Европа, кроме Франции, которая использует СЕКАМ), телевидение, за исключением того, что цветовое пространство YIQ вращается, 33 ° относительно цветового пространства YUV и цветных топоров обменяны. Схема YDbDr, используемая телевидением СЕКАМ, вращается в другом отношении.

YPbPr — чешуйчатая версия YUV. Это обычно замечено в его цифровой форме, YCbCr, используемом широко в видео и схемах сжатия изображения, таких как MPEG и JPEG.

xvYCC — новый международный цифровой видео стандарт цветового пространства, изданный IEC (IEC 61966-2-4). Это основано на Купленных 601 и Купленных 709 стандартах ITU, но расширяет гамму вне R/G/B предварительных выборов, определенных в тех стандартах.

HSV (оттенок, насыщенность, стоимость), также известный как HSB (оттенок, насыщенность, яркость) часто используется художниками, потому что часто более естественно думать о цвете с точки зрения оттенка и насыщенности, чем с точки зрения совокупных или отнимающих цветных компонентов. HSV — преобразование RGB colorspace, и его компоненты и колориметрия относительно RGB colorspace, из которого это было получено.

HSL (оттенок, насыщенность, легкость/светимость), также известный как HLS или HSI (оттенок, насыщенность, интенсивность) довольно подобен HSV с заменой «легкости» «яркость». Различие — то, что яркость чистого цвета равна яркости белого, в то время как легкость чистого цвета равна легкости среднего серого цвета.

Коммерческий

• Цветовая система Манселла

• Pantone Matching System (PMS)

• Natural Color System (NCS)

Специального назначения

• Пространство Цветности RG использовано в компьютерных приложениях видения. Это показывает цвет света (красный, желтый, зеленый и т.д.), но не его интенсивность (темный, яркий).
• Цветовое пространство TSL (Оттенок, Насыщенность и Светимость) использовано в обнаружении лица.

Устаревший

У

ранних цветовых пространств было два компонента. Они в основном проигнорировали синий свет, потому что добавленная сложность процесса с 3 компонентами обеспечила только крайнее увеличение преданности когда по сравнению со скачком от монохрома до цвета с 2 компонентами.

• RG для раннего Яркого фильма
• RGK для ранней цветной печати

Абсолютное цветовое пространство

В цвете наука, есть два значения слова абсолютное цветовое пространство:

• Цветовое пространство, в котором перцепционное различие между цветами непосредственно связано с расстояниями между цветами, как представлено пунктами в цветовом пространстве.
• Цветовое пространство, в котором цвета однозначны, то есть, где интерпретации раскрашивает пространство, колориметрическим образом определено независимо от внешних факторов.

В этой статье мы концентрируемся на втором определении.

CIEXYZ и sRGB — примеры абсолютных цветовых пространств, в противоположность универсальному цветовому пространству RGB.

Неабсолютное цветовое пространство может быть сделано абсолютным, определив его отношения к абсолютным колориметрическим количествам. Например, если красные, зеленые, и синие цвета в мониторе измерены точно, вместе с другими свойствами монитора, то ценности RGB на том мониторе можно рассмотреть как абсолютные. L*a*b* иногда упоминается как абсолютный, хотя ему также нужна белая спецификация пункта, чтобы сделать его так.

Популярный способ сделать цветовое пространство как RGB в абсолютный цвет состоит в том, чтобы определить профиль ICC, который содержит признаки RGB. Это не единственный способ выразить абсолютный цвет, но это — стандарт во многих отраслях промышленности. Цвета RGB, определенные широко принятыми профилями, включают sRGB и Adobe RGB. Процесс добавления профиля ICC к диаграмме или документу иногда называют, помечая или включая; маркировка поэтому отмечает абсолютное значение, раскрашивает ту диаграмму или документ.

Преобразование

Цвет в одном абсолютном цветовом пространстве может быть преобразован в другое абсолютное цветовое пространство, и назад снова, в целом; однако, у некоторых цветовых пространств могут быть ограничения гаммы, и преобразовывающие цвета, которые лежат вне той гаммы, не приведут к правильным результатам. Там, вероятно, будут, также округлять ошибки, особенно если популярный диапазон только из 256 отличных ценностей за компонент (8-битный цвет) будет использоваться.

Одна часть определения абсолютного цветового пространства — условия просмотра. Тот же самый цвет, рассматриваемый при различных естественных или искусственных условиях освещения, будет выглядеть по-другому. Связанные профессионально с цветом, соответствующим, могут использовать комнаты просмотра, освещенные стандартизированным освещением.

Иногда, есть точные правила для преобразования между неабсолютными цветовыми пространствами. Например, HSL и места HSV определены как отображения RGB. Оба неабсолютные, но преобразование между ними должно поддержать тот же самый цвет. Однако в целом преобразовывание между двумя неабсолютными цветовыми пространствами (например, RGB к CMYK) или между абсолютными и неабсолютными цветовыми пространствами (например, RGB к L*a*b*) является почти бессмысленным понятием.

Произвольные места

Различный метод определения абсолютных цветовых пространств знаком многим потребителям как карта образчика, используемая, чтобы выбрать краску, ткани, и т.п.. Это — способ согласовать цвет между двумя сторонами. Более стандартизированный метод определения абсолютных цветов является Pantone Соответствие Системе, составляющей собственность системе, которая включает карты образчика и рецепты, которые коммерческие принтеры могут использовать, чтобы сделать чернила, которые являются особым цветом.

См. также

• Цветная теория

• Список цветов

3. www

.iscc.org/aic2001/abstracts/poster/Zoch.doc

Внешние ссылки

---

ru.knowledgr.com

Обработка цветных изображений — Техническое зрение

В главе $2$ мы уже писали о том, что цветные цифровые изображения представляют собой совокупность трех цветовых плоскостей, каждая из которых характеризует одну независимую составляющую цвета, представленную в том же формате, что и обычное $8$-битное полутоновое изображение. Следовательно, все описанные процедуры обработки полутоновых изображений

Цветовая модель RGB

в яркостной области могут быть обобщены и на случай обработки цветных изображений. Специфика же здесь связана прежде всего с различными цветовыми моделями, позволяющими по-разному работать с разными цветовыми и другими составляющими изображения.

Назначение цветовой модели — дать средства описания цвета в пределах некоторого цветового охвата. Наиболее часто в компьютерном зрении используются модели RGB, CMY, YUV, YCbCr, HSV.

Цветовая модель RGB.

RGB (Red, Green, Blue — красный, зеленый, синий) — аппаратно-ориентированная модель, используемая в дисплеях для аддитивного формирования оттенков самосветящихся объектов (пикселов экрана). Система координат RGB — куб с началом отсчета $\langle 0,0,0 \rangle$, соответствующим черному цвету (рис. 4). Максимальное значение RGB — $\langle 255,255,255 \rangle$ соответствует белому цвету. В модели RGB не разделены яркостная и оттеночная компоненты цвета, здесь легко указать яркости для одного из основных цветов, но затруднительно указать оттенок с требуемым цветовым тоном (например, телесным) и насыщенностью.

Цветовая модель HSV

Цветовая модель HSV.

Цветовая модель HSV (Hue, Saturation, Value — цветовой тон, насыщенность, мера яркости) — модель, ориентированная на человека и обеспечивающая возможность явного задания требуемого оттенка цвета. Среди прочих используемых в настоящее время моделей, эта модель отражает физические свойства цвета и наиболее точно соответствует способу восприятия цвета человеческим глазом. Оттенок цвета (H) ассоциируется в человеческом сознании с обусловленностью окраски предмета определенным типом пигмента, краски, красителя. Составляющая Н — это длина световой волны, отраженной или прошедшей через объект. Данная составляющая является объективной и отражает физическую сущность цвета. Насыщенность (S) характеризует степень, силу, уровень выражения оттенка цвета. Этот атрибут в человеческом сознании связан с количеством (концентрацией) пигмента, краски, красителя. Насыщенность позволяет оценить, насколько «глубоким» и «чистым» является данный цвет, то есть как он отличается от ахроматического. Она определяет соотношение серого цвета и выбранного оттенка и выражается в долях от $0$ (серый) до $1$ (полностью насыщенный). Мера яркости (V) характеризует относительную освещенность или затемненность цвета (интенсивность цвета), поэтому она измеряется в диапазоне от 0 (черный) до 1 (белый). При увеличении яркости цвет становится более светлым (белым). Составляющая V является нелинейной, что близко соответствует восприятию человеком светлых и темных цветов. Две последние составляющие являются субъективно определяемыми, так как отражают психологические особенности восприятия цвета.

