RGB модель описывает излучаемые цвета. Она основана на трёх основных (базовых) цветах: красный (Red), зелёный (Green) и синий (Blue). RGB-модель можно назвать "родной" для дисплея. Остальные цвета получаются сочетанием базовых. Цвета такого типа называются аддитивными.

Из рисунка видно, что сочетание зелёного и красного дают жёлтый цвет, сочетание зелёного и синего - голубой, а сочетание всех трёх цветов - белый. Из этого можно сделать вывод о том, что цвета в RGB складываются субтрактивно.

Основные цвета взяты из биологии человека. То есть, эти цвета основаны на физиологической реакции человеческого глаза на свет. Человеческий глаз имеет фоторецептор клеток, реагирующих на наиболее зеленый (М), желто-зеленый (L) и сине-фиолетовый (S) света (максимальная длин волн от 534 нм, 564 нм и 420 нм соответственно). Человеческий мозг может легко отличить широкий спектр различных цветов на основе различий в сигналах, полученных от трех волн.

Наиболее широко RGB цветовая модель используется в ЖК или плазменных дисплеях, таких как телевизор или монитор компьютера. Каждый пиксель на дисплее может быть представлен в интерфейсе аппаратных средств (например, графические карты) в качестве значений красного, зеленого и синего. RGB значения изменяются в интенсивности, которые используются для наглядности. Камеры и сканеры также работают в том же порядке, они захватывают цвет с датчиками, которые регистрируют различную интенсивность RGB на каждый пиксель.

В режиме 16 бит на пиксель, также известном как Highcolor, есть либо 5 бит на цвет (часто упоминается как 555 режим) или с дополнительным битом для зеленого цвета (известен как 565 режим). Дополнен зеленый цвет из-за того, что человеческий глаз имеет способность выявлять больше оттенков зеленого, чем любого другого цвета.

RGB значения, представленные в режиме 24 бит на пиксель (bpp), известном также под именем Truecolor, обычно выделяется три целых значения между 0 и 255. Каждое из этих трех чисел представляет собой интенсивность красного, зеленого и синего соответственно.

В RGB - три канала: красный, синий и зелёный, т.е. RGB - трёхканальная цветовая модель. Каждый канал может принимать значения от 0 до 255 в десятичной или, что ближе к реальности, от 0 до FF в шестнадцатеричной системах счисления. Это объясняется тем, что байт, которым кодируется канал, да и вообще любой байт состоит из восьми битов, а бит может принимать 2 значения 0 или 1, итого 28=256. В RGB, например, красный цвет может принимать 256 градаций: от чисто красного (FF) до чёрного (00). Таким образом несложно подсчитать, что в модели RGB содержится всего 2563 или 16777216 цветов.

В RGB три канала, и каждый кодируется 8-ю битами. Максимальное, FF (или 255) значение даёт чистый цвет. Белый цвет получается путём сочетания всех цветов, точнее, их предельных градаций. Код белого цвета = FF(красный) + FF(зелёный) + FF(синий). Соответственно код чёрного = 000000. Код жёлтого = FFFF00, пурпурного = FF00FF, голубого = 00FFFF.

Также есть еще 32 и 48 битные режимы отображения цветов.

RGB не используется для печати на бумаге, вместо нее существует CMYK-цветовое пространство.

CMYK - это цветовая модель используемая в цветной печати. Цветовая модель является математической моделью для описания цветов целыми числами. CMYK модель построена на голубом, пурпурном, желтом и черном цветах.

Многие 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:

1. число доступных оттенков зависит от чистоты основных цветов, а чистых цветов очень сложно добиться
2. 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.

Цветовые модели RGB и CMY (CMYK)

RGB (для дисплеев) и CMYK (для печати) являются наиболее распространенными системами представления цвета.

Основная модель субтрактивного синтеза цвета – полиграфическая система CMYK (сине-зеленый/голубой, пурпурный, желтый, ключевой/черный).

