Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Белый свет имеет сложную структуру.
В 1666 г. Исаак Ньютон с помощью стеклянной призмы впервые исследовал белый свет и установил его сложный состав. Видео Исаак Ньютон
Белый свет имеет сложную структуру!
Состав белого света: Фиолетовый Синий Голубой Зеленый Желтый Оранжевый Красный Для запоминания цветов в спектре пользуются условной фразой: « К аждый О хотник Ж елает З нать, где С идит Ф азан».
Глаз человека Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов (так называемых колбочек), находящихся на сетчатке глаза.
Базовые цвета Наибольшая чувствительность колбочек приходится на красный, зеленый и синий цвета, которые являются базовыми для человеческого восприятия.
Тема урока: Палитры цветов в системах цветопередачи RGB, CMYK и HSB.
Системы цветопередачи: RGB (R ed, G reen, B lue) CMYK (C yan, M agenta, Y ellow, blac K) HSB (H ue, S aturation, B rightness) красный зеленый синий черный жёлтый пурпурный голубой оттенок насыщенность яркость
RGB Основными цветами являются красный, зеленый, синий. Палитра цветов формируется путем сложения красного, зеленого и синего цветов. Цвет палитры можно определить с помощью формулы:
Цвет Коды интенсивности базовых цветов Красный Зеленый Синий Черный 00000000 0 00000000 0 00000000 0 Красный 11111111 255 00000000 0 00000000 0 Зеленый 00000000 0 11111111 255 00000000 0 Синий 00000000 0 00000000 0 11111111 255 00000000 0 11111111 255 11111111 255 Пурпурный 11111111 255 00000000 0 11111111 255 Желтый 11111111 255 11111111 255 00000000 0 11111111 255 11111111 255 11111111 255 Кодировка цветов при глубине цвета 24 бита
RGB Применяется в мониторах компьютеров, в телевизорах и других излучающих технических устройствах.
CMYK Основными цветами являются голубой, пурпурный и желтый. Палитра цветов формируется: путем вычитания из белого цвета определенных цветов путем наложения голубого, пурпурного, желтого цвета Цвет палитры можно определить с помощью формулы
Цвет Формирование цвета Black = С + М + Y = W – G – B – R White = (C = 0, M = 0, Y =0) Red = Y + M = W – G – B Green = Y + C = W – R – B Blue = M + C = W – R – G Cyan = W – R = G + B Magenta = W – G = R + B Yellow = W – B = R +G Формирование цветов в системе цветопередачи CMYK
CMYK Основана на восприятии не излучаемого, а отражаемого света. Применяется в полиграфии, при печати изображений на принтерах (т.к. напечатанные документы воспринимаются человеком в отраженном свете).
Самое главное: Существуют следующие системы цветопередачи: RGB (R ed, G reen, B lue) CMYK (C yan, M agenta, Y ellow, blac K) HSB (H ue, S aturation, B rightness) Палитра цветов в системе цветопередачи RGB формируется путем сложения красного, зеленого и синего цветов. Цвет палитры можно определить с помощью формулы:
Самое главное: Основными цветами в системе цветопередачи CMYK являются голубой, пурпурный, желтый. Палитра цветов формируется: путем вычитания из белого цвета определенных цветов путем наложения голубого, пурпурного, желтого цвета. Цвет палитры можно определить с помощью формулы
Самое главное: Система цветопередачи HSB использует в качестве базовых параметров Hue (оттенок цвета), Saturation (насыщенность), Brightness (яркость). Параметр Hue позволяет выбрать оттенок цвета из всех цветов оптического спектра, начиная с красного цвета и заканчивая фиолетовым Параметр Saturation определяет процент «чистого» оттенка и белого цвета. Параметр Brightness определяет интенсивность цвета
Выполнить задания: Задание 1.7 (стр.21) Определить цвета, если заданы интенсивности базовых цветов в системе цветопередачи RGB Задание 1.8 (стр.21) Определить цвета, если на бумагу нанесены краски в системе цветопередачи CMYK .
