RGBCMYCMYKHSBHSV, или все о синтезе цвета
Алексей Битус
Бог создал мир цветным, и только люди умудрились сократить его до
черно-белого...
Постепенно постигая истины, расширяя кругозор и накапливая знания в
нашей практике, мы часто встречаем понятия, которые, казалось бы,
известны, но все же никогда не помешает еще раз проверить, а все ли так,
как мы себе представляем, или же требуются определенные уточнения. Изучая
новые приборы или разговаривая с заказчиком, порой не особенно
задумываемся, что же это за “зверь” такой модный ныне – синтез цвета RGB
либо CMY, весьма распространенные, общепринятые и часто употребляемые
технические термины. А ведь кроме них, существуют такие понятия, как RYB,
CMYK, HSB, HSV. Что это за аббревиатуры, с чем едят их, где они живут?
Всем ясно, что это некие механизмы, в широком смысле, способы, методы
синтеза цвета, но это далеко не все. За этими представлениями кроются
высокая математика, серьезная практическая физика и даже психология.
Однако для начала немного истории и теории, применительно к развитию
осветительной техники. Рассматривать первобытную историю не имеет смысла,
мы обратимся, так сказать, к новейшей истории, тем более что развитие
техники стремительно непредсказуемо, и рубежным будем считать по умолчанию
все же XX век. С появлением новых технических средств возникали и новые
проблемы. И одна из проблем – это синтез цвета, причем не только в
осветительных приборах. В этом важном механизме нуждаются и
телевизионщики, и компьютерщики, и дизайнеры, и астрономы, и даже
модельеры одежды. Великие Ньютон, Гюйгенс и Френель, заложив теорию света,
позволили нам, обладающим высокими технологиями, воплотить их открытия на
пользу людям. Одна из главных характеристик любого источника света есть
длина световой волны. Идеальный источник света испускает всевозможные
длины волн и воспринимается как источник белого света. Все окружающие нас
предметы, в силу их свойств, могут отражать и поглощать свет определенных
длин волн. И именно поэтому мир цветной. Цвет же как явление имеет двойное
представление, во-первых, это психофизиологическое явление, т.е.
способность нашего глаза и мозга реагировать на воздействие света
определенной длины волны видимого диапазона, и, во-вторых, это физическое
свойство взаимодействия природных тел и источников света. Цвет формируется
только явлениями отражения и поглощения. Именно эти свойства и служат
основой для построения устройств или объектов с определенными цветовыми
свойствами. Красители, фильтры, излучатели, структуры – все это уже плоды
технологий, успешно использующиеся в нашем мире. Современные художники и
дизайнеры все чаще применяют для моделирования пространства компьютеры и
математические модели. И, по-видимому, эта тенденция будет продолжаться.
Суть этого подхода в том, что, имея универсальную модель формирования
цветности, из виртуального мира можно переносить идеи в реальность.
Например, работа с такими осветительными программами, как Ligtscape,
Stardraw или дизайнерские 3D Max, Maya и т.д., с помощью которых можно
смоделировать цветовую картину освещения рабочего пространства, не выходя
из уютного кабинета своего дома, и впоследствии переложить задуманное на
реальную площадку. При этом возникают проблемы соответствия синтеза цвета
на экране монитора и формирования задуманного оптикой осветительного
прибора. Для этого существуют механизмы, разработанные математиками и
физиками, позволяющие достаточно успешно оперировать цветовыми параметрами
не только монитора, но и системами фильтрации и смешением красителей в
различных устройствах. Благодаря этим системам с достаточной степенью
точности можно смоделировать картину, например, будущего клуба во всей
красе, – это, согласитесь, безусловное удобство. Кроме того, такие методы
позволяют избежать ошибок и неоднократно изменять (виртуально)
пространство, находя разные решения и дополняя существующие формы новыми
элементами. И все эти преимущества содержатся в паре десятков английских
букв, приведенных в заглавии статьи. До появления технических средств,
моделирующих цвет, художники экспериментально подбирали, используя фильтры
или красители основных цветов, различные оттенки при реализации своих
идей. Именно такие эксперименты позволили установить важный факт, что
любой оттенок можно получить, смешивая в определенной пропорции основные
цвета. Если уж быть щепетильным в поставленном вопросе до конца, то
следует немного разъяснить физиологию человеческого зрения, прежде чем
углубиться в дальнейшие рассуждения. Процесс восприятия нашими глазами
бытия основан на способности чувствительных органов реагировать на
световое излучение в определенном диапазоне длин волн, так называемого
видимого спектра излучения. В человеческом глазу присутствуют два вида
рецепторов: палочки и колбочки. Палочки реагируют на оттенки серого, а с
помощью колбочек мозг способен воспринимать спектр цветов. Существует три
типа колбочек: первые реагируют на красно-оранжевый цвет, вторые – на
зеленый, а третьи – на сине-фиолетовый. Когда стимулируется только один
тип колбочек, мозг видит лишь один соответствующий цвет. Таким образом,
если стимулируются наши “зеленые” колбочки, мы видим зеленый цвет, если
“красно-оранжевые” – красный. Если одновременно стимулировать “зеленые” и
“красно-оранжевые” колбочки, мы видим желтый цвет. Глаз не способен
отличить желтый настоящий цвет от некоей комбинации красного и зеленого.