Самый распространенный вариант аддитивного смешения, предполагающего суммирование разноцветных потоков в единый результирующий поток, – модель RGB (красный, зеленый, синий).

Если субтрактивная схема применяется в полиграфии (с белым нулем – отсутствием краски на бумаге), то аддитивная (обладающая бо́льшим цветовым охватом) – в телевизорах, мониторах и т.п., где выключенный экран выглядит черным.

Поскольку RGB и CMY дополняют друг друга, между ними существует определенное соотношение. Если показать эту информацию в виде одного цветового круга, то цвета RGB и CMY будут в нем поочередно меняться. Если смешать два RGB-цвета, то получится CMY-цвет; если же, наоборот, смешать два CMY-цвета, то на этот раз получится RGB-цвет. Например, в модели CMY красный цвет описывается как смесь пурпурного и желтого. А в модели RGB пурпурный цвет описывается как смесь красного и синего.

Кроме того, в сравнении с RGB, CMYK обладает меньшим цветовым охватом. Законы физики не позволяют печатать цвета RGB. Для печати RGB- изображения следует преобразовать его аддитивные цвета в цвета CMY, т.е. перевести их в субтрактивные цвета.

Система цветопередачи RGB

RGB (англ. Red, Green, Blue – красный, зеленый, синий) – аддитивная цветовая модель (англ. Additive Primary Model), описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения. Аддитивной модель называется потому, что цвета получаются путем добавления (англ. addition ) к черному цвету. Выбор основных цветов в RGB обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза.

Модель RGB используется для воспроизведения спектра видимого света и представляет все то, что передает, фильтрует или ощущает световые волны (например, монитор, сканер или глаз) (рис. 7.5). Для создания различных цветов складываются разные уровни основных цветов (красного, зеленого и синего). Черный цвет – это отсутствие любого света.

Рис. 7.5.

Изображение в данной цветовой модели состоит из трех каналов. При смешении основных цветов, например, синего (В ) и красного (/?), мы получаем дополнительный пурпурный (англ. М – magenta ), при смешении зеленого (G ) и красного (R ) – дополнительный желтый (англ. Y – yellow ), при смешении зеленого (G ) и синего (В ) – дополнительный циановый (англ. С – cyan ). При смешении всех трех цветовых компонентов мы получаем белый цвет. В телевизорах и мониторах применяются три электронных пушки (светодиода, светофильтра) для красного, зеленого и синего каналов.

Числовое отображение RGB

Каждая из координат RGB представляется в виде одного байта, значения которого обозначаются целыми числами от 0 до 255 включительно, где 0 – минимальная, а 255 – максимальная интенсивность.

COLORREF – стандартный тип для представления цветов в операционной системе Win32. Используется для определения цвета в RGB-виде. Размер – 4 байта.

Определить переменную типа COLORREF можно следующим образом:

COLORREFC = RGB (r,g, b ),

где г, g и b – интенсивность (в диапазоне от 0 до 255) соответственно красной, зеленой и синей составляющих определяемого цвета С.

Следовательно, ярко-синий цвет может быть определен как (0,0,255), красный – как (255,0,0), ярко-фиолетовый – (255,0,255), черный – (0,0,0), а белый – (255,255,255).

В HTML используется #RrGgBb-запись, называемая также шестнадцатеричной: каждая координата записывается в виде двух шестнадцатеричных цифр, без пробелов (цвета HTML см. далее). Например, #RrGgBb- запись белого цвета – #FFFFFF.

Для справки

Стандарты цветовых пространств RGB. Цветовая модель RGB является зависимой от устройства. Поскольку мониторы разных моделей и производителей различаются, было предложено несколько стандартов цветовых пространств для этой модели.