Задание 1.7 Цвет Интенсивность базовых цветов Красный Зеленый Синий 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 00000000 11111111 11111111 11111111 00000000 11111111 11111111 11111111 00000000 11111111 11111111 11111111
Задание 1.8 (стр.21) Цвет Формирование цвета (C = 0, M = 0, Y =0) Y + M = W – G – B Y + C = W – R – B M + C = W – R – G W – R = G + B W – G = R + B W – B = R +G
Создание изображения в неправильном цветовом режиме может стать проблемой. Рассмотрим основные различия между двумя цветовыми моделями RGB и CMYK .
RGB:
RGB состоит из значений красного, зеленого и синего цветов. Эта схема более известна как аддитивная модель. Когда свет от экрана проецируется на цвета, он смешивает их вместе на сетчатке глаза, создавая нужные оттенки.
Аддитивная модель
Аддитивные цвета создаются с помощью метода, который сочетает в себе множество разных оттенков. Красный, зеленый и синий – главные цвета, которые используются в аддитивной модели. Комбинации двух из этих цветов создают дополнительный цвет: голубой, пурпурный или желтый.
Изображения в RGB вы часто видите на экранах телевизоров и мониторах компьютеров. Этот режим может использоваться только устройствами, генерирующими свет. Изображение, выполненное в RGB , подходит для печати только на цифровом принтере.
Если вы хотите, чтобы макет был напечатан профессионально, придется изменить цветовой режим на CMYK .
CMYK:
CMYK расшифровывается как голубой, пурпурный, желтый и черный. Это субтрактивная модель, противоположная RGB . В ней цвета вычитаются из естественного белого света в пигменты, которые затем печатаются на бумаге крошечными точками. Например, вычитание пурпурного цвета из желтого даст красный цвет.
Субтрактивная цветовая модель
Субтрактивные цвета начинаются с белого. Поэтому, чем больше цветов добавляется, тем темнее они будут. Причина этого заключается в том, что свет поглощается или удаляется для создания различных цветов.
Основной цвет для цветовой модели CMYK – черный (K ). Добавление этого цвета помогает нейтрализовать изображения и увеличить плотность тени.
Чернила CMYK не всегда будут иметь тот же цвет, что и исходное изображение. Но существует много комбинаций CMYK , при использовании которых изображение на бумаге выглядит так, как на компьютере в режиме RGB .
Такие программы, как Photoshop , Illustrator и InDesign , предоставляют пресеты CMYK , которые помогают подобрать лучшую комбинацию настроек печати.
Почему эти два режима отображаются по-разному?
Любое изображение уникально, поэтому величина использованного в нем белого и смешение других цветов в каждой модели будет разным. В результате как RGB , так и CMYK отображаются по-разному.
Например, RGB предлагает более широкий диапазон цветов. Поэтому созданный в этой модели файл позволяет использовать яркие, живые цвета. Когда он преобразуется в CMYK , многие из ярких оттенков выглядят тусклыми или мутными.
При печати, независимо от используемой модели, цвета становятся темнее. Проверьте, в каких форматах может печатать принтер, и соберите сведения о конверсиях файлов. Все принтеры разные, поэтому и DPI будет отличаться.
Какой режим нужно использовать?
Многие дизайнеры по-прежнему предпочитают создавать свои проекты сначала в RGB , а затем конвертировать их в CMYK перед отправкой на печать. Это связано с тем, что RGB поддерживает более широкий диапазон цветов.
Еще одним преимуществом является то, что RGB позволяет работать с файлами меньшего размера. А также, что Photoshop , InDesign и Illustrator базируются на RGB и эта модель поддерживается в web .
Но если в отпечатанной продукции важна точность цвета, то лучше использовать CMYK . Проектирование в этом цветовом режиме позволит получить более четкое представление о готовом продукте.
Если используете цифровой принтер, сохраните файл в формате RGB . Это лучший вариант при печати фотографий. Ели у вас есть файл, который нужно распечатать на офсетном полноцветном принтере, то проведите преобразование в CMYK .