Подпространство, определяемое данной моделью, соответствует проекции цветового пространства на главную диагональ RGB-куба в направлении от белого к черному и являет собой перевернутый шестигранный конус (рис. 5). По вертикальной оси конуса задается V — мера яркости. Значению $\rm{V} = 0$ соответствует вершина конуса, значению $\rm{V}=1$ — основание конуса; цвета при этом наиболее интенсивны. Цветовой тон H задается углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси. В частности, $0$ ° — чистый красный цвет (Red), $60$° — желтый (Yellow), $120$° — зеленый (Green), $180$° — голубой (Cyan), $240$° — синий (Blue), $300$ ° — пурпурный (Magenta), то есть дополнительные цвета расположены друг против друга (отличаются на $180$°). Насыщенность S определяет, насколько близок цвет к «чистому» пигменту и меняется от $0$ на вертикальной оси V до 1 на боковых гранях шестигранного конуса. Точка $\rm{V} = 0$, в которой находится вершина конуса, соответствует черному цвету. Значение S при этом может быть любым в диапазоне $0$ — $1$. Точка с координатами $\rm{V} = 1$, $\rm{S} = 0$ — центр основания конуса, соответствует белому цвету. Промежуточные значения координаты V при $\rm{S} = 0$, то есть на оси конуса, соответствуют серым цветам. Если $\rm{S} = 0$, то значение оттенка H считается неопределенным.

Цветовая модель HSV может быть получена из модели RGB следующим образом: $$ {\rm H}_1 =\arccos \left( {\frac{\frac{1}{2}\left[ {\left( {{\rm R}-{\rm G}} \right)+\left( {{\rm R}-{\rm B}} \right)} \right]}{\sqrt {\left( {{\rm R} — {\rm G}} \right)^2+\left( {{\rm R}-{\rm B}} \right) \left( {{\rm G} — {\rm B}} \right)} }} \right), \quad {\rm H} = \begin{cases} {\rm H}_1, & {\rm if} {\rm B} \le {\rm G}, \cr 360° — {\rm H}_1, & {\rm if} {\rm B} > {\rm G}, \cr \end{cases} $$ $$ {\rm S} = \frac {\max \left( {{\rm R}, {\rm G}, {\rm B}} \right) — \min \left( {{\rm R}, {\rm G}, {\rm B}}\right)} {\max \left( {{\rm R}, {\rm G}, {\rm B}} \right)}, \quad {\rm V} = \frac{\max \left( {{\rm R}, {\rm G}, {\rm B}} \right)}{255}. $$ Данное преобразование является нелинейным, что затрудняет его практическое использование. Аппроксимация преобразования линейными зависимостями существенно упрощает алгоритм перевода из RGB в HSV и обеспечивает высокую вычислительную эффективность. Цветовая модель HSV является наиболее удобным представлением цветных изображений для их цветовой сегментации.

Цветовая модель YUV.

Остановимся также на цветовом пространстве YUV, которое широко применяется в телевещании и соответственно пришло на компьютер вместе с MPEG-форматом. Дело в том, что глаз человека наиболее чувствителен к яркости изображения и несколько менее — к цветности.

Если аддитивные составляющие RGB-сигнала представить в виде яркости (Y) и двух различных составляющих сигнала цветности (U и V) по формулам $$ \mbox{Y} = 0,299 \mbox{R} + 0,587 \mbox{G} + 0,114 \mbox{B}, $$ $$ \mbox{U} = 0,493 (\mbox{B} — \mbox{Y}), $$ $$ \mbox{V} = 0,877 (\mbox{R} — \mbox{Y}), $$ то U в таком соотношении выражает различия между синей и желтой составляющими цветного изображения, а V — между красной и зеленой компонентами цветного изображения. Известно, что глаз человека легче различает градации яркости и оттенки зеленого, поэтому U и V можно отображать с меньшей точностью, что способно существенно уменьшить количество информации, сохраняемой при сжатии. Таким образом, используя особенности человеческого зрения, еще до того, как будет применяться компрессия данных, мы можем получить выигрыш только за счет перехода к другому цветовому пространству. Поэтому, когда говорят, например, что сжатие в MPEG осуществляется с коэффициентом $100:1$ и более, часто забывают, что часть информации была «потеряна» уже при переходе к другому цветовому пространству.

Формат кодирования YUV $4:1:1$ отличается от $4:2:2$ способом дискретизации сигнала, которая вычисляется для конкретного канала как произведение базовой частоты цифрового кодирования на соответствующий коэффициент: например, на $4$ отсчета для канала Y берется по одному отсчету для каждого из цветоразностных каналов.

Цветовая сегментация изображения.

Цветовая сегментация обычно производится по предварительно построенной модели распределения цвета искомого объекта в

Взаимное соотношение компонент H и S на изображениях кожи	Взаимное соотношение компонент H и V на изображениях кожи

цветовом пространстве HSV. Рассмотрим работу процедуры подобного рода на примере задачи сегментации на изображении лица человека на основе цветовых характеристик человеческой кожи.

Построение модели рассматривается как задача поиска группы кластеров, соответствующих оттенкам кожи. Структура и параметры модели формируются путем обработки изображений участков кожи, выделенных вручную. Распределение, отражающее соотношение параметров цвета H и S, получено в данном примере в результате обработки порядка $900$ изображений фрагментов кожи размерами $3\times 3$ пиксела (рис. \refFigure{3_1_6}).

Как видно, «трубки» распределений $\langle$H, S$\rangle$ и $\langle$H, V$\rangle$, характеризующие оттенки кожи, являются достаточно компактными в цветовом пространстве и составляют группу первичных признаков на этапе построения модели. «Трубки» распределений $\langle$H, S$\rangle$ и $\langle$H, V$\rangle$ могут быть разделены на подобласти, образующие группы $\it{кластеров}$ (компактных множеств точек). На этапе сегментации каждому пикселу изображения ставится в соответствие вектор параметров цвета $\langle$H, S, V$\rangle$ и проверяется принадлежность параметров цвета к одному из кластеров модели кожи. Область изображения кожи формируется из пикселов, параметры которых вошли в один из кластеров. На рис. 8 — 10 приведены результаты работы алгоритма цветовой пиксельной сегментации лиц с различными оттенками кожи.

Аналогичным образом получено распределение, отражающее соотношение параметров цвета H и V (рис. 7).

После того как на изображении выделены пикселы, цвет которых соответствует оттенкам кожи, производится слияние выделенных пикселов в систему кластеров по

Пример цветовой пиксельной сегментации кожи

Пример цветовой пиксельной сегментации кожи

Пример цветовой пиксельной сегментации кожи

Пример работы алгоритма обнаружения лиц

мере близости их местоположения. Далее производится комплексная проверка кластеров для выявления кластеров, действительно являющихся лицами. Правило, которому должен отвечать фрагмент изображения, на котором присутствует лицо, достаточно очевидно: лицо обычно должно быть симметрично относительно вертикальной оси. На рис. 11 показан пример работы алгоритма обнаружения лиц на цветных изображениях. Фрагменты изображения с обнаруженными лицами выделены рамкой.

Полезные ссылки

1. ☝ К началу
2. ☜ Яркость и цвет. Гистограммы, профили, проекции. Бинаризация и сегментация

wiki.technicalvision.ru

Цветовая субдискретизация — Википедия

Цветовая субдискретизация (англ. Chroma subsampling) — технология кодирования изображений со снижением цветового разрешения, при которой частота выборки цветоразностных сигналов может быть меньше частоты выборки яркостного сигнала. Основана на особенности человеческого зрения, выраженной большей чувствительностью к перепадам яркости, чем цвета. Цветовая субдискретизация является важным способом снижения размера цифрового потока видеоданных (цифровое сжатие видеоинформации). Используется в системах аналогового и цифрового телевидения, цифровой видеозаписи и алгоритмах сжатия изображений, таких как JPEG.

На практике кодирование изображений осуществляется уменьшением разрешения в цветоразностных каналах при сохранении разрешения в канале яркости.

Метод был впервые разработан в 1950-х Альдой Бедфордом для системы цветного телевидения компании RCA. Позже он получил своё развитие в стандарте NTSC. Впрочем, принцип разделения яркости и информации о цвете был придуман ещё раньше — в 1938 году Джорджесом Валенси.

Для совместимости с черно-белым телевизионным сигналом и для возможности уменьшения полосы частот, требуемой для передачи цветностной информации, в цветном телевидении используются специальные схемы суммирования трёх составляющих видеосигнала Y’ — означает яркость, а R-Y’ и B-Y’ — так называемые цветоразностные сигналы. Для перевода компонентного видеосигнала в цифровую форму в соответствии с рекомендациями ITU-R 601 применяется кодирование по следующим формулам:

Y′=0.299⋅R′+0.587⋅G′+0.114⋅B′CR=0.713⋅(R′−Y′)CB=0.564⋅(B′−Y′){\displaystyle {\begin{aligned}Y’&=&0.299\cdot R’&+0.587\cdot G’+0.114\cdot B’\\C_{R}&=&0.713\cdot (R’&-Y’)\\C_{B}&=&0.564\cdot (B’&-Y’)\end{aligned}}}

При передаче таких сигналов возможно восстановление исходных составляющих цветов: красной (R), синей (B) и зеленой (G), которые используются в большинстве систем отображения видеоинформации.