Наиболее распространенное цветовое пространство sRGB является стандартом для изображения на мониторе (профиль По умолчанию для компьютерной графики). Пространство sRGB, использующееся с цветовой.моделью RGB, имеет по многим тонам цвета более широкий цветовой охват (может представить более насыщенные цвета), чем типичный охват цветов цветовых пространств в CMYK, поэтому иногда изображения, хорошо выглядящие в RGB, значительно тускнеют и гаснут в CMYK.

Также распространены Adobe RGB и ProPhoto RGB. Цветовое пространство ProPhoto RGB, также известное как ROMM RGB (от англ. Reference Output Medium Metric – метрика образцового выходного материала), является цветовым пространством RGB, предназначенным для обработки фотографий и ориентированным на выходной материал. Стандарт разработан компанией Kodak, он предлагает особо широкий охват, предназначенный для фотоизображений.

RGB – самое используемое цветовое пространство, и у него есть как сильные, так и слабые стороны. С одной стороны, модель RGB оптимальна для редактирования изображений с высоким разрешением. В ней отображается широкий диапазон значений, и изображения в формате RGB могут обрабатываться при помощи почти всех инструментов и функций графических редакторов .

С другой стороны, RGB зависит от устройств. Какое бы ни было числовое определение цвета, способ его вывода на экран полностью зависит от аппаратуры отображения.

• Графический редактор – программа (или пакет программ), предназначенная для создания и обработки графических файлов.

• 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).

Подробное обсуждение этого техпроцесса не войдёт в нашу статью, но я рекомендую изучить подробное формализованное описание рабочего процесса ACES (Academy Color Encoding System).

До текущего момента стандартный техпроцесс игры выглядел следующим образом:

• Рендеринг
• Буфер кадра HDR
• Тональная коррекция
• Инвертирование EOTF для предполагаемого устройства отображения (обычно sRGB)
• Цветокоррекция

В большинстве игровых движков используется метод цветокоррекции, популяризованный презентацией Нэти Хофмана (Naty Hoffman) «Color Enhancement for Videogames» с Siggraph 2010. Этот метод был практичен, когда использовался только целевой SDR (Standard Dynamic Range), и он позволял использовать для цветокоррекции ПО, уже установленное на компьютерах большинства художников, например Adobe Photoshop.

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:

1. Не существует спецификации о том, чему соответствует физическая яркость L = 1
2. Несмотря на то, что это стандарт вещания видео, в нём не указана EOTF

Так получилось исторически, потому что считалось, что устройство отображения, т.е. телевизор потребителя и есть EOTF. На практике это осуществлялось корректировкой диапазона захваченной яркости в вышеприведённой OETF, чтобы изображение выглядело хорошо на эталонном мониторе со следующей 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:

1. Кривая логарифмическая, поэтому относительная погрешность на самом деле не так велика
2. Не стоит забывать, что параметры, взятые для создания порога Бартена, выбраны консервативно.

На момент написания статьи телевизоры с HDR10, представленные на рынке, обычно имеют пиковую яркость 1000-1500 нит, и для них достаточно 10 бит. Стоит также заметить, что изготовители телевизоров могут сами решать, что им делать с яркостями выше диапазона, который они могут отображать. Некоторые придерживаются подхода с жёсткой обрезкой, другие - с более мягкой.

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 метки

Цветовая информация в Photoshop хранится в так называемых каналах. Канал – это изображение, в котором точки для каждого составного цвета цветовой модели определяют яркость (количество) этого цвета. Сразу это понять непросто. Попробуем объяснить доступнее.

В зависимости от цветовой модели изображение может иметь три цветовых канала (для RGB) или четыре (для CMYK). Каждому цвету модели выделен отдельный канал, в каждом канале представлена серая копия изображения. В каналах уровень серого может иметь 256 градаций. Яркость серой точки показывает количество соответствующего каналу цвета в композитном изображении. Чем светлее точка, тем большее количество цвета данного канала используется в результирующей точке.

1. Загрузите любое цветное изображение. Если загруженное изображение создано в цветовой модели CMYK, преобразуйте его в RGB.