Инструменты для конвертирования
Перед конвертированием сохраните резервную копию своего файла. Вы можете выполнить сведение слоев перед конвертированием, но это не обязательно.
Adobe Photoshop , Illustrator и InDesign являются наиболее распространенными программами, используемыми для создания графических проектов. Они ориентированы на работу в режиме RGB .
Поэтому данные редакторы упрощают преобразование в CMYK и установку конкретной схемы цветопередачи для печати. Это выполняется следующим образом:
Illustrator: Файл > Цветовой режим документа > CMYK или RGB .
InDesign: Окно> Цвет > CMYK или RGB .
Пошаговая инструкция по настройке цветовых режимов для печати в Photoshop :
Шаг 1 . Выберите меню «Редактирование » (Edit ), затем пункт «Настройка цветов » (Color Setting ).
Шаг 2 . Выберите профиль CMYK , наиболее подходящий для печати.
Шаг 3 . Вы можете выбрать опцию «Больше параметров », чтобы установить схему цветопередачи при преобразовании значений RGB в CMYK . «Перцепционный » метод лучше всего подходит для фотографий, поскольку сохраняет визуальное соответствие с исходным изображением.
Шаг 4 . Откройте изображение RGB , которое нужно преобразовать.
Шаг 5 . Внесите изменения, пока изображение еще находится в режиме RGB .
Конспект урока
Учитель: Иванова Светлана Юрьевна
Предмет: информатика и ИКТ
Класс: 9
Тема: Формирование цвета в системах цветопередачи RGB , CMYK и HSB (Палитры цветов в системах цветопередачи RGB , CMYK и HSB )
Тип урока: изучение нового материала
Цели:
предметные: дать представление о палитрах цветов в системах цветопередачи;
метапредметные:
а) регулятивные: приобретение опыта работы с графическими изображениями; прием и сохранение учебной задачи; осуществление самоконтроля;
б) познавательные: анализ ориентира действия в новом учебном материале с сотрудничестве с учителем; осуществление итогового контроля по результату; преобразование практической задачи в познавательную; построение логических рассуждений;
в) коммуникативные: адекватное восприятие оценки учителя, товарищей; постановка вопросов, необходимых для организации собственной деятельности и сотрудничества с партнером;
г) межпредметные: связь и обобщение предметных знаний физики и информатики для видения объекта в единстве его многообразных свойств;
личностные: формирование устойчивого учебно-познавательного интереса к новым общим способам решения задач.
Формы организации учебной деятельности: беседа, индивидуальная работа, практическая работа в парах, самоконтроль.
Используемые технологии: проблемно-диалоговая, дифференцированный подход, ИКТ-технология.
Инвентарь и оборудование: проектор, экран, ноутбук учительский и ноутбуки ученические с установленными графическим редактором PhotoShop и тестовой оболочкой MyTest , раздаточный материал, карточки с домашним заданием.
Ход урока:
Организационный момент.
Приветствие: Здравствуйте, ребята! Я рада вас видеть! По словам философа Е. Ильенкова «Вся человеческая жизнь – это не что иное. Как постоянное желание достичь успеха в решении новых вопросов и проблем». И сегодня девиз нашего урока «Настоящее сокровище для человека – умение трудится». (Езоп). За работу!
Актуализация знаний.
Перед изучением новой темы, предлагаю выполнить тест на повторение (раздаю карточки с тестом). На прошлом уроке мы познакомились с растровыми изображениями. Давайте вспомним, как называется минимальный участок изображения, для которого независимым образом можно задать цвет? (пиксель). Что такое «глубина цвета»? (Количество информации, которое используется для кодирования цвета точки изображения). Мы знаем, что на экране монитора цвет точки имеет двоичный код. Что это значит? (состоит из 0 и 1). А как связаны между собой «глубина цвета» и «палитра цветов»?(N =2 i – формула Хартли) (1 слайд )
Постановка учебной задачи.