При Y’, Cr, Cb представлении видеосигнала цветоразностные компоненты Cr, Cb передаются с пространственным разрешением, в два раза меньшим разрешения по яркостному сигналу, при этом частота дискретизации для яркостного сигнала Y’ устанавливается равной 13,5 МГц, что в два раза больше, чем для цветоразностных сигналов Cr и Cb — 6,75 МГц. Для цифровых стандартов принято базовое значение частоты дискретизации, равное 3,375 МГц, таким образом, частоты дискретизации яркостного и двух цветоразностных сигналов будут находиться в соотношении 4:2:2.

Для сигналов ТВЧ, согласно части II Рекомендации ITU-R 709-3, установлены частоты дискретизации сигналов яркости 74,25 МГц и цветности 37,125 МГц.

Структура дискретизации сигнала обозначается как соотношение между тремя частями X:a:b (например, 4:2:2), описывающими число выборок яркостных и цветоразностных сигналов. Также иногда используется обозначение с четырьмя частями (4:2:2:4), где четвёртая цифра, если она включена, должна быть идентична первой цифре, указывающая на наличие сигнала четвертого канала, содержащего информацию прозрачности (альфа-канал). Этими частями являются:

• X — частота дискретизации яркостного канала, выраженная коэффициентом базовой частоты (ширина макропикселя)
• a — число выборок цветоразностных сигналов (Cr, Cb) в горизонтальном направлении в первой строке
• b — число (дополнительных) выборок цветоразностных сигналов (Cr, Cb) во второй строке
• Alpha — частота дискретизации альфа-канала (по отношению к первой цифре). Может быть опущен, если альфа-компонент отсутствует, и равна X при его наличии.

	4:1:1						4:2:0						4:2:2						4:4:4
Y’CrCb
	=						=						=						=
Y’
	+						+						+						+
	1	2	3	4	X = 4		1	2	3	4	X = 4		1	2	3	4	X = 4		1	2	3	4	X = 4
(Cr, Cb)	1				a = 1		1		2		a = 2		1		2		a = 2		1	2	3	4	a = 4
	1				b = 1						b = 0		1		2		b = 2		1	2	3	4	b = 4
	¼ горизонтального разрешения, полное вертикальное разрешение						½ горизонтального разрешения, ½ вертикального разрешения						½ горизонтального разрешения, полное вертикальное разрешение						полное горизонтальное разрешение, полное вертикальное разрешение

8:4:4 Y’CbCr[править | править код]

Каждая из цветоразностных компонент Cb и Cr имеют одинаковую частоту дискретизации. Компонента яркости имеет в два раза большее разрешение. Эта система используется сканерами киноплёнки высокого уровня, устройствами телекино.

4:4:4 Y’CbCr[править | править код]

Каждая из трех компонент Y’CbCr имеет одинаковую частоту дискретизации. Эта схема иногда используется в дорогих сканерах и кинематографическом пост-продакшн производстве. Как правило, для предоставления такой пропускной способности используется двухканальный интерфейс HD-SDI стандарта SMPTE 372M. Первое подключение — для передачи сигнала 4:2:2, второе подключение — для сигнала 0:2:2, в сочетании будет передано 4:4:4.

4:4:4 R’G’B’ (без субдискретизации)[править | править код]

Стоит отметить, что под «4:4:4» может пониматься цветовое пространство R’G’B’, которое вовсе не имеет цветовой субдискретизации. Видеоформаты, такие как HDCAM SR, могут записывать цифровой видеосигнал с частотой выборки 4:4:4 R’G’B’ посредством двухканального HD-SDI.

4:2:2[править | править код]

Используется в научных исследованиях, профессиональных системах и формате MPEG-2. Рекомендация 601 определяет стандарт полного цифрового видеосигнала с соотношением частот дискретизации яркостного и цветоразностных сигналов как 4:2:2. В каждой строке передается полный сигнал яркости, а для цветоразностных сигналов производится выборка каждого второго отсчета. Таким образом, цветовое горизонтальное разрешение снижается вдвое.

4:2:1[править | править код]

Этот режим также определен технически. Используется в ограниченном наборе аппаратных и программных кодеров.

4:1:1[править | править код]

В соотношении 4:1:1 горизонтальное разрешение цветоразностных сигналов снижается до четверти от полного разрешения сигнала яркости, также полоса пропускания сужается (пропускная способность увеличивается) в два раза по сравнению с режимом без субдискретизации. Первоначально 4:1:1 применялся в формате DV, который не считался вещательным и был единственным приемлемым форматом видеозаписи для низкобюджетных и потребительских приложений. В настоящее время DV-формат (с выборкой 4:1:1) используется профессионально для производства новостей и воспроизведения видео при помощи серверов.

В системе NTSC, если частота дискретизации яркости равна 13,5 МГц, то это означает, что каждый из сигналов Cr и Cb будет дискретизован с частотой 3,375 МГц, что соответствует максимальной пропускной способности частоты Найквиста 1,6875 МГц, в то время как традиционный «NTSC кодер высокого класса аналогового вещания» будет иметь частоту Найквиста 1,5 МГц и 0,5 МГц для I/Q каналов. Однако в большинстве единиц оборудования, особенно в дешевых телевизорах и VHS-/Betamax-видеомагнитофонах, каналы цветности имеют пропускную способность только 0,5 МГц для Cr и Cb (что эквивалентно для I/Q). Таким образом, система фактически обеспечивает увеличенную пропускную способность цвета по сравнению с лучшими композитными аналоговыми спецификациями для NTSC, несмотря на то, что используется только 1/4 от полной полосы частот цветовой составляющей «полного» цифрового сигнала. Форматы, которые используют 4:1:1, включают в себя:

• DVCPRO ( NTSC и PAL )
• NTSC DV и DVCAM
• D-7

4:2:0[править | править код]

Различные варианты 4:2:0 конфигураций можно найти в:

• В стандартах кодирования видео ИСО/МЭК, MPEG, МККТТ и Группы экспертов кодирования видео «H.26x», включая реализации H.262/MPEG-2 Part 2, такие как DVD (хотя некоторые профили MPEG-4 Part 2 и H.264/MPEG-4 AVC позволяют кодировать со структурой выборки более высокого качества, например, такой как 4:4:4)
• PAL DV и DVCAM
• HDV
• AVCHD и AVC-Intra 50
• Apple Intermediate Codec
• Наиболее распространенные реализации JPEG / JFIF и MJPEG
• VC-1

Для цветоразностных компонентов Cb и Cr при дискретизации отбрасывается каждый второй отсчёт по горизонтали и по вертикали. Есть три варианта схем 4:2:0, имеющих различные горизонтальные и вертикальные размещения отсчётов:

• Отсчеты цветоразностных компонентов в формате 4:2:0, принятом в системе компрессии MPEG-2, не совмещены с отсчётами яркостной составляющей.
• В JPEG / JFIF, H.261 и MPEG-1, Cb и Cr совмещены и располагаются между альтернативными отсчетами яркости.
• В 4:2:0 DV, отсчёты цветоразностных компонентов Cb и Cr совмещены с отсчётами яркостной составляющей изображения, может быть получен из прототипной структуры 4:2:2 путём поочередного исключения одного цветоразностного компонента в каждой второй строке каждого поля.

Этот вид обработки данных особенно хорошо подходит для цветных систем PAL и SECAM. Большинство цифровых видео форматов PAL используют соответственно 4:2:0, за исключением DVCPRO25, который использует 4:1:1. Оба варианта 4:1:1 и 4:2:0 вдвое сокращают требования к пропускной способности по сравнению с представлением без субдискретизации.

4:1:0[править | править код]

Поддерживается некоторыми кодеками, но используется не слишком широко. При этом соотношении коэффициентов используется половина вертикального и четверть горизонтального цветового разрешения, и лишь одна восьмая часть от полосы пропускания максимального цветового разрешения.

3:1:1[править | править код]

Используется в формате видеозаписи высокой чёткости Sony HDCAM (не HDCAM SR). В горизонтальном направлении производится выборка отсчетов сигнала яркости на три четверти от полной частоты дискретизации HD — 1440 выборок в строке против 1920 в HDCAM SR. В вертикальном направлении, как в канале яркости, так и в канале цветности, производится полная дискретизация HD (1080 отсчетов).

Термин Y’UV относится к аналоговой схеме кодирования, в то время как Y’CbCr ссылается на цифровые схемы кодирования. Одно из различий между ними в том, что набор коэффициентов компонентов цветности U, V и Cb, Cr различен. Однако термин YUV часто используется ошибочно, обращаясь к кодировке Y’CbCr. Следовательно, выражения типа «4:2:2 YUV» всегда относятся к 4:2:2 Y’CbCr, так как просто нет такого понятия, как 4:x:x в аналоговой кодировке (например, YUV).

Также термином яркость и символом Y часто пользуются ошибочно, обращаясь к яркости, которая обозначается символом Y’. Обратите внимание, что яркость (Y’), принятая у видео-инженеров, отклоняется от яркости (Y) в колориметрии (как определено в CIE). Яркость (в ТВ) формируется как взвешенная сумма компонентов RGB с гамма-коррекцией (трехцветной). Яркость формируется как взвешенная сумма линейных (трехцветной) компонентов RGB.