2. Откройте палитру Каналы . Вы видите четыре пункта: RGB , Красный , Зеленый и Синий . Красный , Зеленый и Синий – это и есть каналы вашего изображения.

3. Снимите флажки в виде глаза для каналов RGB , Красный и Зеленый . У вас останется включенным только канал Синий (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Отображен канал Синий

МУЛЬТИМЕДИЙНЫЙ КУРС

В главе «Цветовые каналы» прилагаемого к книге компакт-диска содержатся несколько видеолекций, посвященных работе с цветовыми каналами.

Обратите внимание, что изображение в окне документа стало серым. Причем оно мало напоминает обычное черно-белое изображение. Некоторые участки, которые вроде бы должны быть светлыми, темные, и наоборот. Дело все в том, что градации серого показывают, сколько синего цвета участвует в формировании каждой цветной точки. Чем светлее точка, тем больше синего цвета на нее приходится. Если есть полностью черные точки, значит, в результирующем цвете этих точек синего нет совсем или его ничтожно мало. Посмотрите таким же образом Красный и Зеленый каналы. Вы увидите, что яркости отдельных участков изображения не соответствуют действительности. Еще раз подчеркнем, что в данном случае яркость точки определяет не яркость результирующей точки, а яркость цвета данного канала в этой точке.

Каналы RGB

Проведем простой эксперимент.

1. Создайте новое изображение с белым фоном.

2. Выберите инструмент Карандаш . Настройте кисть таким образом, чтобы линия карандаша получилась достаточно жирной, например 50 пикселов.

3. Выберите чисто красный цвет. Для этого в диалоговом окне выбора цветов укажите значение R равным 255 , а значения G и B равными 0 . Это цвет, который состоит только из красных субпикселов. Синие и зеленые субпикселы в этом цвете совершенно не участвуют (значение их яркости равно нулю).

4. Проведите в окне созданного документа линию.

5. Откройте палитру Каналы , после чего посмотрите каждый канал в отдельности.

Теперь опишем, что вы должны увидеть.

Канал Красный . Вы видите полностью белое изображение без каких-либо линий. Белый фон изображения говорит о том, что белый цвет содержит максимальный уровень красного (255). Линию вы тоже не видите, так как нарисовали ее цветом, в котором количество красного также равно 255, то есть в этом канале интенсивность красных субпикселов максимальна на всей площади рисунка.

Каналы Зеленый и Синий . Фоны этих каналов белые, так как участие синего и зеленого цветов в белом цвете также максимально (напомним, что белый цвет получается, когда значение всех трех составляющих RGB равно 255). Проведенная вами линия в данных каналах имеет черный цвет. Когда вы выбирали цвет инструмента, вы указали нулевые значения для цветов G и B , то есть в выбранном вами цвете синий и зеленый цвета не участвуют совсем. Именно поэтому в данных каналах линия имеет черный цвет, это говорит о том, что уровень соответствующих цветов в этих каналах минимален.

Теперь отобразите одновременно Красный и Зеленый каналы. Фон изображения стал желтым, а точка красной. Это результат смешивания каналов, то есть сейчас мы наложили Красный канал на Зеленый и при этом исключили Синий канал. В результате мы сложили 255 градаций красного цвета с таким же количеством зеленого цвета и тем самым получили желтый фон. Линия осталась красной, потому что к 255 градациям красного в канале Красный добавилось 0 градаций красного из канала Зеленый , то есть ничего не добавилось.

Если сложить каналы Зеленый и Синий , исключив канал Красный , мы получим бирюзовый фон (результат сложения 255 градаций зеленого и синего цвета) и черную линию. Ни синий, ни зеленый цвет не присутствуют в нарисованной нами линии (уровень данных цветов в соответствующих каналах нулевой), поэтому линия остается черной.

