Цветовые режимы. Знакомство с цветовыми каналами (RGB, CMYK, Плашечные, Lab, многоканальный и одноканальные режимы)
Как вы уже знаете, каждый пиксел изображения в градациях серого определяется 8 битами информации, и файл может содержать до 256 значений пикселов. Но эти значения (от 1 до 255) не обязательно должны представлять оттенки серого. Режим Indexed Color (Индексированные цвета) предлагает возможность создания 8-битовых изображений с 256 цветами. В таких изображениях используется таблица из 256 цветов, выбранных из всей 24-битовой цветовой палитры. Цвет того или иного пиксела определяется ссылкой к таблице: этот пиксел имеет цвет за номером 123, этот – за номером 81 и т. д.
Режим Indexed Color позволяет экономить дисковое пространство (лишь 8 бит на пиксел против 24 бит в режиме RGB – см. ниже), но дает всего 256 цветов. Это совсем не много по сравнению с 16,7 млн. цветов в режиме RGB. Тем не менее, поскольку многие мониторы работают только в режиме 8-битового отображения цвета, изображения с индексированными цветами идеально подходят для программ мультимедиа и экранных презентаций.
Есть и ряд серьезных ограничений. Прежде всего, в режиме Indexed Color невозможно пользоваться фильтрами и инструментами, выполняющими сглаживание (напр. "палец" или "осветлитель/затемнитель"), так как функция сглаживания здесь недоступна. Это значит, что редактировать изображение следует в RGB и лишь на заключительной стадии выполнять преобразование в Indexed Color.
Другая проблема с индексированными цветами связана с цветовыми таблицами. Если при переносе изображения из одной программы в другую эта таблица изменится, то изменится и цветовой состав изображения. Пиксел номер 123 может и сохранит значение 81, но после переноса в другую программу "цвет 81" может оказаться уже не красным, а синим.
Наконец, изображение с индексированными цветами невозможно разделить на цвета CMYK в программе QuarkXPress или Adobe PageMaker. Если вы собираетесь напечатать такое изображение, его стоит преобразовать в RGB или CMYK, не выходя из Photoshop. Правда, картинка после этого ничуть не улучшится – она по-прежнему будет состоять из 256 цветов.
Кстати, изображения Indexed Color можно более-менее успешно использовать при работе с плашечными цветами.
Изображения с индексированными цветами можно сохранять в форматах Photoshop, CompuServe GIF, PNG, PICT , Amiga IFF и BMP (см. "Другие форматы файла, которые могут вам пригодиться", "Хранение изображений").
Режим RGB
Компьютерные мониторы и телевизоры воспроизводят цвет в режиме RGB, где все разнообразие оттенков формируется сочетанием разного количества красного, зеленого и синего света. (Эти цвета называются первичными аддитивными – сложение красного, зеленого и синего света образует белый). Файлы, сохраненные в режиме RGB, состоят из трех 8-битовых файлов в градациях серого, поэтому принято говорить, что RGB-изображения являются 24-битовыми файлами.
Эти файлы могут включать до 16 млн. цветов – вполне достаточно для фотографического качества. Именно в этом режиме мы предпочитаем редактировать цветные изображения. Большинство сканеров сохраняет изображения в режиме RGB. Исключение составляют оснащенные "цветовыми компьютерами" барабанные сканеры высшего класса, которые автоматически преобразуют файлы в режим CMYK (см. далее).
Если вы занимаетесь созданием изображений для проектов мультимедиа или выводом файлов на устройства записи на пленку (напр. 35-мм слайды или диапозитивы 4 х 5 дюймов), изображения следует всегда сохранять в режиме RGB (см. "Методы вывода").
24-битовые RGB-файлы можно сохранять в форматах Photoshop, EPS, TIFF, PICT , Amiga IFF , BMP, JPEG, PCX, Pixar, Roaw, Scitex CT и Targa. Но если у вас нет веских причин поступать иначе, мы рекомендуем вам пользоваться только форматами Photoshop, TIFF или EPS.
Photoshop позволяет также работать и с 48-битовыми RGB-файлами, содержащими три 16-битовых канала вместо обычных 8-битовых. Несмотря на ограниченный выбор средств для обработки 48-битовых изображений, мы обращаемся к таким файлам все чаще и чаще, поскольку они допускают чрезвычайную гибкость в редактировании (см. "Работа с многобитовыми сканированными изображениями", "Цветокоррекция").
Разумеется, если вы занимаетесь подготовкой изображений для мультимедиа или Web, вы будете все время работать в RGB и переключаться на CMYK вам совершенно незачем.
Режим CMYK
Традиционные машины цветной печати работают только с четырьмя красками: голубой, пурпурной, желтой и черной. Все остальные цвета имитируются комбинацией этих красок. Когда вы открываете CMYK-файл в Photoshop, программа для отображения его на экране компьютера тут же преобразует значения CMYK в значения RGB. Важно помнить, что, просматривая CMYK-файл на экране, вы видите его RGB-версию.
Если вы покупаете сканированные изображения, полученные на сканере высшего класса, это почти наверняка будут CMYK-файлы. Во всех остальных случаях прежде, чем напечатать изображение на печатной машине или настольном принтере, вам нужно будет преобразовать его из RGB в CMYK. Средства, которые в Photoshop используются для такого преобразования, рассмотрены в "Параметры цвета" .