На практике CIE символ Y часто неправильно используется для обозначения яркости. В 1993 году SMPTE принятое Руководство для инженеров EG 28 уточняет два термина. Обратите внимание, что главным символом ‘ используется, чтобы указать гамма-коррекцию.

Кроме того, понятие хрома/цветность у видеоинженеров отличается от цветности в колориметрии. Хрома/цветность в видеоинженерной практике формируется из весовых компонентов трехцветной, нелинейных компонентов. Условия цветность и насыщенность часто используются как синонимы для обозначения цветности.

Следующая таблица показывает характеристики большинства видеоформатов и типов применяемой субдискретизации цветоразностных компонент, а также другие связанные с ними параметры, такие как скорость передачи данных и степень сжатия.

Формат	Владелец	Субдискретизация	Глубина цвета	Скорость потока данных (Мбит/с)	Тип компрессии	Степень сжатия	Разрешение (пикселей)
Телевидение стандартной чёткости (SD)
DV/MiniDV	Несколько	4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC)	8 бит	25	ДКП	5:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
DVCPRO 25	Panasonic	4:1:1	8 бит	25	ДКП	5:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
DVCPRO 50	Panasonic	4:2:2	8 бит	50	ДКП	3,3:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
DVCAM	Sony	4:2:0 (PAL) 4:1:1 (NTSC)	8 бит	25	ДКП	5:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
Digital Betacam	Sony	4:2:2	10 бит	90	ДКП	2,3:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
Betacam SX	Sony	4:2:2	10 бит	18/170	MPEG-2	10:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
MPEG IMX	Sony	4:2:2	8 бит	30 40 50	MPEG-2	6:1 4:1 3,3:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
XDCAM	Sony	4:2:0/4:1:1 4:2:2	8 бит	30 40 50	ДКП MPEG-2	6:1 4:1 3,3:1	720×576(PAL) 720×480(NTSC)
Телевидение высокой чёткости (HD)
DVCPRO 100	Panasonic	4:2:2	8 бит	100	ДКП	6,7:1	1440×1080 960×720
HDCAM	Sony	3:1:1	8 бит	144	MPEG-4	4:1	1440×1080
HDCAM SR	Sony	4:2:2 4:4:4	10 бит	440 880	MPEG-4	4,2:1 2,7:1	1920×1080
HDV	Sony JVC Canon	4:2:0	8 бит	19/25	MPEG-2	18:1	1440×1080 1920×1080 1280×720
AVCHD	Panasonic Sony	4:2:0	8 бит	18/24	H.264/MPEG-4		1440×1080 1920×1080 1280×720
XDCAM HD	Sony	4:2:0	8 бит	18/50	MPEG-2		1440×1080 1280×720

ru.wikipedia.org

Цифровое представление цвета — Викиучебник

Белая стена, освещённая тремя прожекторами Три пятна краски на белой бумаге, освещённые белым светом

Цвет — это очень субъективное понятие. В природе существуют световые волны разной частоты. Исследования показали, что определённый диапазон частот (видимый свет) воспринимается человеческим глазом. Но воспринимается не каждая волна по отдельности, а их совокупность. Причём есть три основных частоты, «смешивая» которые можно получить почти все воспринимаемые человеком цвета. Если эти частоты излучаются отдельно (например, лазером), то воспринимаются они как красный, зелёный и синий цвета. Отсюда родилась модель RGB. Она очень удобна для технической реализации в устройствах, которые свет излучают (мониторы и проекторы). Так как там из одной точки можно «посветить» тремя цветами разной интенсивности и таким образом, используя только 3 основных цвета, получать почти весь видимый спектр.

Надо понимать разницу между возможностью контролировать свет излучаемый и поглощаемый.

Если на белую стену посветить красным, зелёным и синим прожекторами, то на пересечении областей мы получим участки, которые «излучают» сразу два цвета: красный + зелёный = yellow, зелёный + синий = cyan, синий + красный = magenta. В данном случае мы контролируем излучаемый свет, тем самым добавляя основные цвета друг к другу в нужных пропорциях (аддитивная модель).

Но представим ситуацию, когда мы не можем излучать свет самостоятельно. Это случай журналов и картин. В природе естественным является белый свет — смесь волн разной частоты, но примерно одинаковой энергии (тепловое излучение). Когда этот свет попадает на поверхность, покрытую определённым веществом, волны одних частот от неё отражаются, волны других частот поглощаются веществом. Тогда можно взять три основных вещества (краски), которые по отдельности отражают только цвета cyan, magenta и yellow, и, смешивая их в определённой пропорции, получить почти все существующие цвета. Таким образом мы контролируем поглощаемый свет, вычитая из белого ненужные нам цвета (субтрактивная модель).

Например, смешивая cyan (голубой; поглощает красный, отражает зелёный и синий) и magenta (розовый; поглощает зелёный, отражает красный и синий) мы получаем поверхность, которая поглащает красный и зелёный и, соответственно, отражает только синий. Отсюда появилась цветовая схема CMYK, которая используется при печати. «K» означает четвёртую, чёрную, краску. Её используют по техническим соображениям.

Цветовые модели[править]

XYZ[править]

плоскость xy (отмечена на изображении XYZ синим срезом). На краю, обведённом чёрным, находятся монохроматические цвета. Соответствующая им длина волны подписана синим.

XYZ — теоретическая модель, созданная CIE (Commission internationale de l’éclairage) на основе исследований человеческого цветовосприятия. Эта модель вмещает все видимые человеку цвета. Она разработана таким образом, что два компонента представляют цвет, а третий — яркость (Y).

xyY[править]

Для иллюстраций используют модель xyY, получающуюся из XYZ простыми преобразованиями. При этом трёхмерными изображениями обычно не заморачиваются и компонент яркости отбрасывается. Получающаяся диаграмма xy имеет одно замечательное свойство: если выбрать на ней три основных (primary) цвета, то внутри образуемого ими треугольника окажутся все цвета, которые можно представить при помощи этих праймари. Вообще, это распространяется на любой n-угольник. На этом свойстве и основана модель RGB.

RGB и YCbCr[править]

RGB удобна для захвата цветов камерой и воспроизведения их на мониторе или проекторе. Однако для передачи и кодирования сигнала она мало пригодна по нескольким причинам:

1. Считается, что человеческий глаз больше замечает изменения яркости, чем цветности. Модель RGB не позволяет это использовать.
2. Когда появилось цветное телевидение, необходимо было сохранить совместимость с чёрно-белыми телевизорами.

Поэтому для передачи цветного сигнала была разработана модель YUV, которая использовала один компонент (Y) для передачи яркости (чёрно-белое телевидение) и два дополнительных компонента (UV) для передачи цвета. В цифровом кодировании схожая модель зовётся YCbCr.

Цветовые пространства[править]

ITU-R BT.709, EBU Tech. 3213, SMPTE C (SMPTE RP 145), sRGB

Цветовое пространство (gamut) модели RGB определяется выбором праймари и точки белого. Часто выбор диктуется некими практическими соображениями, например, наличием в производстве соответствующего люминофора.

CIE RGB[править]

Это пространство основано на трёх монохроматических цветах. E — точка белого.

sRGB[править]

Стандарт, созданный HP и Microsoft в 1996 году. Данный стандарт применяется повсеместно: компьютерные мониторы, интернет, принтеры…

Преобразование из RGB в YCbCr выполняется по формуле:

Y=KR⋅R+KG⋅G+KB⋅BCB=0.5⋅B−Y1−KBCR=0.5⋅R−Y1−KR{\displaystyle {\begin{aligned}Y&=K_{R}\cdot R+K_{G}\cdot G+K_{B}\cdot B\\C_{B}&=0.5\cdot {\frac {B-Y}{1-K_{B}}}\\C_{R}&=0.5\cdot {\frac {R-Y}{1-K_{R}}}\end{aligned}}}

Причём, KG=1−KR−KB{\displaystyle K_{G}=1-K_{R}-K_{B}}.

Коэффициенты KR{\displaystyle K_{R}} и KB{\displaystyle K_{B}} (matrix coefficients) зависят от используемого цветового пространства и отдельно определяются соответствующими стандартами. При этом стандарты, использующие одинаковые праймари и точку белого, могут декларировать разные коэффициенты преобразования, и наоборот.

Гамма-коррекция[править]

Воспринимаемая человеком яркость изображения (lightness) нелинейно зависит от «реальной» яркости (luminance): тёмные оттенки человек различает лучше чем светлые. Чтобы избежать неравномерных потерь при передаче и кодировании сигнала, линейные значения RGB или YCbCr должны быть преобразованы в нелинейные R′G′B′ или Y′CbCr. Такое преобразование называется гамма-коррекцией. Сама функция преобразования (transfer characteristics) определяется различными стандартами по-разному.

