Цветовоспроизведение
АрхивПонятие цветовоспроизведения. Его стадии
Продолжая начатую в предыдущем номере тему, перейдем к рассмотрению непосредственно процесса воспроизведения цвета. Наиболее адекватно цветовоспроизведение можно представить через трехкомпонентную теорию [1] - цвет воспринимают три приемника КЗС лучей, а для воспроизведения используются только три основные краски [2] ГПЖ [1] (либо же три цвета лучей КЗС при воспроизведении цвета излучением). С использованием их можно воспроизвести все многообразие цветов природы.
Процесс цветовоспроизведения состоит из трех стадий. На аналитической [3] стадии мы определяем, сколько КЗС лучей содержит данный цвет, либо какое количество ГПЖ красок надо смешать. На градационной [4] стадии мы определяем, как изменится последовательность воспроизводимых светлот, то есть увеличится или уменьшится контраст изображения, усилится или ослабеет цвет при воспроизведении. Эта стадия наиболее выражена в полиграфии и фотографии.
Пример В программе Photoshop к инструментам градационной стадии относятся в первую очередь кривые (Curves), Brightness/Contrast и другие. На вашем мониторе аналогичную функцию выполняет ручки контраста и яркости.
И, наконец, на третьей, синтетической [5] стадии мы непосредственно смешиваем краски или излучения, чтобы получить требуемый цвет. Эти три стадии не всегда можно разделить физически, но методически важно их рассмотреть по отдельности.
Пример Есть цветная картинка, которую вы хотите напечатать на своем принтере. Во-первых, вы ее сканируете, то есть узнаете, сколько КЗС излучений содержат все участки данной картинки. Затем она воспроизводится на экране с определенным контрастом, который зависит от настройки вашего монитора. И, в-третьих, она печатается на вашем принтере определенным количеством ГПЖ красок.
Правила цветовоспроизведения
Для рассмотрения процесса синтеза цвета нам необходимо ввести понятие "идеальных красок". Это идеализированные, не существующие в природе, абсолютно прозрачные, не рассеивающие свет краски. Каждая краска управляет определенной зоной спектра, поглощая падающее или проходящее излучение. Реальные краски поглощают излучения во всем видимом спектре, управляя не только своей зоной, но и соседними. Под "идеальными" понимаются гипотетические краски, поглощающие только в своих зонах спектра. Спектральная характеристика поглощения каждой из идеальных красок имеет П-образную форму в той зоне спектра, которой эта краска должна управлять (рис. 1). Желтая краска поглощает в синей зоне спектра (400-500 нм), пурпурная - в зеленой (500-600 нм) и голубая в красной зоне спектра (600-700 нм). Идеальные краски также называют "красками Гюбля", по имени предложившего их исследователя.
Рис. 1.
Спектральные характеристики идеальных красок Гюбля.
Существует простой физический закон (закон Бугера-Ламберта-Беера [9]), который связывает оптическую плотность, концентрацию и толщину слоя красителя. Оптическая плотность равна произведению концентрации красителя на толщину слоя и на специальный коэффициент, называемый удельным показателем поглощения. Он зависит от природы красителя, его спектрального состава и указывает, какое количество, к примеру, желтой и синей красок нужно использовать для получения равной оптической плотности.
Этот закон, показывая линейную зависимость оптической плотности от толщины слоя красителя или его концентрации, позволяет нам в расчетах цветовоспроизведения переходить от оптических плотностей к количеству красок и наоборот.
Теперь мы можем определить правила цветовоспроизведения.
А Цветовоспроизведение проходит верно, если ахроматические цвета воспроизводятся цветными красками или цветными излучениями ахроматически (рис. 2а), то есть процесс цветовоспроизведения сбалансирован по серому [6]).
Б Вместо рассмотрения процесса воспроизведения различных цветных картинок используют модельный оригинал [7], который состоит из четырех шкал: ГПЖ и Ч (черной). Количество краски на таких шкалах возрастает ступенчато от нуля (белый цвет бумаги) до максимального количества (100% краски) (рис. 2б).
Рис. 2.
Правила цветовоспроизведения: баланс по серому (а) и модельный оригинал (б).
В Мы имеем право заменять спектральную кривую окраски любого природного объекта (обычно это плавная кривая линия) на смесь идеальных красок.