CMYK-файлы можно сохранять в форматах Photoshop, TIFF, EPS, JPEG, Scitex CT и Raw, хотя в большинстве случаев используются первые три.
Режим Lab
Основная проблема моделей RGB и CMYK состоит в том, что применяемые в них значения в действительности цвета не описывают. Скорее это набор инструкций, которыми пользуется выводное устройство для воспроизведения цвета. Но дело в том, что по одним и тем же спецификациям RGB или CMYK разные устройства воспроизводят разные цвета. Вы наверняка видели в магазинах полки с работающими телевизорами и понимаете, о чем речь: одно и то же изображение (с одними и теми же значениями RGB) на разных экранах выглядит по-разному.
А если вам доводилось иметь дело с печатной машиной, то вы знаете, что цвет на пятидесятом оттиске выглядит не так, как на пятитысячном или пятидесятитысячном. Хотя пиксел сканированного изображения имеет определенное значение CMYK или RGB, определить, как этот цвет будет выглядеть в действительности, невозможно. Следовательно, RGB и CMYK являются аппаратно-зависимыми цветовыми моделями.
Между тем существуют и аппаратно-независимые цветовые модели. Все они в той или иной степени основываются на цветовом пространстве, определенном в качестве стандарта в 1931 году организацией Commission Internationale de l’Eclairage (CIE). Модель Lab в Photoshop – одна из его производных.
В отличие от RGB и CMYK, модель Lab определяет цвет не по его компонентам, а дает описание того, как выглядит цвет. Аппаратно-независимые модели составляют ядро систем управления цветом, которые обеспечивают соответствие цветов при отображением их на экране, подачей файла на выводное устройство и получении конечных оттисков.
Файл, сохраненный в модели Lab, описывает, как выглядит цвет в строго определенных условиях. А то, какие значения RGB или CMYK нужны для воспроизведения этого цвета на конкретном выводном устройстве, зависит от вас (или от Photoshop, или от вашей системы управления цветом).
В ходе преобразования изображения из RGB в CMYK или наоборот Photoshop использует модель Lab в качестве эталона, принимая в расчет параметры из диалоговых окон RGB Setup и CMYK Setup (подробно этот процесс описан в "Параметры цвета"). Lab-изображения можно сохранять в форматах Photoshop, EPS, TIFF или Raw.
Хорошо, что работать в режиме Lab приходится довольно редко: управляться с этой моделью почти невозможно. Если RGB или CMYK более или менее понятны, то Lab совершенно непостижима (если вы вдруг почувствовали, что кое-что начинает проясняться, значит у вас нелады с рассудком). Тем не менее, иногда Lab оказывается очень полезной, например при подчистке изображений, полученных на цифровых камерах, или при тонкой настройке яркости).
Подсказка. L означает Luminosity (Светлота) . Преимущество Lab заключается в том, что информация о яркости (канал "L") здесь хранится отдельно от цветовой информации (каналы "a" и "b"). Этим можно воспользоваться для настройки тонов без воздействия на его цвета, а также для повышения резкости без заметного ущерба для качества изображения.
Режим Multichannel
Последним в списке цветовых режимов Photoshop числится Multi-channel – многоканальный. Так же, как RGB или CMYK, он имеет несколько 8-битовых каналов, но позволяет присваивать им любые цвета и имена.
Подобная гибкость может быть как благом, так и наказанием. Прежде, когда цветные сканеры были слишком дороги, мы делали цветные картинки на серых сканерах, сканируя изображение три раза через красную, зеленую и синюю пленки. Затем комбинировали три изображения, объединяя их в одном многоканальном документе, а потом уже выполняли преобразование в RGB. К счастью, теперь в этом нет необходимости.
Сегодня многие изображения, используемые в научных и астрономических целях, делаются с применением "инородного цвета" – в дополнение к различным цветам видимого спектра каналы могут представлять собой комбинацию радио-, инфракрасных и ультрафиолетовых волн. Некоторые из наших знакомых, помешанные на цифровой фотографии, комбинируют в многоканальном режиме обычные снимки с фотографиями, сделанными под воздействием инфракрасных лучей, создавая необыкновенные сюрреалистические композиции.
Мы же обращаемся к режиму Multichannel в основном на промежуточных этапах работы. В нем, например, можно хранить дополнительные каналы масок для прозрачности или выделений, использованных в других изображениях. Многоканальные изображения могут сохраняться только в форматах Photoshop и Raw.
Изображение в Фотошопе можно преобразовать, отобразить и редактировать в любом из восьми режимов: Bitmap (Битовая карта), Grayscale (Полутоновой), Duotone (Двутоновый), Indexed Color (Индексированный цвет), RGB, CMYK, Lab и Multichannel (Многоканальный). Просто выберите необходимый режим из подменю Image > Mode (Изображение > Режим) - см. рис. 2.7.
Рис. 2.7. Подменю Mode
Для того чтобы воспользоваться недоступным режимом (его имя выглядит тусклым), сначала необходимо преобразовать изображение в другое представление. Например, если вы хотите преобразовать изображение в режим Indexed Color, оно должно находиться в режиме RGB или Grayscale.