В теории гамма-коррекция должна производиться после конвертации RGB → YCbCr при записи данных, а обратное преобразование — перед конвертацией YCbCr → RGB при воспроизведении. То есть RGB → YCbCr → Y′CbCr → … → Y′CbCr → YCbCr → RGB. На практике же применяется цепочка RGB → R′G′B′ → Y′CbCr → … → Y′CbCr → R′G′B′ → RGB. Эта инженерная уловка использовалась для того, чтобы избежать двойного преобразования в ЭЛТ-мониторах. Яркость пикселя на таком мониторе нелинейно зависит от подаваемого напряжения, причём эта зависимость очень похожа на функцию обратной гамма-коррекции. Компонент Y′ (luma), полученный из R′G′B′, не соответствует теоретической яркости Y (luminance), получаемой из RGB. Это приводит к определённым артефактам, проявляющимся при использовании chroma subsampling (например, тёмная полоска на границе зелёный — маджента).

Как уже упоминалось, считается, что человек сильнее воспринимает изменения яркости, чем изменения цветности. Так как YCbCr кодирует яркость (Y) и цветность (CbCr) отдельно, то эта особенность человеческого восприятия позволяет сохранять компоненты цветности с меньшим разрешением, чем компонент яркости. Называется это chroma subsampling.

Расмотрим 2 строки по 4 пикселя в каждой. В обычном случае мы имеем по 4 значения Y для каждой строки, и по 4 значения Cb и Cr для каждой из двух строк. Это описывается соотношением 4:4:4.

В общем виде записывается как J:a:b, где J — ширина рассматриваемой строки (всегда равна количеству Y-сэмплов в каждой из строк), a — количество Cb и Cr сэмплов в первой строке, b — количество Cb и Cr сэмплов во второй строке.

Например, «4:2:0»: 4(сэмпла яркости на каждую строку):2(сэмпла цветности на первую строку):0(сэмплов цветности на вторую строку — используется тот же цвет, что и в первой строке). Таким образом, на блок из четырёх пикселей приходится только один сэмпл цветности. Это наиболее используемый и поддерживаемый тип сабсэмплинга.

Несмотря на то, что визуально chroma subsampling почти не заметен, в некоторых случаях при преобразовании обратно в RGB могут возникать видимые артефакты. Проявляются они либо на видео низкого разрешения с текстом (в этом случае перед кодированием стоит сделать апскейл), либо при переходах между некоторыми цветами (чёрный-красный, зелёный-маджента), либо на специальных тестовых изображениях.

Для передачи цифрового сигнала чаще всего используется 8 бит на сэмпл. То есть Y, Cb и Cr могут принимать значения 0..255. Однако, из-за аналоговой природы большинства телевизионных стандартов, для видео используется не весь диапазон значений.

Согласно стандартам (BT.601, BT.709) чёрному цвету должно соответствовать Y = 16, белому Y = 235. Для Cb и Cr базовыми являются значения 16 и 240. Таким образом, яркость имеет 220 уровней (quantization levels), цветность — 225. При этом сигнал может содержать и значения 1..15 — footroom, и 236..254 (241..254) — headroom. Значения 0 и 255 — служебные.

Соответственно, нормализованные значения R, G, B, полученные из такого сигнала, могут выходить за пределы отрезка [0; 1], образуя так называемые области BTB (Blacker Than Black — чернее чёрного) и WTW (Whiter Than White — белее белого). В некоторых случаях это происходит из-за того, что при мастеринге видео уровень белого был намеренно выбран ниже максимального значения исходного сигнала (или/и уровень чёрного выше минимального).

Если для передачи сигнала используется больше 8-ми бит, то дополнительные биты являются младшими. Например, для 10-ти битного сигнала базовыми значениями Y (уровнями чёрного и белого) будут 16⋅210−8=64{\displaystyle 16\cdot 2^{10-8}=64} и 235⋅210−8=940{\displaystyle 235\cdot 2^{10-8}=940}, разрешёнными — 4..1019. Нулевой уровень цветности будет приходиться на 128⋅210−8=512{\displaystyle 128\cdot 2^{10-8}=512}.

Full range[править]

Некоторые, изначально цифровые, стандарты (JPEG, M-JPEG, Fraps) используют полный диапазон значений. То есть чёрному соответствует 0, белому — 255 (точнее, 2BitDepth−1{\displaystyle 2^{BitDepth}-1}). Нулевому уровню цветности — 128 (2BitDepth−1{\displaystyle 2^{BitDepth-1}}). В H.264 для такого сигнала предусмотрен флаг Full range.

Воспроизведение[править]

Для корректного воспроизведения видео должны быть выполнены следующие шаги:

1. Выбор базовых уровней входящего сигнала.
2. Chroma upsampling.
3. Конвертация YCbCr → RGB с использованием правильных коэффициентов.
4. Дополнительная коррекция изображения для конкретного устройства вывода.

Выбор уровней[править]

В некоторых случаях входящий сигнал может содержать полезную информацию в областях BTB/WTW. Студийные мониторы должны корректно отображать такие цвета. Однако к домашнему оборудованию и условиям просмотра предъявляются гораздо более мягкие требования, и более комфортным может оказаться отображение только уровней 16..235. Иначе говоря, нужно определиться, будете ли вы масштабировать сигнал 16..235 в 0..255 или будете сохранять области BTB/WTW (в которых ничего полезного может и не быть), жертвуя контрастом.

При выполнении преобразования YCbCr → RGB в ffdshow есть возможность как автоматического выбора между Full range и TV-диапазоном (учитывая и флаг H.264), так и ручной установки уровней Y (количество уровней CbCr изменяется пропорционально).

Также в ffdshow имеется фильтр Levels, позволяющий динамически изменять диапазон при появлении BTB/WTW. Но, так как этот фильтр работает с 8-битными значениями, его использование может привести к появлению banding’а.

Полностью сохранить сигнал в областях BTB/WTW можно также, установив входные уровни YCbCr равными 16..235(240) и уровни вывода RGB равными 16..235. При этом стоит убедиться, что уровни 1..15 и 236..254 нигде не обрезаются.

То, что уровни могут быть изменены сразу в нескольких местах (рендерер, декодер, промежуточные фильтры, настройки видеокарты, шейдеры), может привести к нежелательным последствиям, например, к двойному преобразованию 16..235 → 0..255.

Ресайз[править]

Методы ресайза в madVR

Ресайз (resize — изменение размеров) при просмотре видео выполняется по нескольким причинам:

• chroma upsampling;
• соотношение сторон пикселя (Sample Aspect Ratio) отличное от 1:1;
• несоответствие разрешения видео разрешению монитора.

То есть, даже если вы смотрите 720p на соответствующем мониторе, вам всё равно необходим качественный метод ресайза для компенсации chroma subsampling. Ресайз, как правило, выполняется рендерером. Наиболее продвинутым в этом плане является madVR. VMR9, EVR Custom и Haali renderer также позволяют в некоторой степени изменять метод ресайза.

YCbCr → RGB[править]

Коэффициенты преобразования YCbCr → RGB могут отличаться для контента различной природы. Так, для SD-видео обычно используются коэффициенты описанные в стандарте BT.601, а для HD — BT.709. При использовании неверных коэффициентов происходит слабо заметное искажение цветов. Например, лица людей становятся розовее или желтее.

Многие форматы (H.264, MPEG-2, VC-1, Theora, JPEG SPIFF) поддерживают указание matrix_coefficients в виде метаинформации. Однако наиболее распространён метод выбора коэффициентов на основании разрешения видео. Например, рендереры VMR7 и VMR9 используют BT.601, если высота кадра < 720, а BT.709, если высота ≥ 720. Таким образом, видео 720p, кропнутое по высоте, будет воспроизводиться с неправильными коэффициентами. ffdshow использует более разумные критерии:

• если установлен флаг в потоке H.264, то используются соответствующие коэффициенты;
• для Fraps используется BT.709;
• для JPEG и M-JPEG — BT.601;
• если высота ≥ 600 или ширина > 1024 — BT.709;
• если высота < 600 и ширина ≤ 1024 — BT.601.

Также компенсировать неверный выбор коэффициентов можно используя шейдеры в MPC-HC.

Преобразование в RGB подразумевает предварительный chroma upsampling. Качественно его могут выполнять, например, ffdshow и madVR. Первый делает это программно, второй — нещадно используя ресурсы видеокарты.

Говорят, что информация о праймари, коэффициентах и гамме может содержаться не только в метаданных, но и в самом потоке: «Some digital video signals can carry a video index (see SMPTE RP 186—1995) which explicitly labels the primaries, transferFunction, and matrix of the signal.»

Дополнительный рендеринг[править]

Эффект Бартлесона — Бренемана. Квадраты в каждом ряду имеют одинаковый цвет. Тем не менее, на более тёмном фоне они кажутся светлее. Причём, чем темнее цвет квадрата, тем больше на нём сказывается эффект окружения. Это и вызывает разницу в контрастности между столбцами.