То же самое касается нашего восприятия таких цветов, как циан (голубой),
фуксин (пурпурный) и прочие межспектральные цвета.
Из-за такого
физиологического свойства нашего глаза мы можем его “обмануть”, представив
полную гамму видимых цветов путем пропорционального смешения всего лишь
трех: красного, зеленого и синего. Разложив любой цвет с помощью призмы,
можно узнать составляющие его красный, зеленый и синий цвета (основные
аддитивные цвета) либо циан, фуксин и желтый (основные субтрактивные
(“вычитательные”) цвета). Этот простой, но показательный прием позволяет
определить настоящие основные цвета. Чем точнее мы знаем, какие цвета
являются основными, тем больше вторичных цветов с их помощью мы можем
воспроизвести. Телевизоры, камеры, сканеры, мониторы компьютеров основаны
на аддитивной системе воспроизведения цветов (RGB), где красный (R),
зеленый (G) и синий (B) в комбинации создают белый. Офсетная печать,
цифровая печать, краски, пластик, ткань и фотография базируются на
субтрактивной системе цвета (CMY/CMYK), где смесь голубого (C), пурпурного
(M) и желтого (Y) создают черный цвет (K).
Существует специальная
модель Colorcube, наглядно представляющая реализацию цифрового синтеза
цвета в таких системах (рис. 1). Уникальность Colorcube состоит в том, что
здесь обе системы объединены в одну модель. Чтобы переключиться из системы
RGB в CMY, достаточно всего лишь повернуть куб. Технически этот процесс
осуществляется различными специальными механическими или оптоэлектронными
средствами. В случае осветительной техники самый распространенный способ –
наложение цветных фильтров трех основных цветов (RGB).
Но об этом
позже.
Диапазон цветов, который может быть воспроизведен, зафиксирован
или описан каким-либо способом, называется цветовым охватом. Определенный
цветовой охват имеют электронно-лучевые трубки мониторов и полиграфические
краски (диапазон цветов, который они могут воспроизвести), цветовые модели
(диапазон цветов, который они могут описать) и, конечно, человеческий глаз
(диапазон воспринимаемых им цветов). Есть смысл применять это понятие и
для синтезирующих систем осветительного оборудования. Часть из того, что
воспринимает глаз, может передать монитор (на экране нельзя точно
передать, например, чистый голубой или желтый цвет). Часть из того, что
передает монитор, можно напечатать (например, при полиграфическом
исполнении совсем не передаются цвета, составляющие которых имеют очень
низкую плотность). Разность цветовых охватов устройств вывода и
человеческого глаза представляется графически в виде нелинейных замкнутых
кривых, отражающих, насколько точно происходит синтез цвета. Как правило,
есть довольно значительная разница между воспринятым глазом цветом и
синтезированным цветом. Это одна из самых главных проблем – провести
цветовое соответствие между различными моделями синтеза и между моделями и
человеческим восприятием. Простой иллюстрацией этой проблемы служит всем
знакомое явление, когда нарисованная в цвете 3D-картинка на компьютере
совершенно иначе выглядит после печати. В этом случае работает
несоответствие синтезирующих моделей компьютерной графики и печати.