Некоторые изменения режима изображения вызывают заметные сдвиги цвета; другие касаются лишь едва уловимых нюансов. Разительные перемены могут произойти при преобразовании изображения из режима RGB в режим CMYK, так как выводимые на печать цвета будут заменены насыщенными, яркими RGB-цветами. Точность соответствия цветов может уменьшиться, если многократно преобразовать изображение из режима RGB в CMYK и обратно.
Сканеры среднего и низкого класса обычно позволяют получить только RGB-изображения. Если вы создаете изображение в Фотошопе, которое впоследствии будет распечатано, для ускорения редактирования и применения фильтров работайте с ним в режиме RGB, а затем, когда будете готовы вывести изображение на печать, преобразуйте его в представление CMYK. Для того чтобы предварительно просмотреть изображение в режиме CMYK таким, каким он будет на печати, воспользуйтесь командами подменю View > Proof Setup (Вид > Установки пробного отпечатка) (рис. 2.8) в сочетании с командами подменю View > Proof Colors (Вид > Цвета пробного отпечатка) или нажмите комбинацию клавиш Ctrl+Y.
Рис. 2.8. Подменю установки параметров пробного отпечатка
Можно предварительно просмотреть изображение в режиме CMYK в одном окне и открыть второе окно Фотошопа, в котором то же изображение будет отображаться без предварительного преобразования в представление CMYK.
Некоторые преобразования Фотошопа вызывают объединение слоев, например преобразование в режим Indexed Color, Multichannel или Bitmap. При остальных преобразованиях, если вы хотите наверняка сохранить слои, установите флажок Don"t Flatten (He объединять слои).
Сканеры последних моделей создают CMYK-изображения, и чтобы не потерять данные о цветах, этот режим не следует менять. Если для вас обременительно работать с такими большими файлами, можно использовать схему замены изображения на копии с более низким разрешением, сохранить команды с помощью палитры Actions и затем применить действие к изображению с высоким разрешением в режиме CMYK. Однако некоторые операции в Фотошопе все равно придется производить вручную, например нанесение штрихов инструментом Brush.
Некоторые устройства вывода требуют, чтобы изображение было сохранено в определенном представлении. Доступность некоторых команд и опций инструментов в Фотошопе также может меняться в зависимости от текущего режима изображения.
В режиме Bitmap (рис. 2.9, 2.11), пикселы либо на 100% белые либо на 100% черные, нет доступа к слоям, фильтрам, а также командам подменю Adjustments
Рис. 2.9. Изображение в представлении Bitmap, метод преобразования Diffusion Dither
Рис. 2.10. Изображение в представлении Grayscale
Рис. 2.11. Режим Bitmap
(Корректировки), кроме команды Invert (Обратить). Прежде чем преобразовать изображение в это представление, необходимо, чтобы оно имело представление Grayscale.
В режиме Grayscale (рис. 2.10, 2.12) пикселы могут быть черными, белыми и иметь до 254 оттенков серого. Если преобразовать цветное изображение в полутоновое, затем сохранить и закрыть, информация о яркости сохранится, но информация о цвете будет безвозвратно утеряна.
Рис. 2.12. Режим Grayscale
Изображение в режиме Indexed Color (см. рис. 2.13) содержит один канал, а в таблице цветов может быть максимум 256 цветов или оттенков (8-битовое представление цвета). Это максимальное число цветов, доступных в наиболее приемлемых для Web форматах GIF и PNG-8. Однако в Фотошопе лучше использовать команду Save for Web (Сохранить с учетом особенностей Web) при подготовке графики для Web-браузеров. Зачастую при использовании изображений в мультимедийных приложениях бывает полезно уменьшать число их цветов до 8-битового представления. Также можно преобразовать изображение в режим Indexed Color, чтобы создать художественные цветовые эффекты.
Рис. 2.13. Режим Indexed Color
Режим RGB - наиболее универсальный, так как только в этом режиме доступны все фильтры и опции инструментов в Фотошопе (рис. 2.14). Некоторые видео и мультимедийные приложения могут импортировать RGB-изображения в формате Фотошопа.
Рис. 2.14. Режим RGB
Фотошоп - одна из немногих программ, которые позволяют отображать и редактировать изображение в режиме CMYK (рис. 2.15). Изображение можно преобразовать в этот режим, когда оно уже готово для печати на цветном принтере или когда необходимо выполнить цветоделение.
Рис. 2.15. Режим CMYK
Режим Lab (рис. 2.16) имеет три канала, он был разработан для того, чтобы повысить совместимость между принтерами и мониторами при отображении цветов. Каналы содержат информацию о яркости и двух цветах: одном из гаммы от-зеленого-к-красному и другом из гаммы от-синего-к-желтому. В представление Lab (или RGB) в Фотошопе обычно преобразуются фотоизображения. Иногда файлы сохраняют в этом режиме для экспорта их в другие операционные системы.
Режим Duotone (рис. 2.17) соответствует методу печати, при котором используются две или более печатные формы для получения более насыщенного и глубокого цвета в полутоновом изображении.