Пример На рис. 3а показана спектральная кривая поглощения зеленого листа. Эту кривую мы заменяем тремя столбиками с соответствующими количествами идеальных красок - гистограммами [8] (рис. 3б). Высота каждого столбика равна тому количеству идеальной краски, которое соответствует среднему значению оптической плотности зеленого листа в КЗС зонах спектра.
Рис. 3.
Пример идеального цветовоспроизведения. Спектральная характеристика листа (а) и гистограмма идеальных красок (б).
Методы синтеза цвета
Цвет можно синтезировать двумя принципиально разными методами - аддитивным и субтрактивным (рис. 4). Аддитивный синтез цвета предполагает получение цвета смешением излучений.
Рис. 4.
Аддитивный (а) и субтрактивный (б) синтез цвета.
Пример Цветной монитор, телевидение. Цвет получается за счет КЗС (или, как их еще называют в телевизионно-компьютерном мире, RGB) излучений люминофоров экрана, возбужденных потоками электронов, попавших на них. При сканировании изображение также может быть представлено в виде смеси КЗС излучений.
Аддитивный синтез применяется и при измерении цвета специальными приборами - колориметрами. В аддитивном синтезе под белым цветом мы понимаем смешение основных излучений в максимальном количестве. Черный цвет - полное отсутствие излучений, серый цвет - промежуточный между белым и черным.
При субтрактивном синтезе цвета КЗС-излучения попадают в глаз не напрямую, а преобразуясь оптической средой - окрашенной поверхностью. Ее окраска выполняет функцию преобразователя энергии излучения источника света. Отражаясь от нее или проходя насквозь, одни лучи ослабляются сильнее, другие слабее. В результате баланс попавших на сетчатку глаза излучений изменяется, что вызывает ощущение цвета.
Субтрактивный синтез предполагает, что цвет получается смешением окрашенных оптических сред (красок). Если синтез триадный [10], то красок три [2]: Ж - желтая, П - пурпурная и Г - голубая. Пример триадного синтеза цвета - цветные фотографии, кинофильмы, печатная продукция, изображения, полученные на цветных принтерах.
Субтрактивным синтезом мы никогда не получим белый цвет - только серый или черный. Причина в том, что краска всегда поглощает свет сильнее, чем бумага, на которую она нанесена. В субтрактивном синтезе белым цветом является цвет бумаги, на которой производится печать, при полном отсутствии краски. Черный цвет получается при смешении максимального количества всех трех красок. Серый цвет образуется также смешением всех трех красок в определенных пропорциях.
Однако на практике смешение трех триадных красок дает не черный, а грязный буро-коричневый цвет, а серые тона требуют для воспроизведения неравных количеств ГПЖ красок. Это связано со спектральными характеристиками реальных красок. Чтобы понять, почему это происходит, и разобраться с особенностями реального цветовоспроизведения, необходимо сначала рассмотреть модель идеального синтеза цвета.
Идеальный и реальный синтез цвета
Для упрощения рассмотрения процессов цветовоспроизведения в модели идеального синтеза цвета используются следующие допущения.
А Приемники глаза видят только в "своей" зоне спектра, и форма кривой их спектральной чувствительности - прямоугольная (рис. 5а).
Рис. 5.
Допущения для модели идеального синтеза цвета: спектральная чувствительность приемников глаза (а), кривая распределения мощности излучения источника света (б), спектральные характеристики идеальных красок (в).
Б Источник света "равноэнергетический" [12] (обозначается буквой Е), то есть для любой длины волны от 400 до 700 нм мощность излучения одинаковая (рис. 5б).
В Синтез цвета осуществляется "идеальными красками" (рис. 5в).
Для рассмотрения моделей идеального и реального цветовоспроизведения необходимо договориться о следующем. В аддитивном синтезе цвета излучений КЗС, с помощью которых мы будем получать цвет, называются основными. Их количество мы измеряем яркостью, мощностью или специальными колориметрическими единицами. В субтрактивном синтезе основные цвета - это краски ГПЖ. Их количество измеряется концентрацией или оптической плотностью в соответствующей КЗС зоне спектра. Основные цвета (красок, излучений) имеют следующие свойства, описываемые законами Грассмана:
А Цвета линейно независимы. Ни один цвет нельзя получить, смешивая два других.
Б Если количество основных меняется непрерывно, цвет смеси также меняется непрерывно.
В Цвет смеси основных излучений зависит только от их цвета, а не от спектрального состава.