Применительно к нашей отрасли, вечные трудности возникают при воплощении
художественных замыслов у режиссеров и осветителей, когда необходимо
подчеркнуть в цвете элемент декорации или артистический костюм; подбор
фильтров превратился в особое умение, которое очень индивидуально и
вызывает постоянные споры среди специалистов этого круга. Мы привыкли
называть это разностью вкусов, а на самом деле все сводится всего лишь к
разности восприятия окружающего мира. И тут нет общего знаменателя –
слишком все психофизично. Цвета образуются в природе различным образом. С
одной стороны, источники света (солнце, лампы, экраны компьютеров и
телевизоров) излучают свет различных длин волн, воспринимаемый глазом как
цветной (см. рис. 1). С другой стороны, попадая на поверхности
несветящихся предметов, свет частично поглощается, а частично отражается.
Отраженное излучение воспринимается глазом как окраска предметов. Таким
образом, цвет объекта возникает в результате излучения или отражения. В
первом и во втором случаях цвет объекта описывается по-разному, т. е. для
его описания применяются разные модели цвета. Из смешения красного и
зеленого получается желтый, из зеленого и синего – голубой, а синий и
красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, то образуется
белый. Смешав три базовых цвета в разных пропорциях, можно получить все
многообразие оттенков. Базовые цвета иначе называются компонентами, или
каналами. RGB – трехканальная цветовая модель.
Количество каждого
компонента в рамках программы может быть измерено в процентах или числами
от 0 до 255, т. е. каждый базовый цвет имеет 256 различных оттенков.
256 – это максимальное число различных значений, которые могут быть
выражены восьмью битами. В программах для персональных компьютеров канал
изображения кодируется именно восьмью битами и поэтому имеет 256 оттенков,
или градаций. Изображение на экране монитора также имеет восьмибитные
каналы (в режиме True Color), что соответствует 16,7 млн возможных цветов
изображения. Из сказанного следует, что изображения, имеющие большее число
оттенков (скажем, с 16-битными каналами), не будут адекватно переданы
монитором.
Эта модель представляется в виде трехмерной системы
координат (рис. 2). Каждая координата отражает вклад компоненты в
результирующий цвет в диапазоне от нуля до максимального значения. Внутри
полученного куба и “находятся” все цвета, образуя цветовое пространство.
Окрашенные несветящиеся объекты поглощают часть спектра белого света,
освещающего их, и отражают оставшееся излучение. В зависимости от того, в
какой области спектра происходит поглощение, объекты отражают (окрашены)
разные цвета. Цвета, которые используют белый свет, вычитая из него
определенные части спектра, называются субтрактивными. В модели CMY (CMYK)
основные цвета образуются путем вычитания из белого цвета основных
аддитивных цветов модели RGB. Понятно, что в таком случае и основных
субтрактивных цветов будет три: голубой (белый минус красный), пурпурный
(белый минус зеленый), желтый (белый минус синий). При смешениях
субтрактивных составляющих результирующий цвет затемняется (поглощено
больше света, положено больше краски). Таким образом, при смешении
максимальных значений всех трех составляющих должен получиться черный
цвет. При полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) будет
белый цвет (белая бумага). Смешение равных значений трех компонентов даст
оттенки серого. Модель CMY аналогична модели RGB, в которой перемещено
начало координат (см. рис. 2).
Приведя все сказанное в соответствие,
легко понять, как происходит реально синтез цвета в осветительных
приборах. Есть некое механическое устройство, основным компонентом
которого является система из трех фильтров-дисков, цветных ламп или
специальных лопаток (красных, зеленых, синих – аддитивная система RGB, или
циана, фуксина, желтых – субтрактивная система CMY), которые в
определенной пропорции совмещаются в оптическом тракте прибора и образуют
заданный оттенок цвета. Электронная схема управляет положением дисков
(лопаток) или яркостью ламп, считывая заданный цифровой код DMX (или
какого-либо другого) сигнала. Часто можно видеть осветительные приборы,
использующие четыре и более компонентов для синтеза цвета, но это скорее
технологическое исключение, обеспечивающее дополнительные возможности
приборов. 
Схематично можно представить оптический тракт цветообразующей
системы следующим образом (рис. 3). Свет от лампы с широким спектром
излучения через оптическую систему и систему синтеза цвета (в нашем случае
это градиентные цветные диски) формируется объективом и попадает на
некоторую поверхность. Реакция поверхности на цветной свет анализируется
человеком, далее, как говорится, дело вкуса.