В некоторых случаях может понадобиться дополнительная коррекция изображения. Например, изменение цветового пространства и гаммы в соответствии с параметрами монитора. Это можно сделать с помощью yCMS (madVR, AviSynth) или ICC-профиля.

Необходимо понимать, что на восприятие человеком изображения влияет множество вторичных факторов, среди которых:

• Эффект Стивенса (Stevens effect) — воспринимаемая контрастность увеличивается с увеличением яркости.
• Эффект Бартлесона — Бренемана (Bartleson-Breneman effect) — более тёмная окружающая обстановка уменьшает воспринимаемую контрастность.
• Эффект Ханта (Hunt effect) — насыщенность увеличивается с увеличением яркости. Например, цветы при дневном свете (около 30000 cd/m²) выглядят красочнее, чем при сумеречном (около 300 cd/m²). Если изображение снято днём, но отображается на мониторе яркостью 300 cd/m² без модификации данных RGB, то будет казаться, что оно было снято в сумерках.

Традиционно для компенсации этих эффектов при воспроизведении используется несколько большее значение гаммы, чем было использовано при съёмке камерой. Так, студийные мониторы, предназначенные для просмотра в тёмном окружении, используют γ ≈ 2.4, в то время как при съёмке используется кривая с показателем 1/γ ≈ 1/2. Для мониторов, используемых в светлых помещениях, подойдёт γ ≈ 2.2 (sRGB).

Ресайз[править]

Для правильного ресайза должны использоваться линейные, а не гамма-корректированные значения компонентов. При ресайзе в большее разрешение это не существенно, однако при уменьшении разрешения неверный ресайз может приводить к заметным проблемам.

Встроенные функции Avisynth этого не учитывают, а кроме того, имеют ряд багов chroma shift, часть из которых не исправлена и в версии 2.6a3.

Ресайз над линейными компонентами можно производить при помощи Dither Tools (пример) или ResampleHQ. Однако в последнем присутствуют некоторые баги.

Коррекция коэффициентов[править]

Если при создании рипа производится ресайз из HD в SD, то следует скорректировать значения YCbCr так, чтобы при воспроизведении цвета не искажались из-за ошибочного выбора коэффициентов (для SD традиционно используются BT.601, для HD — BT.709). В Avisynth это можно сделать выполняя ресайз при помощи Dither Tools или ResampleHQ, а также плагинами ColorMatrix и t3dlut. Сама по себе коррекция коэффициентов не требует преобразования в RGB.

При кодировании следует указывать используемые коэффициенты в метаданных (параметр —colormatrix для x264). Эта информация может использоваться либо когда конвертация в RGB производится декодером, либо отдельными связками декодер + рендерер (LAV Video + madVR). В большинстве же случаев флаг colormatrix игнорируется и коэффициенты выбираются на основе разрешения видео. Тем не менее, выставленный флаг позволяет понять, корректировались ли коэффициенты.

Standard	Primaries (x; y) R, G, B, White	Matrix coefficients KR; KB	Transfer characteristics
IEC 61966-2-4 (xvYCC)	(0.640; 0.330), (0.300; 0.600), (0.150; 0.060), D65 (0.3127; 0.3290)	xvYCC601: 0.299; 0.114	V={1.099⋅Lc0.45−0.099,for Lc≥0.0184.500⋅Lc,for 0.018>Lc>−0.018−1.099⋅(−Lc)0.45+0.099,for −0.018≥Lc{\displaystyle V={\begin{cases}1.099\cdot L_{c}^{0.45}-0.099,&{\mbox{for }}L_{c}\geq 0.018\\4.500\cdot L_{c},&{\mbox{for }}0.018>L_{c}>-0.018\\-1.099\cdot (-L_{c})^{0.45}+0.099,&{\mbox{for }}-0.018\geq L_{c}\end{cases}}}
		xvYCC709: 0.2126; 0.0722
SMPTE RP 177 Annex B		0.2126; 0.0722	?
BT.1361 extended gamut			V={1.099⋅Lc0.45−0.099,for 1.33>Lc≥0.0184.500⋅Lc,for 0.018>Lc≥−0.0045−(1.099⋅(−4⋅Lc)0.45−0.099)/4,for −0.0045>Lc≥−0.25{\displaystyle V={\begin{cases}1.099\cdot L_{c}^{0.45}-0.099,&{\mbox{for }}1.33>L_{c}\geq 0.018\\4.500\cdot L_{c},&{\mbox{for }}0.018>L_{c}\geq -0.0045\\-(1.099\cdot (-4\cdot L_{c})^{0.45}-0.099)/4,&{\mbox{for }}-0.0045>L_{c}\geq -0.25\end{cases}}}
BT.1361 conventional gamut			V={1.099⋅Lc0.45−0.099,for 1≥Lc≥0.0184.500⋅Lc,for 0.018>Lc≥0{\displaystyle V={\begin{cases}1.099\cdot L_{c}^{0.45}-0.099,&{\mbox{for }}1\geq L_{c}\geq 0.018\\4.500\cdot L_{c},&{\mbox{for }}0.018>L_{c}\geq 0\end{cases}}}
BT.709-5 Part 2
SMPTE 274M
SMPTE 295M
SMPTE 296M
EBU Tech 3299
FCC 73.682	(0.67; 0.33), (0.21; 0.71), (0.14; 0.08), C (0.310; 0.316)	0.30; 0.11	γ = 2.2
NTSC 1953		0.299; 0.114
BT.470-6 System M/NTSC
BT.470-6 System M/PAL			γ = 2.8
BT.470-6 System B, G, I, …	(0.64; 0.33), (0.29; 0.60), (0.15; 0.06), D65 (0.3127; 0.3290)
BT.1700 625 PAL/SECAM			γ = 2.2
BT.601-6 625			V={1.099⋅Lc0.45−0.099,for 1≥Lc≥0.0184.500⋅Lc,for 0.018>Lc≥0{\displaystyle V={\begin{cases}1.099\cdot L_{c}^{0.45}-0.099,&{\mbox{for }}1\geq L_{c}\geq 0.018\\4.500\cdot L_{c},&{\mbox{for }}0.018>L_{c}\geq 0\end{cases}}}
BT.1358 625
BT.601-6 525	(0.630; 0.340), (0.310; 0.595), (0.155; 0.070), D65 (0.3127; 0.3290)
BT.1358 525
SMPTE 170M BT.1700 NTSC
SMPTE 293M
SMPTE 240M		0.212; 0.087

ru.wikibooks.org

Цветовая модель — Википедия

Цветовая модель — математическая модель описания представления цветов в виде кортежей чисел (обычно из трёх, реже — четырёх значений), называемых цветовыми компонентами или цветовыми координатами. Все возможные значения цветов, задаваемые моделью, определяют цветовое пространство.

Цветовая модель задаёт соответствие между воспринимаемыми человеком цветами, хранимыми в памяти, и цветами, формируемыми на устройствах вывода (возможно, при заданных условиях).

Функции цветового соответствия Стандартного колориметрического наблюдателя, определённые комитетом CIE в 1931 году на диапазоне длин волн от 380 до 780 нм (с 5 нм интервалом).^[1]

Человек является трихроматом — сетчатка глаза имеет три вида рецепторов (колбочек), ответственных за цветное зрение. Можно считать, что каждый вид колбочек даёт свой отклик на определённую длину волны видимого спектра.

Важным свойством (для всех физически реализуемых цветов) является неотрицательность как функций отклика, так и результирующих цветовых координат для всех цветов. Системой, основанной на откликах колбочек человеческого глаза, является цветовая модель LMS.

Исторически сложилось, что для измерения цвета используется другое цветовое пространство — XYZ. Это — эталонная цветовая модель, заданная в строгом математическом смысле организацией CIE (International Commission on Illumination — Международная комиссия по освещению) в 1931 году. Модель CIE XYZ является мастер-моделью практически всех остальных цветовых моделей, используемых в технических областях.

Эксперименты, проведённые Дэвидом Райтом (англ. David Wright)^[2] и Джоном Гилдом (англ. John Guild)^[3] в конце 1920-х и начале 1930-х годов, послужили основой для определения функций цветового соответствия. Изначально функции цветового соответствия были определены для 2-градусного поля зрения (использовался соответствующий колориметр). В 1964 году комитет CIE опубликовал дополнительные данные для 10-градусного поля зрения. Итак, аналогично координатам LMS, цвет XYZ задаётся следующим образом:

X=∫380780I(λ)x¯(λ)dλ{\displaystyle X=\int _{380}^{780}I(\lambda )\,{\overline {x}}(\lambda )\,d\lambda }

Y=∫380780I(λ)y¯(λ)dλ{\displaystyle Y=\int _{380}^{780}I(\lambda )\,{\overline {y}}(\lambda )\,d\lambda }

Z=∫380780I(λ)z¯(λ)dλ{\displaystyle Z=\int _{380}^{780}I(\lambda )\,{\overline {z}}(\lambda )\,d\lambda }

где I(λ){\displaystyle I(\lambda )} — спектральная плотность какой-либо энергетической фотометрической величины (например потока излучения, энергетической яркости и т. п., в абсолютном или относительном выражении).