Рассмотрим идеальное цветовоспроизведение на примере зеленого листа. Итак, на аналитической стадии мы определили, какое количество излучений формирует цвет, и построили спектральную кривую поглощения (рис. 3а). Градационная стадия у нас отсутствует, поскольку синтез идеальный, и никаких преобразований цвета мы делать не собираемся - нам необходимо просто передать цвет листа. Мы определили также количество идеальных ГПЖ красок (рис. 3б). Чтобы получить этот цвет, надо взять идеальные краски в количестве 0,7 Ж, 0,1 П и 0,7 Г. Цвет зеленый, ненасыщенный. Как мы это узнали? Вычтем серую составляющую, останутся Ж и Г краски в одинаковых количествах. При смешивании они дадут зеленый цвет. Ненасыщенным же он будет потому, что загрязнен серым цветом, образующимся в результате наложения всех трех идеальных красок. Проведя синтез, мы получили идентичный цвет листа [3].
Теперь давайте посмотрим, что будет с цветовоспроизведением, если вместо идеальной краски мы возьмем реальную, причем реальную только по спектральным характеристикам. Из рис. 6 видна одна парадоксальная вещь: оказывается, в природе нет "чистых" красок. Все реальные краски представляют собой смесь трех идеальных ГПЖ красок. Поэтому, нанося краску в соответствии с произведенным анализом, мы как бы добавляем избыток и двух других красок.
Рис. 6.
Спектральные характеристики и гистограммы реальных красок полиграфической триады.
Рассмотрим это более подробно на примере все того же зеленого листа (рис. 7). Для его воспроизведения Ж краски надо 0,7, но вместе с ней попадает еще 0,14 П краски (0,2х0,7) и 0,07 Г краски (0,1х0,7). П краски надо 0,1. Вместе с ней попадает 0,03 Ж краски (0,3х0,1) и 0,02 Г краски (0,2х0,1). Г краски надо 0,7. Вместе с ней попадает 0,14 Ж краски (0,2х0,7) и 0,28 П краски (0,4х0,7). Итого: Ж краски окажется 0,87 (0,7+0,03+0,14), П краски - 0,52 (0,14+0,10+0,28), а Г краски - 0,727 (0,007+0,02+0,7). Гистограмма реального синтеза совсем не похожа на исходную. Цвет стал менее насыщенным, более грязным. Доля загрязняющей черной (серой) краски увеличилась с 0,1 до 0,52. Изменился также цветовой тон. Вместо одинакового количества Ж и Г красок мы получили значительное преобладание Ж цвета. Цвет стал ненасыщенным грязно-зеленым. Вместо радующей зелени раннего лета - жухлая осень.
Рис. 7.
Пример реального цветовоспроизведения. Спектральная характеристика листа (а) и гистограмма реальных красок (б).
Давайте рассмотрим также процесс образования черного цвета при идеальном и реальном синтезе. При идеальном синтезе (рис. 8а) мы получаем черный цвет, смешав по 100% каждой из ГПЖ красок. Однако при реальном синтезе (рис. 8б), учитывая "вредное поглощение" [14] реальных красок, мы получим вовсе не черный, а темно-коричневый ненасыщенный (грязный) цвет.
Рис. 8.
Субтрактивный синтез черного идеальными (а) и реальными (б) красками триады.
Именно поэтому в реальном субтрактивном синтезе тремя красками невозможно воспроизвести все цвета, доступные при аддитивном синтезе излучениями. Невоспроизводимы самые насыщенные спектральные тона, для которых в каких-либо зонах спектра поглощение должно полностью отсутствовать. Невоспроизводим также и черный цвет, для компенсации чего в процесс воспроизведения в полиграфии вводится черная краска. Помимо этого, разработаны специальные шести- и семикрасочные методы печати (так называемая Hi-Fi-печать), позволяющие получить гораздо большее количество цветов, нежели при традиционном печати четырьмя красками ГПЖЧ (CMYK). Однако подобная печать на настоящий момент слишком дорога, и ее широкому распространению препятствует отсутствие проработанных механизмов цветоделения и цветопробы.
Маскирование
Одним из основных методов борьбы с искажениями цвета, вносимыми реальными красками, является маскирование. Этот способ применяется в полиграфии и цветной фотографии и позволяет улучшить цветопередачу. Он основан на автоматическом вычитании "загрязняющих" количеств краски, что помогает бороться с цветоделительными искажениями. Этот же принцип заложен в современных цифровых методах расчета правильного цветовоспроизведения.
