Гамма

В цветопередаче, в том числе компьютерной графики и фотографий , в гамме , или цветовой гамма / ɡ æ м ə т / , определенное полное подмножество из цветов . Наиболее распространенное использование относится к подмножеству цветов, которое может быть точно представлено в данных обстоятельствах, например, в заданном цветовом пространстве или определенном устройстве вывода .

Типичная гамма ЭЛТ Закрашенная
серым подковообразная форма представляет собой весь диапазон возможных цветностей , отображаемых в формате диаграммы цветности CIE 1931 (см. Ниже). Цветной треугольник - это гамма, доступная для цветового пространства sRGB, обычно используемого в компьютерных мониторах; он не покрывает все пространство. Углы треугольника являются основными цветами для этой гаммы; в случае ЭЛТ они зависят от цветов люминофоров монитора. В каждой точке отображается самый яркий из возможных цветов RGB этой цветности, в результате чего яркие полосы Маха соответствуют краям цветового куба RGB.

Другое значение, менее часто используемое, но все же верное, относится к полному набору цветов, присутствующих в изображении в данный момент. В этом контексте оцифровка фотографии, преобразование оцифрованного изображения в другое цветовое пространство или вывод его на заданный носитель с использованием определенного устройства вывода обычно изменяет его гамму в том смысле, что некоторые цвета оригинала теряются в процесс.

Термин « гамма» был заимствован из области музыки, где в средние века латинское «гамма» означало весь диапазон музыкальных нот, из которых составлены музыкальные мелодии; Использование Шекспиром термина в «Укрощении строптивой» иногда приписывают автору / музыканту Томасу Морли . [1] В 1850 - х годах, этот термин был применен к диапазону цветов или оттенков, например, Томас де Квинси , который написал « Порфирий , я слышал, пробегает , как большая гамма оттенков , как мрамор.» [2]

В теории цвета гамма устройства или процесса - это та часть цветового пространства, которая может быть представлена ​​или воспроизведена. Как правило, цветовая гамма задаются в цветовом тоне - насыщенность плоскости, как система может обычно производят цвета в широкой интенсивности диапазона в пределах своей цветовой гаммы; для субтрактивной цветовой системы (например, используемой в печати ) диапазон интенсивности, доступный в системе, по большей части бессмыслен без учета специфических свойств системы (таких как освещенность чернил).

Когда определенные цвета не могут быть выражены в рамках определенной цветовой модели, говорят, что эти цвета находятся вне гаммы .

Устройство , которое может воспроизвести все видимое цветовое пространство является нереализованной целью в технике из цветных дисплеев и печатных процессов. Современные методы позволяют делать все более точные приближения, но сложность этих систем часто делает их непрактичными.

При обработке цифрового изображения наиболее удобной цветовой моделью является модель RGB. Для печати изображения требуется преобразовать изображение из исходного цветового пространства RGB в цветовое пространство CMYK принтера. Во время этого процесса цвета из RGB, которые находятся за пределами гаммы, должны быть каким-то образом преобразованы в приблизительные значения в пределах пространственной гаммы CMYK. Простая обрезка только тех цветов, которые находятся за пределами гаммы до ближайших цветов в целевом пространстве, приведет к сожжению изображения. Есть несколько алгоритмов, приближающих это преобразование, но ни один из них не может быть по-настоящему идеальным, поскольку эти цвета просто выходят за рамки возможностей целевого устройства. Вот почему идентификация цветов изображения, выходящих за пределы охвата целевого цветового пространства, как можно скорее во время обработки, имеет решающее значение для качества конечного продукта.

Диаграмма цветности цветового пространства CIE 1931, сравнивающая видимую гамму с sRGB и цветовую температуру
Палитра натуральных цветов

Палитры обычно представлены в виде областей на диаграмме цветности CIE 1931, как показано справа, с изогнутым краем, представляющим монохроматические (однонаправленные) или спектральные цвета .

Доступная гамма зависит от яркости; поэтому полная гамма должна быть представлена ​​в трехмерном пространстве, как показано ниже:

На изображениях слева показаны гаммы цветового пространства RGB (вверху), например, на компьютерных мониторах, и отражающих цветов в природе (внизу). Конус, нарисованный серым цветом, примерно соответствует диаграмме CIE справа с добавленным измерением яркости.