Рис. 2.16. Режим Lab
Рис. 2.17. Режим Duotone
Изображение в режиме Multichannel (рис. 2.18) состоит из нескольких полутоновых каналов с 256 оттенками цвета в каждом. Этот режим используется при печати некоторых полутоновых изображений. Кроме того, с помощью данного режима можно собрать отдельные каналы из различных изображений, прежде чем преобразовать новое изображение в цветное. При переходе в режим Multichannel сохраняются каналы заказного цвета (spot color channel). Если преобразовать изображение из режима.RGB в Multichannel, то каналы Red, Green и Blue будут преобразованы в Cyan, Magenta"n Yellow соответственно. В результате изображение может стать немного светлее, но значительных изменений не произойдет.
Рис. 2.18. Режим Multichannel
- Перевод
Я собираюсь совершить экскурс в историю науки о человеческом восприятии, которая привела к созданию современных видеостандартов. Также я попытаюсь объяснить часто используемую терминологию. Кроме того, я вкратце расскажу, почему типичный процесс создания игры со временем будет всё больше и больше напоминать процесс, используемый в киноиндустрии.
Пионеры исследований цветовосприятия
Сегодня мы знаем, что сетчатка человеческого глаза содержит три разных типа фоторецепторных клеток, называемых колбочками. Каждый из трёх типов колбочек содержит белок из семейства белков опсинов, который поглощает свет в различных частях спектра:Поглощение света опсинами
Колбочки соответствуют красной, зелёной и синей частям спектра и часто называются длинными (L), средними (M) и короткими (S) согласно длинам волн, к которым они наиболее чувствительны.
Одной из первых научных работ о взаимодействии света и сетчатки был трактат «Hypothesis Concerning Light and Colors» Исаака Ньютона, написанный между 1670-1675 гг. У Ньютона была теория, что свет с различными длинами волн приводил к резонансу сетчатки с теми же частотами; эти колебания затем передавались через оптический нерв в «сенсориум».
«Лучи света, падая на дно глаза, возбуждают колебания в сетчатке, которые распространяются по волокнам оптических нервов в мозг, создавая чувство зрения. Разные типы лучей создают колебания разной силы, которые согласно своей силе возбуждают ощущения разных цветов…»
Больше чем через сотню лет Томас Юнг пришёл к выводу, что так как частота резонанса - это свойство, зависящее от системы, то чтобы поглотить свет всех частот, в сетчатке должно быть бесконечное количество разных резонансных систем. Юнг посчитал это маловероятным, и рассудил, что количество ограничено одной системой для красного, жёлтого и синего. Эти цвета традиционно использовались в субтрактивном смешивании красок. По его собственным словам :
Поскольку по причинам, указанным Ньютоном, возможно, что движение сетчатки имеет скорее колебательную, чем волновую природу, частота колебаний должна зависеть от строения её вещества. Так как почти невозможно полагать, что каждая чувствительная точка сетчатки содержит бесконечное количество частиц, каждая из которых способна колебаться в идеальном согласии с любой возможной волной, становится необходимым предположить, что количество ограничено, например, тремя основными цветами: красным, жёлтым и синим…Предположение Юнга относительно сетчатки было неверным, но он сделал правильный вывод: в глазе существует конечное количество типов клеток.
В 1850 году Герман Гельмгольц первым получил экспериментальное доказательство теории Юнга. Гельмгольц попросил испытуемого сопоставить цвета различных образцов источников света, регулируя яркость нескольких монохромных источников света. Он пришёл к выводу, что для сопоставления всех образцов необходимо и достаточно трёх источников света: в красной, зелёной и синей части спектра.
Рождение современной колориметрии
Перенесёмся в начало 1930-х. К тому времени научное сообщество имело достаточно хорошее представление о внутренней работе глаза. (Хотя потребовалось ещё 20 лет, чтобы Джорджу Уолду удалось экспериментально подтвердить присутствие и функции родопсинов в колбочках сетчатки. Это открытие привело его к Нобелевской премии по медицине в 1967 году.) Commission Internationale de L"Eclairage (Международная комиссия по освещению), CIE, поставила задачу по созданию исчерпывающей количественной оценки восприятия цвета человеком. Количественная оценка была основана на экспериментальных данных, собранных Уильямом Дэвидом Райтом и Джоном Гилдом при параметрах, схожих с выбранными впервые Германом Гельмгольцем. Базовыми настройками были выбраны 435,8 нм для синего цвета, 546,1 нм для зелёного и 700 нм для красного.
Экспериментальная установка Джона Гилда, три ручки регулируют основные цвета
Из-за значительного наложения чувствительности колбочек M и L невозможно было сопоставить некоторые длины волн с сине-зелёной частью спектра. Для «сопоставления» этих цветов в качестве точки отсчёта нужно было добавить немного основного красного цвета:
Если мы на мгновение представим, что все основные цвета вносят отрицательный вклад, то уравнение можно переписать так:
Результатом экспериментов стала таблица RGB-триад для каждой длины волны, что отображалось на графике следующим образом:
Функции сопоставления цветов RGB по CIE 1931
Разумеется, цвета с отрицательным красным компонентом невозможно отобразить с помощью основных цветов CIE.