Маски, исправляя основные недостатки цветоделения, способны внести новые искажения цвета, однако значительно меньшие, чем компенсированные ими. На практике маскирование используется совместно с градационной коррекцией. Принципы маскирования, а также другие практические методы борьбы с искажением цвета мы подробнее рассмотрим в следующих темах.
Методы реального воспроизведения цвета
Что же мы имеем при реальном воспроизведении цвета? Окраска предмета получается при помощи красок, красителей, чернил, тонеров, люминофоров [2]. Вс§ это - носители цвета [11], которые используются в различных способах воспроизведения цвета, имеют различные спектральные и физические свойства. Как видно из рис. 9, носители цвета очень сильно различаются по своему спектральному составу. Но, несмотря на это, глаз воспринимает синтезированные ими цвета при одинаковом освещении как идентичные. Это происходит за счет метамерности [13] восприятия глазом излучений, что позволят нам воспринимать цвета как одинаковые, даже если спектральный состав излучений различный. Это свойство и позволяет практически воспроизводить цвет.
Рис. 9.
Спектральные характеристики желтого, пурпурного и голубого красителей различных видов.
Рассмотрим особенности разнообразных практических методов воспроизведения цвета.
Цветная фотография. Триады красителей подбираются таким образом, чтобы "вредные поглощения" были наименьшими. Прозрачные красители почти не рассеивают свет. Цвет образуется увеличением или уменьшением концентрации красителя, пропорционально подействовавшему свету. Краситель образуется везде, где действовал свет. Используется автоматическое цветокорректирование, за счет негативно-позитивного процесса с внутренним маскированием. Уровень маскирования, с учетом искажений в позитиве, заложен в негативную пленку при ее изготовлении.
Полиграфия. В полиграфии, в большинстве случаев, на оттиске можно получить равномерный по толщине красочный слой. Для получения цветного полутонового изображения [15] применяется прием, который называется растрированием [16]. Растрирование - это получение изображения в виде отдельных точек, различающихся по размеру. Толщина краски при этом одинаковая. Если посмотреть на черно-белые фотографии, напечатанные в газете, то растр виден невооруженным глазом. Относительный размер точек выражается в процентах запечатываемой площади. Если требуется получить максимальную концентрацию краски, точки сливаются в сплошную плашку. Краска плюс бумага свет рассеивают, что вызывает определенные сложности при расчете процесса цветовоспроизведения. Из-за светорассеяния и больших "вредных" поглощений сложно получить серые и черные цвета, поэтому используется четвертая краска - черная. Процесс синтеза цвета заключается в последовательном нанесении ГПЖЧ красок, в виде точек постоянной толщины, но отличающихся по площади. Это так называемые цветоделенные изображения.
Устройства вывода с цифровой обработкой информации. Так сложно мы обозвали принтеры и копиры, работа которых управляется компьютерами. В этих устройствах краска (чернила) тоже наносится равномерными по толщине слоями (за исключением термосублимационных принтеров). Количество краски регулируется количеством и размером точек, приходящихся на единицу площади. Светорассеяние и спектральная характеристика красок индивидуальна для каждого типа выводных устройств. Профессиональные устройства используют как минимум четыре краски (причина та же, что и в полиграфии). Возможно использование большего количества красок.
На приведенных примерах мы рассмотрели три принципиальных подхода к техническому воспроизведению цвета на твердых носителях изображения [11].
А Изменяется толщина слоя красителя.
Б Изменяется площадь точки, занятой красителем, при постоянной толщине слоя.
В Изменяется количество одинаковых по размеру точек наносимых на единицу площади. Толщина слоя также постоянна.
Чтобы оценить качество цветовоспроизведения, требуются какие-то универсальные методы оценки и измерения цвета. Такие методы мы с вами рассмотрим в следующей статье, посвященной вопросам измерения цвета при помощи колориметрических систем.
|
1 (обратно к тексту) - Используемые сокращения: КЗС - красный, зеленый, синий; ГПЖ - голубой, пурпурный, желтый.
2 (обратно к тексту) - На практике в полиграфии или в цветных принтерах используется большее количество красок. Почему - станет ясно позднее.
3 (обратно к тексту) - На рис. 3 вы видите лишь имитацию процесса идеального синтеза, поскольку показать идеальный синтез средствами полиграфии не представляется возможным.