Мы привыкли видеть яркие изображения на экранах телевизоров и мониторах. Но бывает так, что после печати на цветном принтере красочная картинка перестает смотреться. Например, я столкнулась с такой ситуацией (демонстрирую яркое фото и блеклое). Какой вопрос у вас возникает? (почему так произошло? Можно ли исправить такое фото? Как предотвратить такую ситуацию?)
И сегодня на уроке мы выясним
Почему на мониторе картинка смотрится ярко, а после печати может стать блеклой, и для этого мы познакомимся с палитрами цветов в двух системах цветопередачи;
То нужно сделать, чтобы предотвратить такую ситуацию и на практике научимся устанавливать различные графические режимы.
Сформулируем тему урока.(2 слайд).
Изучение нового материала.
Вспомним опыт Ньютона (просмотр видео ).
Какой опыт мы сейчас наблюдали? (Опыт Ньютона по дисперсии света). В чем он заключается? (Узкий луч солнечного света направлялся на треугольную стеклянную призму). На экране за призмой появлялся спектр - радужная полоса из семи цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый( 3 слайд ).
Хорошо известна фраза, которая помогает легко запомнить последовательность цветов в спектре видимого света: «Каждый охотник желает знать, где сидит фазан».
Человек воспринимает свет с помощью цветовых рецепторов, так называемых колбочек, находящихся на сетчатке глаза. (4 слайд) .
С экрана монитора мы воспринимаем цвет как сумму излучения трех базовых цветов: красного , зеленого и синего . Такая система цветопередачи называется RGB, по первым буквам английских названий цветов (Red - красный, Green - зеленый, Blue - синий ). (Давайте оставим две строчки для темы, мы ее с вами позже сформулируем, и запишем название первой цветовой модели) (5 слайд) .
Цвета в палитре RGB формируются путем сложения базовых цветов, каждый из которых может иметь различную интенсивность. Цвет палитры Color можно определить с помощью формулы
Color = R + G + В, где 0<= R <= Rmax, 0 <=G <= Gmax, 0 <= В <= Bmax .
При минимальных интенсивностях всех базовых цветов получается черный цвет, при максимальных интенсивности – белый цвет. При максимальной интенсивности одного цвета и минимальной двух других – красный , зеленый и синий цвета.
Наложение зеленого и синего цветов образует голубой цвет (Cyan), наложение красного и зеленого цветов - желтый цвет (Yellow), наложение красного и синего цветов - пурпурный цвет (Magenta). Таблица (6 слайд).
При глубине цвета в 24 бита на кодирование каждого из базовых цветов выделяется по 8 битов. В этом случае для каждого из цветов возможны N = 2 8 = 256 уровней интенсивности. Уровни интенсивности задаются десятичными (от минимального - 0 до максимального - 255) или двоичными (от 00000000 до 11111111) кодами. (7 слайд) .
При печати изображений на принтерах используется палитра цветов в системе CMY. Основными красками в ней являются Cyan - голубая , Magenta - пурпурная и Yellow - желтая. (8 слайд) .
Цвета в палитре CMY формируются путем наложения красок. Цвет палитры Color можно определить с помощью формулы, в которой интенсивность каждой краски задается в процентах:
Color = С+М + Y, где 0% <= С <= 100%, 0% <= М <= 100%, 0% <= Y <= 100%.
Напечатанное на бумаге изображение человек воспринимает в отраженном свете. Если на бумагу краски не нанесены, то падающий белый свет полностью отражается, и мы видим белый лист бумаги. Нанесенная на бумагу голубая краска поглощает красный свет и отражает зеленый и синий свет, и мы видим голубой цвет. Нанесенная на бумагу пурпурная краска поглощает зеленый свет и отражает красный и синий свет, и мы видим пурпурный цвет. Нанесенная на бумагу желтая краска поглощает синий свет и отражает красный и зеленый свет, и мы видим желтый цвет. (9 слайд) .
(Таблица). Рассмотрим, как формируется палитра цветов в системе CMYK. (записать) (10 слайд) .