Оси на этих диаграммах - это отклики коротковолнового ( S ), средневолнового ( M ) и длинноволнового ( L ) конусов в человеческом глазу . Остальные буквы обозначают черный ( Blk ), красный ( R ), зеленый ( G ), синий ( B ), голубой ( C ), пурпурный ( M ), желтый ( Y ) и белый цвета ( W ) цвета . (Примечание: эти изображения не соответствуют масштабу.)

На верхней левой диаграмме показано, что форма гаммы RGB представляет собой треугольник между красным, зеленым и синим при более низкой яркости; треугольник между голубым, пурпурным и желтым при более высокой яркости и одна белая точка при максимальной яркости. Точное положение вершин зависит от спектров излучения люминофоров на мониторе компьютера и от соотношения между максимальными яркостями трех люминофоров (т. Е. Цветового баланса).

Палитра цветового пространства CMYK в идеале примерно такая же, как и для RGB, с немного разными вершинами, в зависимости как от точных свойств красителей, так и от источника света. На практике из-за того, как цвета растровой печати взаимодействуют друг с другом и с бумагой, а также из-за их неидеальных спектров поглощения, гамма меньше и имеет закругленные углы.

Палитра отражающих цветов в природе имеет похожую, хотя и более округлую форму. Объект, который отражает только узкую полосу длин волн, будет иметь цвет, близкий к краю диаграммы CIE, но в то же время он будет иметь очень низкую яркость. При более высокой яркости доступная область на диаграмме CIE становится все меньше и меньше, вплоть до одной белой точки, где все длины волн отражаются точно на 100 процентов; точные координаты белого определяются цветом источника света.

Поверхности

Спектр световозвращающего материала оптимального цвета.
Пределы Макадама для источника света CIE FL4 в CIE xyY.

В начале 20-го века промышленные потребности в управляемом способе описания цветов и новой возможности измерения спектров света инициировали интенсивные исследования математических описаний цветов.

Идея оптимальных цветов была предложена химиком из балтийских немцев Вильгельмом Оствальдом . Эрвин Шредингер показал в своей статье 1919 года Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft (Теория пигментов с наивысшей светимостью) [3], что наиболее насыщенные цвета, которые могут быть созданы с заданной общей отражательной способностью, генерируются поверхностями с нулевым или полным коэффициентом отражения на любой заданной длины волны, и спектр отражательной способности должен иметь не более двух переходов между нулем и полным.

Таким образом, возможны два типа «оптимальных цветовых» спектров: либо переход идет от нуля на обоих концах спектра к единице в середине, как показано на изображении справа, либо он идет от единицы на концах к нулю на середина. Первый тип дает цвета, которые похожи на спектральные цвета и примерно повторяют подковообразную часть диаграммы цветности CIE xy , но, как правило, менее насыщенные. Второй тип производит цвета, похожие (но обычно менее насыщенные) на цвета прямой линии на диаграмме цветности CIE xy, что приводит к цветам, подобным пурпурному.

Работа Шредингера была развита Давидом Макадамом и Зигфридом Рёшем . [4] Макадам был первым, кто рассчитал точные координаты выбранных точек на границе оптимального цветного твердого тела в цветовом пространстве CIE 1931 для уровней яркости от Y = 10 до 95 с шагом в 10 единиц. Это позволило ему нарисовать сплошной цвет оптимального цвета с приемлемой степенью точности. Из-за его достижения граница оптимального цветного твердого тела называется пределом Макадама .

На современных компьютерах можно рассчитать оптимальное цветное твердое тело с большой точностью за секунды или минуты. Предел Мак-Адама, на котором находятся наиболее насыщенные (или «оптимальные») цвета, показывает, что цвета, близкие к монохроматическим, могут быть достигнуты только при очень низких уровнях яркости, за исключением желтого, потому что смесь длин волн из длинной прямой -линейная часть спектрального локуса между зеленым и красным будет объединяться, чтобы сделать цвет очень близким к монохроматическому желтому.

Источники света

Источники света, используемые в качестве основных цветов в системе аддитивной цветопередачи, должны быть яркими, поэтому они, как правило, не близки к монохроматическим. То есть цветовую гамму большинства источников света с переменным цветом можно понять как результат трудностей, связанных с получением чистого монохроматического (с одной длиной волны ) света. Лучшим технологическим источником монохроматического света является лазер , который может быть довольно дорогим и непрактичным для многих систем. Однако по мере развития оптоэлектронной технологии одномодовые диодные лазеры становятся все менее дорогими, и многие приложения уже могут извлечь из этого выгоду; такие как рамановская спектроскопия, голография, биомедицинские исследования, флуоресценция, репрография, интерферометрия, проверка полупроводников, удаленное обнаружение, оптическое хранение данных, запись изображений, спектральный анализ, печать, прямая связь в свободном пространстве и волоконно-оптическая связь. [5] [6] [7] [8]

Системы, использующие аддитивные цветовые процессы, обычно имеют цветовую гамму, которая представляет собой примерно выпуклый многоугольник в плоскости цветовой насыщенности. Вершины многоугольника - это самые насыщенные цвета, которые может воспроизвести система. В субтрактивных цветовых системах цветовая гамма чаще является неправильной областью.