Для модели брались условия, чтобы компонента Y соответствовала визуальной яркости сигнала (y¯(λ){\displaystyle {\overline {y}}(\lambda )} — эта та самая относительная спектральная световая эффективность монохроматического излучения для дневного зрения, которая используется во всех световых фотометрических величинах), координата Z соответствовала отклику S («short», коротковолновых, «синих») колбочек, а координата X была всегда неотрицательной. Кривые отклика нормируются таким образом, чтобы площадь под всеми тремя кривыми была одинаковой. Это делается для того, чтобы равномерный спектр, цвет которого в колориметрических условиях наблюдения принято считать белым, имел одинаковые значения компонент XYZ и в дальнейшем, при анализе цвета, было проще определять цветовой тон просто вычитая из цвета равные значения XYZ. Функции отклика и координаты XYZ также являются неотрицательными для всех физически реализуемых цветов. Очевидно, что не для каждого сочетания XYZ существует монохроматическая спектральная линия (соответствующий цвет радуги), которая бы соответствовала этим координатам. На графике справа X — красная кривая, Y — зелёная, Z — синяя.

Стоит заметить, что цветовое пространство XYZ не задает сразу отклики колбочек на сетчатке человека, являясь очень сильно преобразованной цветовой моделью с целью получить значения цвета и соответственно возможность отличать один спектр от другого, отталкиваясь от фотометрической яркости излучения (Y). Саму яркость Y интерпретировать как отклик «зеленых» колбочек нельзя, эта функция для дневного зрения, являющегося трехстимульным, задается всеми реальными откликами рецепторов. Изначально модель CIE 1931 XYZ получили путём преобразования модели CIE 1931 RGB, которая, в свою очередь, является следствием прямого эксперимента по смешиванию и визуальному сравнению излучений различных спектральных составов. Любая цветовая модель может быть преобразована в модель XYZ, так как данная модель определяет все правила смешивания цветов и задает ограничения, накладываемые на все спектральные составы излучений, которые имеют один цвет.

Хроматические координаты (x;y) и цветовое пространство xyY[править | править код]

Хроматическая диаграмма с длинами волн цветов

Если формально построить сечение пространства XYZ плоскостью X+Y+Z=const{\displaystyle X+Y+Z=const}, то можно две оставшиеся линейно-независимыми координаты записать в виде

x=X/(X+Y+Z){\displaystyle x=X/(X+Y+Z)}

y=Y/(X+Y+Z){\displaystyle y=Y/(X+Y+Z)}.

аналогично, но необязательно:

z=Z/(X+Y+Z){\displaystyle z=Z/(X+Y+Z)}

Такое сечение называется хроматической диаграммой (диаграммой цветности).

В пространстве XYZ точке (X,0,0), как легко посчитать по формулам, на хроматической диаграмме соответствует точка xy=(1,0). Подобным образом, точке XYZ=(0,Y,0) соответствует точка xy=(0,1) и, наконец, точке XYZ=(0,0,Z) — точка xy=(0,0). Видно, что все реальные цвета, полученные любыми спектральными составами излучений, в том числе и монохроматическими (спектральные цвета) не дотягивают до подобных «чистых» значений. Данная закономерность вытекает из правила смешивания цветов и является проявлением того, что невозможно получить отклик одних колбочек без отклика других (хоть и очень малого), а также из того, что яркость Y не может иметь нулевое или малое значение при определенном отклике любых колбочек.

Цветовое пространство xyY можно задать, если задать значение цветности — (x, y) при данном значении яркости Y.

При этом для координат x и y продолжает выполняться условие неотрицательности.

Не следует путать светлоту Y в моделях XYZ и xyY — с яркостью Y в модели YUV или YCbCr.

Физически реализуемые цвета[править | править код]

Если на хроматической диаграмме xy отметить все возможные монохроматические цвета спектра, то они образуют собой незамкнутый контур, так называемый спектральный локус. Замыкание этого контура в основании «языка» называется линией пурпуров. Все цвета, которые могут быть реализованы в виде суммы спектральных линий данной яркости, будут лежать внутри этого контура. То есть существуют точки XYZ цветов за пределами контура, которые хотя и имеют положительные значения каждой компоненты, но тем не менее соответствующий отклик от колбочек не может быть получен при данной яркости (константе Y=const{\displaystyle Y=const}).

Вместе с тем, при расчётах такие цвета (как и вообще цвета с отрицательными координатами) вполне могут использоваться. Например, в качестве базовых цветов для пространства Prophoto RGB были выбраны физически не реализуемые цвета.

Производные от CIE XYZ цветовые пространства[править | править код]

Цветовые модели можно классифицировать по их целевой направленности:

1. L*a*b* — равноконтрастное цветовое пространство, в котором расстояние между цветами соответствует мере ощущения их различия.
2. Аддитивные модели — где цвет получается путём добавления к черному (Класс RGB).
3. Субтрактивные модели — получение цвета «вычитанием» краски из белого листа (CMY, CMYK).
4. Модели для кодирования цветовой информации при сжатии изображений и видео.
5. Математические модели, полезные для обработки изображения, например HSV.
6. Модели, где соответствие цветов задаётся таблично (Цветовая модель Пантон (Pantone))

Все модели сводятся к XYZ путём соответствующих математических преобразований. В качестве примеров можно рассмотреть:

• Цветовая модель sRGB (IEC 61966-2.1)^[4], разновидность модели RGB, широко используется в компьютерной индустрии, часто представляет собой цветовую модель «по умолчанию».
• В телевидении для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SÉCAM — модель YDbDr, а для NTSC — модель YIQ. (Следует помнить, что Y в этих моделях вычисляется совершенно по-другому, чем Y в модели XYZ).

Цветовой охват моделей устройств вывода[править | править код]

Охват различных устройств цветовоспроизведения

Диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик цветового охвата (англ. color gamut) различных устройств воспроизведения цвета — дисплеев и принтеров через соответствующие им цветовые модели.

Как уже было сказано, любой тройке чисел XYZ можно сопоставить конкретные координаты пространства RGB или CMYK. Так, цвет будет соответствовать яркости цветовых каналов или плотности красок. Физическая реализуемость цвета на устройстве накладывает условие неотрицательности координат. Таким образом, только некое подмножество Yxy может быть физически реализовано на устройстве. Эта область называется цветовым охватом устройства.

Конкретная область цветового охвата обычно имеет вид многоугольника, углы которого образованы точками основных, или первичных, цветов. Внутренняя область описывает все цвета, которые способно воспроизвести данное устройство.

На рисунке справа показаны области цветового охвата различных средств цветовоспроизведения:

• белый контур отражает диапазон фотографической эмульсии различного назначения;
• красный пунктирный контур — пространство sRGB, приблизительно соответствующее гамме большинства распространённых мониторов, являющиеся, по сути, стандартом представления графики в сети Интернет;
• чёрный сплошной контур — пространство Adobe RGB, включающее цвета, воспроизводимые на печатных машинах, но с использованием первичных цветов;
• синий сплошной контур соответствует высококачественной офсетной печати;
• синий пунктирный контур отражает охват обычного бытового принтера.

• Алексей Шадрин, Андрей Френкель. Color Management System (CMS) в логике цветовых координатных систем. Часть I, Часть 2, Часть 3
• Всё о цвете
• Цветопередача
• Основы теории цвета
• Цветовой конвертер LCh, Lab, RGB, hex, XYZ, xyY, CMYK, Pantone с открытым кодом (неопр.). CIELab.XYZ.

ru.wikipedia.org

Цветовое пространство

© 2014 Vasili-photo.com

Цветовое пространство – это абстрактная математическая модель, описывающая некую цветовую палитру, т.е. фиксированный диапазон цветов, с помощью цветовых координат. Например, палитры, построенные по аддитивной схеме RGB, описываются посредством трёхмерной модели, а значит любой цвет, входящий в палитру, может быть однозначно определён индивидуальным набором из трёх координат.

Самое полное цветовое пространство – CIE xyz, охватывает весь спектр видимых человеком цветов. В 1931 году Международная комиссия по освещению (Commission internationale de l’éclairage или CIE) утвердила CIE xyz в качестве эталонного цветового пространства, в связи с чем, оно и по сей день используется для оценки и сравнения всех остальных моделей.

Важно помнить, что ни одно устройство, служащее для воспроизведения цветных изображений, будь то принтер или компьютерный монитор, не в состоянии отобразить всё то многообразие цветов, которое доступно человеку с нормальным зрением. Хуже того, цветовой охват различных устройств часто не совпадает, в результате чего одни и те же цвета могут выглядеть по-разному в зависимости от конкретной модели монитора или принтера. Для решения этой проблемы используются т.н. рабочие цветовые пространства, которые представляют собой стандартные палитры, более-менее соответствующие цветовому охвату определённого класса устройств. Применение стандартных цветовых пространств при работе с цветным изображением позволяет гарантированно не выйти за пределы цветового диапазона конечного устройства вывода, а в случае, если выход неизбежен, узнать о несоответствии цветовых пространств заранее и принять соответствующие меры.