Смешение трех красок - голубой , желтой и пурпурной - должно приводить к полному поглощению света, и мы должны увидеть черный цвет. Однако на практике вместо черного цвета получается грязно-бурый цвет. Поэтому в цветовую модель добавляют еще один, истинно черный цвет. Так как буква В уже используется для обозначения синего цвета, для обозначения черного цвета принята последняя буква в английском названии черного цвета Black , т. е. К . Расширенная палитра получила название CMYK . (11 слайд) .
Итак, какая система цветопередачи применяется в мониторах компьютеров, в телевизорах и других излучающих свет технических устройствах? (RGB). И изображения с экрана монитора мы видим в излученном свете. (12 слайд) .
А какая система цветопередачи применяется в полиграфии? (CMYK). И напечатанные изображения мы видим в отраженном свете.
Практическая работа.
Вернемся к нашей испорченной фотографии. Как вы думаете, что нужно сделать перед тем как напечатать изображение? (Перевести его из RGB в CMYK ). И мы сейчас с вами на практике потренируемся конвертировать изображение из RGB в CMYK .
Разбейтесь, пожалуйста, на пары. Каждая пара берет ноутбук и занимает место за столом. Кто-нибудь из вас работал в графическом редакторе PhotoShop ? Давайте запустим программу. Перед нами рабочее поле. Слева – панель инструментов. Сверху – выпадающее меня, панель свойств. Справа – окна дополнительных панелей. Если мы откроем файл, то появится окно изображения. Конвертируем изображение из RGB в CMYK. Собственно, перевод из RGB в CMYK занимает ровно 1 секунду.
После такого перевода вы можете обнаружить, что ваша графика потеряла былую яркость. Картинка стала серой и блеклой. А почему графика вообще становится блеклой? Мы уже знаем, что разница между этими двумя цветовыми моделями очень простая.
RGB - цветовая модель для большей части мониторов, современных телевизоров, да и экранов вообще.
CMYK - это цветовая модель, имитирующая краски печати, которыми типография способна напечатать изображение.
Что же происходит при конвертировании из RGB в CMYK ? Прежде всего, каждому пикселю графики присваиваются другие цифровые значения. В RGB это были условные R255G255B0 , а после конвертации пиксель приобрел значения С4M0Y93K0 .
Как раз в этот момент картинка и может потерять в яркости. Причины, по которым это происходит, заключаются в том, что цветовой обхват модели RGB значительно больше, чем цветовой охват CMYK .
Фотошоп срочно подыскивает более тусклые цвета.
Результат данного перевода вовсе не максимум яркости, которую через CMYK можно обеспечить. И вы легко в этом убедитесь, просто применив цветокоррекцию Яркость/Контраст.
Причина потери яркости заключается в том, что в чистые оттенки Фотошоп подмешивает слишком много посторонних красок. Чаще всего Фотошоп создает черновые смеси красок и вместо ярко выраженной краски получится то, что происходит, когда вы в детстве все цвета гуаши брали, и на бумаге смешивали.
После конвертации из RGB в CMYK изображение надо обязательно цветокорректировать.
Самостоятельная работа.
А сейчас предлагаю поработать самостоятельно с использованием тестовой оболочки MyTest . Перед вами три задания. Два первых - это легкие задания. Третье - посложнее. Выбираете любые два.
(Тестовая оболочка позволяет отправить ответы учеников учителю, который сразу видит результат. Ребята могут просмотреть вопросы, на которые ответилт неверно ).
Домашнее задание.
Дома предлагаю подготовить небольшое сообщение о третьей цветовой модели HSB . Тем, кто справился со всеми заданиями, нужно выполнить одну из предложенных практических работ и написать небольшой вывод о проделанной работе. У кого возникли затруднения. Предлагаю заполнить таблицу и еще раз потренироваться в определении цвета.
Рефлексия.
Ребята, скажите, какие цвета являются базовыми для человеческого восприятия? (красный, зеленый, синий)
Какие цветовые модели существуют?
В каких видах деятельности целесообразно их использовать?
В самом низу ваших карточек оцените свою работу на уроке.
Спасибо за урок! Мне было приятно с вами работать!
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.
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.