Сравнение некоторой цветовой гаммы RGB и CMYK на диаграмме цветности xy CIE 1931
"> Воспроизвести медиа
"> Воспроизвести медиа
SRGB гамма ( влево ) и видимая цветовая гамма под D65 освещения ( правая ) проецируются в цветовом пространство CIExyY. x и y - горизонтальные оси; Y - вертикальная ось.

Ниже приведен список типичных цветовых систем, более или менее упорядоченных от большой к малой цветовой гамме:

  • В лазерном видеопроекторе используются три лазера для создания самой широкой гаммы, доступной в современном практическом оборудовании для отображения, благодаря тому факту, что лазеры создают поистине монохроматические основные цвета. Системы работают либо путем сканирования всего изображения по точкам и модуляции лазера непосредственно на высокой частоте, во многом как электронные лучи в ЭЛТ , либо путем оптического расширения, а затем модуляции лазера и сканирования строки за раз, Сама линия модулируется почти так же, как в проекторе DLP . Лазеры также можно использовать в качестве источника света для DLP-проектора. Для увеличения диапазона цветового охвата можно комбинировать более трех лазеров - метод, который иногда используется в голографии . [9]
  • Технология цифровой обработки света или DLP является зарегистрированной технологией Texas Instruments. Микросхема DLP содержит прямоугольную матрицу из 2 миллионов шарнирных микроскопических зеркал. Каждое из микрозеркал составляет менее одной пятой ширины человеческого волоса. Микрозеркало DLP-чипа наклоняется либо к источнику света в проекционной системе DLP (ВКЛ.), Либо от него (ВЫКЛ.). Это создает светлый или темный пиксель на проекционной поверхности. [10] В современных DLP-проекторах используется быстро вращающееся колесо с прозрачными цветными «кусочками пирога» для последовательного отображения каждого цветного кадра. Один поворот показывает полное изображение.
  • Фотопленка может воспроизводить более широкий цветовой охват, чем обычные телевизионные, компьютерные или домашние видеосистемы . [11]
  • ЭЛТ и аналогичные видеодисплеи имеют примерно треугольную цветовую гамму, которая покрывает значительную часть видимого цветового пространства. В ЭЛТ ограничения связаны с люминофором на экране, который излучает красный, зеленый и синий свет.
  • Экраны жидкокристаллических дисплеев (ЖКД) фильтруют свет, излучаемый фоновой подсветкой . Таким образом, цветовой охват ЖК-экрана ограничен излучаемым спектром задней подсветки. Типичные ЖК-экраны используют люминесцентные лампы с холодным катодом ( CCFL ) для подсветки. ЖК-экраны с определенной светодиодной подсветкой или подсветкой CCFL с широкой цветовой гаммой обеспечивают более полную цветовую гамму, чем ЭЛТ. Однако некоторые ЖК-технологии изменяют цвет, отображаемый в зависимости от угла обзора. В переключении плоскостей или узоре вертикального выравнивания экраны имеют более широкий диапазон цветов, чем Twisted Nematic .
  • Телевидение обычно использует ЭЛТ, ЖК-дисплей, светодиодный или плазменный дисплей , но не в полной мере использует его свойства цветного дисплея из-за ограничений вещания . Общий цветовой профиль для ТВ основан на стандарте ITU Rec. 601 . HDTV менее ограничен и использует слегка улучшенный цветовой профиль, основанный на стандарте ITU Rec. 709 . Все же несколько меньше, чем, например, компьютерные дисплеи, использующие ту же технологию отображения. Это связано с использованием ограниченного подмножества RGB в вещании (значения от 16 до 235) по сравнению с полным RGB на компьютерных дисплеях, где используются все биты от 0 до 255.
  • Смешивание красок , как в художественных, так и в коммерческих целях, позволяет получить достаточно большую цветовую гамму, начиная с палитры большего размера, чем красный, зеленый и синий ЭЛТ или голубой, пурпурный и желтый цвета печати. Краска может воспроизводить некоторые очень насыщенные цвета, которые не могут быть хорошо воспроизведены ЭЛТ (особенно фиолетовый), но в целом цветовая гамма меньше. [ необходима цитата ]
  • При печати обычно используется цветовое пространство CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный). Очень немногие процессы печати не включают черный цвет; однако эти процессы (за исключением принтеров для сублимации красителя ) плохо воспроизводят цвета с низкой насыщенностью и низкой интенсивностью. Были предприняты усилия по расширению гаммы процесса печати за счет добавления чернил неосновных цветов; обычно это оранжевый и зеленый (см. Гексахром ) или светло-голубой и светло-пурпурный (см. цветовую модель CcMmYK ). Иногда также используются плашечные краски очень специфического цвета.
  • A монохромных цветовая гамма дисплея является одномерной кривой в цветовом пространстве. [12]