Рабочие цветовые пространства

Наиболее общеупотребимыми рабочими цветовыми пространствами в цифровой фотографии являются sRGB и Adobe RGB. Значительно меньшей популярностью пользуется ProPhoto RGB.

sRGB

sRGB – это универсальное цветовое пространство, созданное совместно компаниями Hewlett-Packard и Microsoft в 1996 году для унификации цветопередачи. sRGB далеко не самое широкое пространство – оно охватывает всего 35% цветов, описываемых CIE, но зато поддерживается всеми без исключения современными мониторами. sRGB является мировым стандартом для показа изображений в интернете, и все веб-браузеры по умолчанию используют именно это цветовое пространство. Когда вы сохраняете изображение в sRGB, вы можете быть уверены в том, что цвета, которые вы видите на своём мониторе, будут отображаться на других мониторах без существенных искажений, вне зависимости от программы, используемой для их просмотра. Несмотря на кажущуюся узость, палитры sRGB достаточно для подавляющего большинства практических нужд фотолюбителя, включая фотосъёмку, обработку фотографий и их печать.

Adobe RGB

В 1998 году компания Adobe Systems разработала цветовое пространство Adobe RGB, более точно по сравнению с sRGB соответствующее палитре, доступной при печати на высококачественных цветных принтерах. Adobe RGB охватывает примерно 50% цветового диапазона CIE, но на глаз отличия между Adobe RGB и sRGB трудноразличимы.

Наглядное сравнение цветового диапазона sRGB (цветная область)
и Adobe RGB (светло-серая область).

Следует понимать, что бездумное использование Adobe RGB вместо sRGB, из-за абстрактного превосходства в цветовом охвате, не только не улучшит качество ваших фотографий, но, скорее всего, приведёт к его ухудшению. Да, теоретически Adobe RGB имеет больший цветовой охват, чем sRGB (преимущественно в сине-зелёных тонах), но что толку, если в 99% случаев эта разница не заметна, ни на компьютерном мониторе, ни при печати, даже при использовании подходящего оборудования и программного обеспечения?

Adobe RGB – это узкоспецифическое цветовое пространство, используемое сугубо для профессиональной фотопечати. Изображения в Adobe RGB нуждаются в специальном программном обеспечении для просмотра и редактирования, а также в принтере или минифотолаборатории, поддерживающих соответствующий профиль. При просмотре в программах, не поддерживающих Adobe RGB, – например, в интернет-браузерах, – все цвета, не укладывающиеся в стандартное цветовое пространство sRGB, будут отсечены, и изображение потускнеет. Точно также при печати в большинстве коммерческих фотолабораторий, Adobe RGB будет самым бездарным образом преобразовано в sRGB, и вы получите менее насыщенные цвета, чем, если бы изначально сохранили изображение в sRGB.

ProPhoto RGB

В связи с тем, что весь диапазон цветов, воспринимаемых матрицей цифрового фотоаппарата, настолько широк, что не может быть напрямую описан даже с помощью Adobe RGB, компанией Kodak в 2003 году было предложено новое цветовое пространство ProPhoto RGB, охватывающее 90% цветов CIE и худо-бедно соответствующее возможностям фотоматрицы. При этом прикладная ценность ProPhoto RGB для фотографа ничтожна, поскольку ни один монитор или принтер не обладает цветовым охватом, достаточным для того, чтобы воспользоваться преимуществом сверхширокого цветового пространства.

DCI-P3

DCI-P3 – ещё одно цветовое пространство, предложенное в 2007 году Обществом инженеров кино и телевидения (SMPTE) в качестве стандарта для цифровых проекторов. DCI-P3 имитирует цветовую палитру киноплёнки. По своему охвату DCI-P3 превосходит sRGB, и примерно соответствует Adobe RGB с той лишь разницей, что Adobe RGB больше простирается в сине-зелёную часть спектра, а DCI-P3 – в красную. В любом случае, DCI-P3 представляет интерес большей частью для кинематографов, и не имеет прямого отношения к фотографии. Из массовых компьютерных мониторов, кажется, только дисплеи Apple iMac Retina способны корректно отображать DCI-P3.

Практические рекомендации

Выбирать цветовое пространство следует исходя из конкретных практических соображений, а вовсе не на основании теоретического превосходства одного пространства над другим. К сожалению, гораздо чаще охват цветового пространства, используемого фотографом, коррелирует лишь с уровнем его снобизма. Чтобы с вами этого не случилось, рассмотрим те стадии цифрового фотопроцесса, которые могут быть связаны с выбором того или иного цветового пространства.

Собственно съёмка

Многие камеры позволяют фотографу выбирать между sRGB и Adobe RGB. Цветовым пространством по умолчанию является sRGB, и я настоятельно советую вам не трогать этот пункт меню, вне зависимости от того, снимаете ли вы в RAW или в JPEG.

Если вы снимаете в JPEG, то, скорее всего, делаете это для экономии времени и сил, и не склонны подолгу возиться с каждым снимком, а значит Adobe RGB вам точно ни к чему.

Если же вы снимаете в RAW, то выбор цветового пространства вообще не имеет никакого значения, поскольку RAW-файл в принципе не обладает такой категорией, как цветовое пространство – он просто содержит все данные, полученные с цифровой матрицы, которые лишь при последующей конвертации будут ужаты до заданного диапазона цветов. Даже если вы собираетесь конвертировать свои снимки в Adobe RGB или ProPhoto RGB, в настройках камеры следует оставить sRGB, чтобы избежать лишних трудностей, когда вам внезапно понадобится внутрикамерный JPEG.

Редактирование

Стандартное цветовое пространство назначается изображению только в момент конвертации RAW-файла в TIFF или JPEG. До этого момента вся обработка в RAW-конвертере происходит в некоем условном ненормированном цветовом пространстве, соответствующем цветовому охвату матрицы фотоаппарата. Именно поэтому RAW-файлы позволяют столь вольно обращаться с цветом при их обработке. По завершению редактирования, цвета, выходящие за рамки целевой палитры, автоматически подгоняются под наиболее близкие им значения в пределах выбранного вами цветового пространства.

За редким исключением, я предпочитаю конвертировать RAW-файлы в sRGB, поскольку мне нужны предельно универсальные и воспроизводимые на любом оборудовании результаты. Я вполне доволен цветами, которые я получаю в sRGB, и нахожу пространство Adobe RGB избыточным. Но если вам кажется, что использование sRGB отрицательно влияет на качество ваших фотографий, вы вправе использовать то цветовое пространство, которое сочтёте нужным.

Некоторые фотографы предпочитают конвертировать файлы в Adobe RGB для того, чтобы иметь большую свободу при последующей обработке изображения в Фотошопе. Это справедливо в том случае, если вы действительно собираетесь проводить глубокую цветокоррекцию. Лично я всю работу с цветом предпочитаю осуществлять в RAW-конвертере, поскольку это проще, удобнее и обеспечивает лучшее качество.

А что насчёт ProPhoto RGB? Забудьте о нём! Это математическая абстракция и целесообразность практического её применения ещё ниже, чем у Adobe RGB.

Кстати, если вы всё-таки вынуждены редактировать снимки в Фотошопе в пространствах, отличных от sRGB, не забывайте использовать разрядность в 16 бит на канал. Постеризация в цветовых пространствах с большим охватом становится заметной при равной разрядности раньше, чем в sRGB, поскольку одно и то же число бит используется для кодирования большего диапазона оттенков.

Печать

Использование Adobe RGB при печати фотографий может быть оправдано, но только при условии, что вы хорошо разбираетесь в управлении цветом, знаете, что такое цветовые профили и лично контролируете весь фотопроцесс, а также пользуетесь услугами серьёзной фотолаборатории, принимающей файлы в Adobe RGB и располагающей соответствующим оборудованием для их печати. Кроме того, не поленитесь провести несколько тестов, конвертируя одни и те же снимки как в sRGB, так и в Adobe RGB и печатая их на одном и том же оборудовании. Если вы не сможете увидеть разницу, то стоит ли усложнять себе жизнь? Палитры sRGB хватает для большинства сюжетов.

Интернет

Все изображения, предназначенные для публикации в интернете, должны быть в обязательном порядке преобразованы в sRGB. При использовании любого другого цветового пространства цвета в браузере могут отображаться некорректно.

***

Если я недостаточно чётко выразил свою позицию, то позволю себе повторить ещё раз: в случае малейших сомнений по поводу того, какое цветовое пространство вам следует использовать в той или иной ситуации – выбирайте sRGB, и вы убережёте себя от ненужных хлопот.

Спасибо за внимание!

Василий А.

Post scriptum

Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.

Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.

Желаю удачи!

Дата публикации: 06.03.2014

Вернуться к разделу «Матчасть»

Перейти к полному списку статей

vasili-photo.com