Каналы CMYK

Аналогичную картину мы увидим, создав изображение в цветовой модели CMYK. Только каналы CMYK, в отличие от RGB, инверсные, то есть черный и белый цвета в этих каналах поменяны местами. Белый цвет означает полное отсутствие красителя, а черный – максимальное его количество (100). Например, если мы создадим изображение с белым фоном и пурпурной линией (C = 0, M = 100, Y = 0 и K = 0), то в каналах увидим следующее.

Каналы Голубой , Желтый и Черный будут полностью белого цвета. В формировании белого фона данные цвета не участвуют (бумага и так белая сама по себе).

Канал Пурпурный будет содержать черную линию на белом фоне. В формировании фона данный цвет также не участвует, а вот в цвете линии интенсивность пурпурного цвета максимальна.

Если мы нанесем на белый фон линию другого, например зеленого, цвета, то в каналах CMYK эта линия будет серой с различной яркостью. Зеленый цвет в модели CMYK не присутствует, поэтому получается путем смешивания основных цветов. Степень яркости в каждом канале будет зависеть от количества соответствующего цвета в результирующем зеленом. Чем больше определенного цвета участвует в формировании результирующего, тем темнее будет линия в соответствующем канале. В большей степени в зеленом цвете участвуют голубой и желтый. Доля пурпурного и черного цветов не очень высока, поэтому линии на этих каналах будут очень бледными. Конечно, все еще зависит и от оттенка зеленого цвета. Можно создать цвет, в котором доли черного и пурпурного будут нулевыми, и это будет чистый зеленый цвет.

Мы так долго говорили о каналах, но до сих пор так и не объяснили, зачем они нужны. Вы, возможно, на первоначальных этапах не будете их использовать и вообще смотреть на палитру Каналы . Многие годами работают с Photoshop и совершенно не знают, с какой целью каналы используются, а то и вообще не подозревают о существовании таковых. Согласимся, что для любителя это не так и важно. Однако, когда вы дорастете до профессионального использования программы Photoshop и особенно если будете работать в организациях, выпускающих полиграфическую продукцию, вы непременно столкнетесь с таким понятием, как цветоделение. Вот здесь как раз вам и понадобятся каналы.

С помощью каналов очень удобно корректировать цветовую гамму изображения. Например, работая с RGB-фотографией, вы замечаете, что на отдельном ее участке преобладает красный цвет. Обычными методами (уровнями) или иной цветовой коррекцией это исправить непросто. Да и не всегда удобно. Отключаете все каналы, кроме красного, и, например, инструментом Затемнитель затеняете данный участок изображения, то есть вы затеняете только красный цвет, тем самым уменьшая уровень красного в композитном цвете. Вы даже можете не отключать при этом остальные каналы: достаточно просто выделить канал Красный . Однако с отключенными каналами проще контролировать свою работу.

Другое применение каналов – это цветоделение. Для печати картинки на типографском оборудовании требуется четыре серых изображения. Это именно те каналы, о которых мы говорили: каналы модели CMYK. Как правило, одно изображение распечатывается на четырех прозрачных пленках и на каждую пленку наносится содержимое одного канала. Дальше на основании интенсивности (уровня) черного на каждой из пленок оборудование наносит соответствующее количество красителя на носитель, чаще всего бумагу (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Так выглядит изображение в отдельных каналах CMYK

Мы не случайно используем термин «носитель», поскольку изображение можно распечатывать на ткани, пластике и различных полимерных материалах.

Каналы-маски

Вы можете добавить в изображение новый канал. Однако это будет не цветовой, а так называемый альфа-канал, или канал-маска. Для чего могут использоваться такие каналы? Применений множество. Самое простое – это использование масок для изображения или качественного ретуширования графики.

Попробуйте создать новый канал, нажав третью слева кнопку в нижней части палитры Каналы . Скорее всего, все ваше изображение будет как будто накрыто полупрозрачной цветной пленкой, а в списке каналов появится новый канал Альфа 1 .