Теперь мы можем найти трихромные коэффициенты для света распределения спектральной интенсивности S как следующее внутреннее произведение:
Может казаться очевидным, что чувствительность к различным длинам волн можно проинтегрировать таким образом, но на самом деле она зависит от физической чувствительности глаза, линейной по отношению к чувствительности к длинам волн. Это было эмпирически подтверждено в 1853 году Германом Грассманом, и представленные выше интегралы в современной формулировке известны нам как закон Грассмана.
Термин «цветовое пространство» возник потому, что основные цвета (красный, зелёный и синий) можно считать базисом векторного пространства. В этом пространстве различные цвета, воспринимаемые человеком, представлены лучами, исходящими из источника. Современное определение векторного пространства введено в 1888 году Джузеппе Пеано, но более чем за 30 лет до этого Джеймс Клерк Максвелл уже использовал только зародившиеся теории того, что позже стало линейной алгеброй, для формального описания трихроматической цветовой системы.
CIE решила, что для упрощения вычислений будет более удобно работать с цветовым пространством, в которой коэффициенты основных цветов всегда положительны. Три новых основных цвета выражались в координатах цветового пространства RGB следующим образом:
Этот новый набор основных цветов невозможно реализовать в физическом мире. Это просто математический инструмент, упрощающий работу с цветовым пространством. Кроме того, чтобы коэффициенты основных цветов всегда были положительными, новое пространство скомпоновано таким образом, что коэффициент цвета Y соответствует воспринимаемой яркости. Этот компонент известен как яркость CIE (подробнее о ней можно почитать в замечательной статье Color FAQ Чарльза Пойнтона (Charles Poynton)).
Чтобы упростить визуализацию итогового цветового пространства, мы выполним последнее преобразование. Разделив каждый компонент на сумму компонентов мы получим безразмерную величину цвета, не зависящую от его яркости:
Координаты x и y известны как координаты цветности, и вместе с яркостью Y CIE они составляют цветовое пространство xyY CIE. Если мы расположим на графике координаты цветности всех цветов с заданной яркостью, у нас получится следующая диаграмма, которая вам наверно знакома:
Диаграмма xyY CIE 1931
И последнее, что нужно узнать - что считается белым цветом цветового пространства. В такой системе отображения белый цвет - это координаты x и y цвета, которые получаются, когда все коэффициенты основных цветов RGB равны между собой.
С течением времени появилось несколько новых цветовых пространств, которые в различных аспектах вносили улучшения в пространства CIE 1931. Несмотря на это, система xyY CIE остаётся самым популярным цветовым пространством, описывающим свойства устройств отображения.
Передаточные функции
Прежде чем рассматривать видеостандарты, необходимо ввести и объяснить ещё две концепции.Оптико-электронная передаточная функция
Оптико-электронная передаточная функция (optical-electronic transfer function, OETF) определяет то, как линейный свет, фиксируемый устройством (камерой) должен кодироваться в сигнале, т.е. это функция формы:
Раньше V был аналоговым сигналом, но сейчас, разумеется, он имеет цифровое кодирование. Обычно разработчики игр редко сталкиваются с OETF. Один из примеров, в котором функция будет важна: необходимость сочетания в игре видеозаписи с компьютерной графикой. В этом случае необходимо знать, с какой OETF было записано видео, чтобы восстановить линейный свет и правильно смешать его с компьютерным изображением.
Электронно-оптическая передаточная функция
Электронно-оптическая передаточная функция (electronic-optical transfer, EOTF) выполняет противоположную OETF задачу, т.е. она определяет, как сигнал будет преобразован в линейный свет:
Эта функция более важна для разработчиков игр, потому что она определяет, как созданный ими контент будет отображаться экранах телевизоров и мониторов пользователей.
Отношение между EOTF и OETF
Понятия EOTF и OETF хоть и взаимосвязаны, но служат разным целям. OETF нужна для представления захваченной сцены, из которого мы потом можем реконструировать исходное линейное освещение (это представление концептуально является буфером кадра HDR (High Dynamic Range) обычной игры). Что происходит на этапах производства обычного фильма:- Захват данных сцены
- Инвертирование OETF для восстановления значений линейного освещения
- Цветокоррекция
- Мастеринг под различные целевые форматы (DCI-P3, Rec. 709, HDR10, Dolby Vision и т.д.):
- Уменьшение динамического диапазона материала для соответствия динамическому диапазону целевого формата (тональная компрессия)
- Преобразование в цветовой пространство целевого формата
- Инвертирование EOTF для материала (при использовании EOTF в устройстве отображения изображение восстанавливается как нужно).
До текущего момента стандартный техпроцесс игры выглядел следующим образом:
- Рендеринг
- Буфер кадра HDR
- Тональная коррекция
- Инвертирование EOTF для предполагаемого устройства отображения (обычно sRGB)
- Цветокоррекция
Стандартный рабочий процесс цветокоррекции SDR (изображение принадлежит Джонатану Блоу (Jonathan Blow))
После внедрения HDR большинство игр начало двигаться к техпроцессу, похожему на используемый в производстве фильмов. Даже при отсутствии HDR схожий с кинематографическим техпроцесс позволял оптимизировать работу. Выполнение цветокоррекции в HDR означает, что у вас есть целый динамический диапазон сцены. Кроме того, становятся возможными некоторые эффекты, которые раньше были недоступны.
Теперь мы готовы рассмотреть различные стандарты, используемые в настоящее время для описания форматов телевизоров.