Широкая цветовая гамма

Ультра HD Форум определяет широкую цветовую гамму (WCG) в качестве цветовой гаммы шире , чем у BT.709 ( Rec. 709 ). [13] Цветовые пространства с WCG включают:

  • Рек. 2020 - Рекомендация ITU-R для UHDTV [14]
  • Рек. 2100 - Рекомендация МСЭ-R для HDR -TV (такая же цветность из основных цветов и белой точки , как Rec 2020. ) [15]
  • DCI-P3
  • Adobe RGB

  1. ^ Лонг, Джон Х. (1950). «Шекспир и Томас Морли». Заметки на современном языке . 65 (1): 17–22. DOI : 10.2307 / 2909321 . JSTOR  2909321 .
  2. ^ Томас Де Куинси (1854). Де Куинси . Джеймс Р. Осгуд. п. 36 . гамма оттенков 0-1856.
  3. ^ Шредингер, Эрвин (1919). "Theorie der Pigmente größter Leuchtkraft" . Annalen der Physik . 367 (15): 603–622. Bibcode : 1920AnP ... 367..603S . DOI : 10.1002 / andp.19203671504 .
  4. ^ Ли, Сянь-Че (2005). «18.7: Теоретическая цветовая гамма» . Введение в науку о цветном изображении . Издательство Кембриджского университета . п. 468. ISBN 0-521-84388-X.
  5. ^ "Одночастотный лазер - лазер с одной продольной модой" . Проверено 26 февраля 2013 года .
  6. ^ «JDSU - диодный лазер, 810 или 830 или 852 нм, 50-200 мВт, одномодовый (серия 54xx)» . Архивировано из оригинального 25 марта 2014 года . Проверено 26 февраля 2013 года .
  7. ^ "Laserglow Technologies - портативные лазеры, юстировочные лазеры и лабораторные / OEM-лазеры" . Архивировано из оригинального 23 января 2013 года . Проверено 26 февраля 2013 года .
  8. ^ «Характеристики лазерного диода» . Проверено 26 февраля 2013 года .
  9. ^ «Цветная голография для создания очень реалистичных трехмерных изображений» .
  10. ^ «Технология DLP» . Проверено 14 февраля 2010 .
  11. ^ «Пленочная гамма, яблоки и апельсины» . Архивировано из оригинала на 2008-09-17 . Проверено 26 апреля 2007 .
  12. ^ Велью, Луис; Frery, Alejandro C .; Гомес, Йонас (29 апреля 2009 г.). Обработка изображений для компьютерной графики и зрения . Springer Science & Business Media. ISBN 9781848001930.
  13. ^ Форум Ultra HD (19 октября 2020 г.). «Правила форума Ultra HD v2.4» (PDF) . Проверено 11 февраля 2021 года .
  14. ^ «BT.2020: Значения параметров для телевизионных систем сверхвысокой четкости для производства и международного обмена программами» . www.itu.int . Проверено 11 февраля 2021 .
  15. ^ «BT.2100: Значения параметров изображения для телевидения с широким динамическим диапазоном для использования в производстве и международном обмене программами» . www.itu.int . Проверено 11 февраля 2021 .

  • Использование диаграммы цветности для оценки цветовой гаммы Брюса Линдблума.
  • Книга Яна Моровича по картированию цветовой гаммы .
  • Количественная оценка цветовой гаммы Уильяма Д. Каппеле
  • Интерактивная флэш-демонстрация CS 178 Стэнфордского университета, объясняющая отображение цветовой гаммы.