1. Теперь, предварительно выделив канал Альфа 1 , попробуйте взять инструмент Ластик и стереть участок изображения. В месте, где «прошелся» Ластик , будет проступать изображение с исходными цветами. Иными словами, вы создали полупрозрачный альфа-канал и сделали отдельные его участки прозрачными (рис. 7.3).

Рис. 7.3. Часть канала-маски стерта ластиком

2. Нажмите сочетание клавиш Ctrl+A , при этом все изображение будет выделено, и нажмите клавишу Delete . Содержимое альфа-канала будет удалено, а изображение предстанет в оригинальных цветах.

3. Снимите выделение, нажав сочетание клавиш Ctrl+D .

4. Выберите инструмент Кисть и определите для данного инструмента синий цвет.

5. Убедитесь, что канал Альфа 1 по-прежнему выделен.

6. Сделайте кистью несколько мазков.

Обратите внимание, что в изображении появляются штрихи, отличные от выбранного вами цвета, скорее всего красные, то есть, «рисуя» синей кистью, вы можете получить красные оттенки штрихов. Это происходит потому, что цвет кисти на самом деле не синий, а определенной градации серого. Взгляните на образец цвета в нижней части панели инструментов, чтобы убедиться в этом. Добавляя серые линии на альфа-канал, вы увеличиваете уровень яркости участков основного цвета альфа-канала (по умолчанию – красного). В результате этого цвет канала суммируется с остальными каналами.

Теперь немного о настройках альфа-канала.

Чтобы вызывать диалоговое окно настроек альфа-канала (рис. 7.4), нужно дважды щелкнуть кнопкой мыши на миниатюре этого канала на палитре Каналы .

Рис. 7.4. Диалоговое окно Параметры канала

В глаза сразу бросается образец цвета. По умолчанию – красный. Это цвет альфа-канала. Вспомните, что, какой бы цвет кисти вы ни выбрали, при рисовании кистью на альфа-канале появляются красные линии различной яркости (яркость зависит от выбранного оттенка). Вы можете изменить этот цвет, и тогда линии, нарисованные на альфа-канале, будут иметь другой цвет (выбранный вами).

В области Показывать цветом по умолчанию переключатель установлен в положение Маскированные области . Как действует альфа-канал в данном режиме при рисовании или стирании, вы видели. Если выбрать положение Выделенные области , альфа-канал будет действовать на изображение обратным способом, то есть закрашенные области станут прозрачными, а незакрашенные, наоборот, непрозрачными или полупрозрачными.

В поле Непрозрачность указывают степень непрозрачности альфа-канала. По умолчанию степень непрозрачности равняется 50 % , именно поэтому вы хорошо видите изображение сквозь «цветную пленку».

Следует отметить, что вы можете создать множество альфа-каналов, настроить степень их непрозрачности и цвета, далее нанести в этих каналах какие-либо штрихи и изображения. Вы можете также копировать содержимое любого канала в альфа-канал, применять к нему различные коррекции и т. д. Все это позволяет вам очень тонко настраивать цветовые параметры изображения, создавать оригинальные рисунки и т. д. При большом желании вы даже можете превратить черно-белое изображение в цветное. Для этого нужно преобразовать черно-белое изображение в модель RGB или CMYK, создать необходимое количество альфа-каналов (по числу цветов модели), скопировать изображение в эти каналы и раскрасить отдельные фрагменты изображения так, чтобы при смешивании каналов получились нужные цвета. Это, конечно, непросто и потребует много времени, терпения и опыта, но это возможно! Действительно, из старой черно-белой фотографии можно сделать цветную. Кстати, если все цветовые каналы содержат абсолютно одинаковую информацию, значит, пропорции всех цветов в отдельных точках равны. А одинаковые пропорции цветов – это всегда серая точка (в разных градациях яркости: от белой до черной). Иными словами, если изображения во всех цветовых каналах не отличаются друг от друга, значит, картинка черно-белая.