Видеостандарты
Rec. 709
Большинство стандартов, относящихся к вещанию видеосигналов, выпущено Международным союзом электросвязи (International Telecommunication Union, ITU), органом ООН, в основном занимающимся информационными технологиями.Рекомендация ITU-R BT.709 , которую чаще называют Rec. 709 - это стандарт, описывающий свойства HDTV. Первая версия стандарта была выпущена в 1990 году, последняя - в июне 2015 года. В стандарте описываются такие параметры, как соотношения сторон, разрешения, частота кадров. С этими характеристиками знакомо большинство людей, поэтому я не буду рассматривать их и сосредоточусь на разделах стандарта, касающихся воспроизведения цвета и яркости.
В стандарте подробно описана цветность, ограниченная цветовым пространством xyY CIE. Красный, зелёный и синий источники освещения соответствующего стандарту дисплея должны быть выбраны таким образом, чтобы их отдельные координаты цветности были следующими:
Их относительная интенсивность должна быть настроена таким образом, чтобы белая точка имела цветность
(Эта белая точка также известна как CIE Standard Illuminant D65 и аналогична захвату координат цветности распределения спектральной интенсивности обычного дневного освещения.)
Свойства цветности можно визуально представить следующим образом:
Охват Rec. 709
Область схемы цветности, ограниченная треугольником, созданным основными цветами заданной системы отображения, называется охватом.
Теперь мы переходим к части стандарта, посвящённой яркости, и здесь всё становится немного сложнее. В стандарте указано, что «Общая оптико-электронная передаточная характеристика в источнике» равна:
Здесь есть две проблемы:
- Не существует спецификации о том, чему соответствует физическая яркость L = 1
- Несмотря на то, что это стандарт вещания видео, в нём не указана EOTF
Где L = 1 соответствует яркость примерно 100 кд / м² (единицу кд / м² в этой отрасли называют «нит»). Это подтверждается ITU в последних версиях стандарта следующим комментарием:
В стандартной производственной практике функция кодирования источников изображения регулируется таким образом, чтобы конечное изображение имело требуемый вид, соответствующий видимому на эталонном мониторе. В качестве эталонной принимается функция декодирования из Рекомендации ITU-R BT.1886. Эталонная среда просмотра указана в Рекомендации ITU-R BT.2035.Rec. 1886 - это результат работ по документации характеристик ЭЛТ-мониторов (стандарт опубликован в 2011 году), т.е. является формализацией существующей практики.
Кладбище слонов ЭЛТ
Нелинейность яркости как функции приложенного напряжения привела к тому, как физически устроены ЭЛТ-мониторы. По чистой случайности эта нелинейность (очень) приблизительно является инвертированной нелинейностью восприятия яркости человеком. Когда мы перешли к цифровому представлению сигналов, это привело к удачному эффекту равномерного распределения ошибки дискретизации по всему диапазону яркости.
Rec. 709 рассчитана на использование 8-битного или 10-битного кодирования. В большинстве контента используется 8-битное кодирование. Для него в стандарте указано, что распределение диапазона яркости сигнала должно распределяться в кодах 16-235.
HDR10
Что касается HDR-видео, то в нём есть два основных соперника: Dolby Vision и HDR10. В этой статье я сосредоточусь на HDR10, потому что это открытый стандарт, который быстрее стал популярным. Этот стандарт выбран для Xbox One S и PS4.Мы снова начнём с рассмотрения используемой в HDR10 части цветности цветового пространства, определённой в Рекомендации ITU-R BT.2020 (UHDTV). В ней указаны следующие координаты цветности основных цветов:
И снова в качестве белой точки используется D65. При визуализации на схеме xy Rec. 2020 выглядит следующим образом:
Охват Rec. 2020
Очевидно заметно, что охват этого цветового пространства значительно больше, чем у Rec. 709.
Теперь мы переходим к разделу стандарта о яркости, и здесь снова всё становится более интересным. В своей кандидатской диссертации 1999 года “Contrast sensitivity of the human eye and its effect on image quality” («Контрастная чувствительность человеческого глаза и её влияние на качество изображения») Питер Бартен представил немного пугающее уравнение:
(Многие переменные этого уравнения сами по себе являются сложными уравнениями, например, яркость скрывается внутри уравнений, вычисляющих E и M).
Уравнение определяет, насколько чувствителен глаз к изменению контрастности при различной яркости, а различные параметры определяют условия просмотра и некоторые свойства наблюдателя. «Минимальная различаемая разница» (Just Noticeable Difference, JND) обратна уравнению Бартена, поэтому для дискретизации EOTF, чтобы избавиться от привязки к условиям просмотра, должно быть верно следующее:
Общество инженеров кино и телевидения (Society of Motion Picture and Television Engineers, SMPTE) решило, что уравнение Бартена будет хорошей основой для новой EOTF. Результатом стало то, что мы сейчас называем SMPTE ST 2084 или Perceptual Quantizer (PQ).
PQ был создан выбором консервативных значений для параметров уравнения Бартена, т.е. ожидаемых типичных условий просмотра потребителем. Позже PQ был определён как дискретизация, которая при заданном диапазоне яркости и количестве сэмплов наиболее точно соответствует уравнению Бартена с выбранными параметрами.