Безусловно, технологически синтез цвета организован гораздо сложнее, есть
много технических решений, но главный физический принцип ясен. Второй
достаточно распространенный и простой способ синтеза цвета реализован с
помощью цветных ламп (рис. 4.) В качестве источников могут быть как
традиционные лампы, так и светодиодные матрицы. Для этого случая, чтобы
получить необходимый оттенок, в процентном отношении меняется яркость ламп
(светодиодов), для светодиодов иногда яркость устанавливается изменением
количества активизированных источников определенного цвета излучения.
Источники, естественно, могут быть как основных (RGB), так и
дополнительных (CMY) цветов. Существует еще модель CMYK, но она отличается
от CMY только добавлением черного цвета и применяется при организации
печати для удобства работы с цифровым моделированием. В число прочих
моделей, используемых специалистами в различных отраслях, входят HSV и
система HSB. Любой цвет в них определяется своим цветовым тоном,
насыщенностью и яркостью. Трехканальная модель цвета HSV получила название
по первым буквам английских слов Hue, Saturation, Value. В других
графических приложениях параметр Value (дословно – “объем цвета”)
называется Brightness (яркость), а модель – HSB. 
Спектральные цвета или
цветовые тона (Hue) располагаются на цветовом круге (рис. 5). Цветовой тон
характеризуется положением на цветовом круге и определяется величиной угла
в диапазоне от 0 до 360°. Эти цвета обладают максимальной насыщенностью и
максимальной яркостью. Насыщенность (Saturation) – это параметр цвета,
указывающий его чистоту. Если по краю цветового круга располагаются
максимально насыщенные цвета (100%), то остается только уменьшать их
насыщенность до минимума (0%). Цвет с уменьшением насыщенности
осветляется, будто к нему прибавляют белую краску. При значении
насыщенности 0% любой цвет становится белым. Value – это параметр цвета,
определяющий освещенность или затемненность цвета. Все цвета
рассмотренного выше цветового круга имеют максимальную яркость (100%) и
ярче уже быть не могут. Яркость можно уменьшить до минимума (0%).
Уменьшение яркости цвета означает его зачернение. HSV – модель, с которой
работают компьютерные художники. Она удобна и понятна, имеет большой
цветовой охват, но весьма абстрактна. Ее недостаток – необходимость
преобразования в модель RGB для отображения на экране монитора или в
модель CMYK для получения полиграфического оттиска, а любое преобразование
из модели в модель не обходится без потерь цветовоспроизведения.
Рассмотренная система синтеза цвета интересна по большей части для
компьютерной графики, но поскольку все модели связаны между собой, не
помешает разобраться в каждой из них. Вернувшись к началу статьи, вспомним
о проблемах соответствия. Виртуальное моделирование световых пространств
требует этого соответствия. А ведь надо еще и печатать все, что придумано,
тут тоже важно понимать, как формируется цвет в принтере, как калибруется
вся цветовая система в целом.
Большинство осветительных приборов с
управлением по DMX или другим протоколам комплектуются специальными
таблицами цветовых кодов для выбора точного оттенка. Алгоритм управления
механической или матричной (матричная система используется в специальной
проекционной технике, где все, что рисуется на экране штатного монитора
пульта, переносится на рабочую плоскость) системой синтеза цвета прибора
“зашивается” в ПЗУ управляющей системы. Таким образом, это весьма сложный
процесс. Постоянное совершенствование механизмов и способов формирования
цвета приведет в конце концов к вымиранию традиционных Colorchangers с
дискретными дисками с фильтрами, так как недостатки “грубой” механики, ее
ограниченность и негибкость уже не удовлетворяют художников и дизайнеров.
В заключение еще об одном весьма важном и примечательном моменте.
Существуют достаточно строгие математические выкладки соотношения цветовых
тонов и отдельных нот или звуковых диапазонов. Вроде бы ничего нового,
были же Скрябин и его последователи, но тогда не существовало компьютеров
и уж тем паче современных представлений о синтезе цвета. Сейчас эта теория
значительно пополнилась новыми представлениями. Еще более универсальной
стала наука, и многие природные и физические процессы смыкаются, что,
бесспорно, закономерно и крайне интересно.
В статье использованы следующие материалы:
Альфред Витте,
“Размышления о цвете, числе, звуке” (Betrachtungen uber Farbe, Zahl, Ton
Astrologische Rundschau, IV Jahrg., 1913). Михаил Синяк, Николай
Сапошников, “Управление цветом”, http://www.realcolor.ru Кен Дэвис (Ken
Davies) и ColorCube, “Теория цвета (ч.1)” (перевод Александра Качанова),
http://www.webmascon.com
|