Дискретизированные значения EOTF можно найти с помощью следующей рекуррентной формулы нахождения k < 1 . Последним значением дискретизации будет являться необходимая максимальная яркость:
Для максимальной яркости в 10 000 нит с использованием 12-битной дискретизации (которая используется в Dolby Vision) результат выглядит следующим образом:
EOTF PQ
Как можно заметить, дискретизация не занимает весь диапазон яркости.
В стандарте HDR10 тоже используется EOTF PQ, но с 10-битной дискретизацией. Этого недостаточно, чтобы оставаться ниже порога Бартена в диапазоне яркости в 10 000 нит, но стандарт позволяет встраивать в сигнал метаданные для динамической регуляции пиковой яркости. Вот как 10-битная дискретизация PQ выглядит для разных диапазонов яркости:
Разные EOTF HDR10
Но даже так яркость немного выше порога Бартена. Однако ситуация не настолько плоха, как это может показаться из графика, потому что:
- Кривая логарифмическая, поэтому относительная погрешность на самом деле не так велика
- Не стоит забывать, что параметры, взятые для создания порога Бартена, выбраны консервативно.
Вот пример того, как выглядит 8-битная дискретизация Rec. 709 с пиковой яркостью 100 нит:
EOTF Rec. 709 (16-235)
Как можно видеть, мы намного выше порога Бартена, и, что важно, даже самые неразборчивые покупатели будут настраивать свои телевизоры на значительно большие 100 нит пиковые яркости (обычно на 250-400 нит), что поднимет кривую Rec. 709 ещё выше.
В заключение
Одно из самых больших различий между Rec. 709 и HDR в том, что яркость последнего указывается в абсолютных значениях. Теоретически это означает, что контент, предназначенный для HDR, будет выглядеть одинаково на всех совместимых телевизорах. По крайней мере, до их пиковой яркости.Существует популярное заблуждение, что HDR-контент в целом будет ярче, но в общем случае это не так. HDR-фильмы чаще всего будут изготавливаться таким образом, чтобы средний уровень яркости изображения был тем же, что и для Rec. 709, но так, чтобы самые яркие участки изображения были более яркими и детальными, а значит, средние тона и тени будут более тёмными. В сочетании с абсолютными значениями яркости HDR это означает, что для оптимального просмотра HDR нужны хорошие условия: при ярком освещении зрачок сужается, а значит, детали на тёмных участках изображения будет сложнее разглядеть.
Теги:
Добавить меткиМногие наверняка задаются вопросом, что такое sRGB в настройках камеры, зачем это нужно и что лучше, sRGB или Adobe RGB?
RGB – это аббревиатура от названий основных цветов (Red, Green, Blue). Почему они основные? Потому что у человека, в отличие от некоторых других видов, трихроматическое зрение. То есть, в глазу есть рецепторы, восприимчивые к этим трём цветам. Огромный вклад в восприятие цвета делает наш мозг, поэтому задача правильного отображения цвета нетривиальна и требует значительных ухищрений.
Цветовое пространство – это множество цветов которые мы можем наблюдать или отображать. Существует много способов графически отображать цветовые пространства, но хитрые математики придумали один очень элегантный способ, который вы постоянно встречаете на просторах Интернет.
Концепцию цвета можно представить следующим образом: цвет состоит из двух составляющих – яркость и тональность. То есть, серый от белого отличается только яркостью, тональность у них одинаковая. В результате экспериментов в начале 20 века удалось выяснить диапазон цветов, которые воспринимаются человеком. С помощью математических преобразований, всё множество тональностей удалось отобразить на плоскости, и назвали эту диаграмму CIE 1931 (1931 – год, когда диаграмма была представлена). Таким образом, стало возможным описать цвет координатами x,y на графике, плюс яркость.
На диаграмме цвета указаны условно для наглядности, это вовсе не те цвета, которые вы видите в повседневной жизни.
С регистрацией цвета проблем особых никогда не было, у любой цифровой камеры цветовой охват, который видит сенсор, гораздо шире того, что может видеть человек. Отчасти поэтому применяются инфракрасные и ультрафиолетовые фильтры внутри камеры, чтобы упростить последующую обработку сигнала.
Проблемы возникли с отображением цвета, особенно на экране монитора. Возможности дисплеев сильно ограничены в силу физических причин, и получить полный набор цветов, которые различает человеческий мозг, было практически нереализуемым. Было много попыток создать цветной дисплей, отображающий большинство оттенков, но компромисса между цветопередачей и ценой устройства удалось достичь в 50ые на ЭЛТ-дисплеях.
Чтобы обуздать разнообразие цветных дисплеев и профессиональную обработку изображений на компьютере сделать более прогнозируемой, в 90ые был разработан стандарт sRGB. Он появился в следствие анализа возможностей наиболее распространённых на тот момент CRT(ЭЛТ)-мониторов. О ЖК-дисплеях тогда никто даже не мечтал, к тому же по характеристикам и цене ЖК сильно отставали от ЭЛТ и базой для стандарта быть не могли.
Принцип работы CRT-экранов простой – при смешивании трёх основных цветов (красный, зелёный, синий) получались разнообразные оттенки. Проблемы две:
- число доступных оттенков зависит от чистоты основных цветов, а чистых цветов очень сложно добиться
- только смешиванием трёх основных цветов все видимые цвета не получить
Стандарт sRGB описывает, какой именно чистоты должны быть основные цвета и какие именно оттенки достижимы при их смешивании. Так же определяется, где находится точка белого. На CIE-диаграмме стандарт sRGB выглядит как треугольник с координатами основных цветов в вершинах:
Легко видеть, насколько скромны возможности техники по сравнению с тем, чем наделила нас природа.
Даже если получить основные цвета исключительной чистоты, как это достигается на лазерных дисплеях, вы не получите полного цветового охвата, который мы наблюдаем в окружающем нас мире. Всё, на что способен такой дисплей, ограничивается треугольником:
К слову сказать, при печати нет таких жёстких ограничений в количестве источников первичных цветов и поэтому за вполне разумные деньги на крутых фотопринтерах применяется, например, 8-цветная печать. Цветовой охват при этом расширяется не очень высокой ценой и выглядит на диаграмме как многоугольник. Вот как выглядит цветовой охват не очень крутого принтера по сравнению с sRGB:
Но у принтеров при этом куча других проблем, в частности, зависимость цветопередачи от качества бумаги и прочее.
Adobe RGB – это другой, но очень похожий стандарт, он немного шире и охватывает больше цветов:
Вы наверняка захотите тут же побежать и переключить sRGB в вашей камере на Adobe RGB, но не спешите это делать.
Adobe RGB нужен только тем, кто профессионально занимается печатью и точно знает, что он делает (таким людям наши статьи читать не надо). Преобладающее большинство экранов и программ работает в стандарте sRGB и об Adobe RGB ничего не знает, так исторически сложилось. Более того, при попытке на sRGB экране отобразить Adobe RGB цвета, могут возникнуть проблемы с цветопередачей. sRGB гарантирует, что по крайней мере большинство людей увидят примерно те же цвета, что и вы.
Из-за ограниченного диапазона sRGB вы наверняка замечали, что сфотографировав красную розу, вы потом на фото не можете различить лепестки. Просто возможностей экрана недостаточно, чтобы изобразить все детали в оттенках красного, к примеру.
Конечно, тут много зависит от настроек монитора, поэтому фотографы предпочитают иметь дело с мониторами на IPS-матрицах и ищут модели, которые откалиброваны ещё на заводе, такие как LG IPS236V . Все производители стараются соответствовать стандарту sRGB, у кого-то получается лучше, у кого-то хуже.
В последнее время технологии сильно продвинулись вперёд и ЖК-мониторы порой демонстрируют цветовой охват даже шире, чем ЭЛТ-мониторы, хотя до недавнего времени это было невозможно, вот почему старые громоздкие экраны долго не удавалось вытеснить из дизайнерских отделов. Вот какой цветовой охват у профессионального ЖК-монитора:
Наши внимательные читатели наверняка уже измучили себя вопросом, что это за диаграмма в заголовке статьи, от какого она монитора? Это не монитор, а телефон Samsung Galaxy Note . Фокус в том, что в современных смартфонах используется новая технология дисплеев – AMOLED (органические светодиоды). Пока полноценные большие AMOLED-мониторы выходят очень дорогими, но я верю, что будущее именно за ними.
AMOLED позволяет достичь более чистых основных цветов и как следствие – более широкий цветовой охват. На практике это означает, что на Samsung Galaxy Note картинка будет более сочной и контрастной, чем на экранах предыдущих поколений.
Спасибо за внимание.
Когда вы используете один из популярных редакторов изображений, например Photoshop или GIMP, вам предоставляется несколько цветовых режимов, которые можно выбрать для создания изображения. Они включают: RGB, оттенки серого и CMYK. Последний обычно используется для изображений, которые будут распечатаны на домашнем принтере, в фотолаборатории или в сервисах печати.
RGB используется для картинок, которые планируется размещать в Интернете. Это связано с тем, как отображаются цвета. Photoshop поддерживает оба этих цветовых режима, а также позволяет осуществлять перевод CMYK в RGB.
Если у вас есть исходный файл для Фотошопа в CMYK-режиме, вы можете получить другие результаты при преобразовании его в RGB-режим. Если исходного файла нет и вы имеете дело с готовой картинкой, после преобразования может произойти некоторая потеря качества цвета.
ПЕРЕВОД CMYK В RGB
Откройте картинку, которая находится в CMYK-режиме в Photoshop. Рекомендуется её столько, сколько вам нужно, прежде чем преобразовывать. На Панели инструментов редактора выберите меню “Изображение” – “Режим” и нажмите “Цвет RGB”.
Вы увидите приглашение на экране, в котором предлагается сгладить изображение. Можете согласиться или нет. В любом случае необходимо сравнивать результат. Помните, действие может быть отменено, если результат не понравится.
Похожим способом вы можете преобразовать картинку из RGB в CMYK. Процесс тот же, за исключением того, что необходимо выбрать “Цвет CMYK” в меню. Здесь придется иметь дело с цветовыми профилями. По умолчанию цветовой профиль может не дать вам наилучших результатов, и в этом случае вы можете изменить его и выбрать другой. Посмотрите, какой из них лучше всего подходит для задания печати. Спасибо за внимание!