Wide gamut rgb что такое
Wide Color Gamut (WCG) в телевидении, что это такое?
Что такое технология WCG Wide Color Gamut
Технология Wide Color Gamut не нова, эта технология была разработана в 2005 году и предназначена для увеличения глубины и насыщенности цвета, что позволило бы приблизить цвета на экране телевизора к естественным. Wide Color Gamut позволяет воспроизводить цвета на 97-99% от возможностей экрана телевизора.
Поскольку эта технология была изобретена до HDR, она использовалась для улучшения качества изображения, но сейчас уже устарела. Она используется в недорогих телевизорах начального уровня.
Как работает широкая цветовая гамма Wide Color Gamut
Обратите внимание: эта технология работает только с изображениями низкого цифрового качества, такими как видео, подвергшееся цифровой конвертации. Для видео, снятого на современные цифровые камеры, она практически бесполезна.
Как работает Wide Color Gamut, в программное обеспечение телевизора устанавливается специальная программа, которая анализирует цветовую гамму изображения, сравнивая ее со стандартом, таким как sRGB. Она пытается улучшить изображение, увеличивая контрастность, насыщенность и гамму.
В этом процессе участвует монитор, поскольку на плохом мониторе невозможно воспроизвести качественное изображение, а также программное обеспечение, корректирующее изображение. На фотографии ниже показано изображение, полученное с помощью технологии Wide Color Gamut.
Как видите изображение приобретает более яркие и живые цвета. Исходный кадр иел малые уровни цветовых оттенков и малую яркость изображения. Что сделали увеличили яркость и уровень цвета. Трва стала более зелёной, а авто красным.
Исследования подтверждают значительное улучшение глубины и цветовых оттенков изображения. Изображение приобретает естественные, живые цвета.
LG OLED Wide Color Gamut.
С появлением OLED-телевизоров эта настройка стала доступна в OLED-телевизорах. Эта настройка изменяет цветопередачу изображения. Рекомендуется установить этот параметр на авто. Она не работает с HDR-контентом, поскольку в этом случае настройка бесполезна.
P3 Wide Color Gamut
Это название подразумевает, что технология работает со стандартом DCI-P3 или DCI/P3, цветовым пространством, широко используемым в цифровых кинотеатрах. Оно охватывает большую часть естественного спектра с наиболее заметным отсутствием цвета в зелено-голубой части диапазона. Технология улучшает цветовую гамму, исправляя недостатки в диапазоне DCI-P3.
Путь пикселя. Как работает цифровое управление цветом.
Эта заметка поможет дизайнерам понять принцип, по которому формируется цвет на мониторе и в Photoshop. Все информация о цвете берет начало с эксперимента CIE, в результате которого были получены спектральные кривые чувствительности цвета, соответствующие определенным цветовым ощущениям. В 1931 году в ходе эксперимента выяснили, что человек хорошо воспринимает цвета в красной, зеленой и синей области спектра, это дало начало цветовой модели CIE 1931, и далее CIE XYZ. И все нынешние цветовые модели базируются на результате этого эксперимента. По результатам эксперимента были разработаны цветовое тело и цветовой локус, которые формируют границы видимого цвета. Это позволяет строить диаграммы цветности и оперировать разными цветовыми пространствами.
Путь у пикселя до экрана монитора следующий по цепочке видеокарта, дисплей, кабель и внешнее освещение:
1.Значения пикселя соотносятся с цветовым профилем, который установлен в диалоге Color Settings для данной цветовой модели. Если в изображение встроен профиль, то берутся значения из встроенного профиля. Далее значения конвертируются в Lab.
2. Из системных установок берется профиль монитора или, при его отсутствии, sRGB (что с точки зрения цветовоспроизведения считается огромным косяком). Lab значения конвертируются в RGB исходя из профиля монитора и передаются в драйвер монитора. Профиль монитора должен быть назначен монитору на уровне ОС. Все современные программы для калибровки монитора делают это без участия пользователя.
3. В драйвере монитора значения компенсируются согласно компенсационной кривой. Такая компенсационная кривая создается при калибровке монитора и находится в профиле монитора, полученные значения отправляются в LUT драйвера видеокарты при загрузке OС. Значения отправляются на монитор.
Не лишним будет понимать, как происходит конвертация из RGB в Lab и обратно и что мы при этом теряем. Основной тезис состоит в том, что цветовое пространство может содержать определенный диапазон цвета. Изображение, с которым работает специалист, имеет более узкий диапазон для широкоохватных цветовых моделей. Все существующие вариации RGB (которые я опишу ниже) это матричные профиля, значит, они не могут содержать теги CLUT для разного типа рендеринга при преобразовании в другие цветовые пространства. Lab тоже относится к матричным профилям (за исключением UPLab от Брюса Линдрума), при этом Lab еще и представление цветовой модели XYZ. XYZ очень широкая и точная, линейная и не учитывает особенности зрения человека, просто математика в виде координат на взаимно перпендикулярных осях. Поэтому она используется только как основа для более интересных нам моделей, таких как Lab, и поверх них уже надстройка в виде CIEDE2000. А вот CIE xy или CIE xyY уже нелинейные.
Вы знакомы с четырьмя основными типами конвертации: абсолютно колориметрический (Absolute Colorimetric), относительно колориметрический (Relative Colorimetric), по насыщенности (Saturation), перцепрционный (Perception). Без тэгов итоговое преобразование происходит по относительному или абсолютному методу рендеринга. При этом обрезаются все цвета, что шире по цветовому охвату, чем целевой профиль. Значит, при преобразовании Lab-> RGB потери информации во время округления чисел неизбежны. Это важно знать, но важнее знать какое цветовое пространство подойдет при проявке фотографий из RAW в RGB, минимизировав число потерь при работе в Lab. Это описанные ниже AdobeRGB, L-Star и ECI RGB. RAW может содержать и 12 и 16 бит на канал.
И тут мы плавно переходим к вопросу преобразования RGB-значений одного пространства в RGB-значения другого. На операционных системах более ранних, чем Windows 7, не было нормального управления цветом, и процесс настройки отображения и интерпритации цвета строился вокруг програмных платформы, таких как Adobe или Corel. Так, если в Adobe Photoshop создать документ в цветовом пространстве Adobe RGB (1998) и залить его сплошным цветом RGB (31, 121, 238), то после преобразования в sRGB IEC61966-2.1 (sRGB Edit->Convert to Profile), RGB-значения превратятся в 0, 121, 242.
Для отслеживания веселья такого рода, в Photoshop изобрели отдельное рабочее цветовое пространство (Working Color Space). Это промежуточное пространство, настраивается в Color Settings. Если вы укажете его как Adobe RGB (1998), то все новые документы будут создаваться именно с Adobe RGB (1998), и этот же профиль будет присвоен изображениям без встроенного профиля.
Причина столь непонятного поведения в алгоритме расчета матрицы преобразований:
В Adobe Photoshop все сложнее, чем в операционной системе. У Adobe есть свой собственный движок, в Color Settings можно выбрать для конвертации либо движок от Adobe, либо движок системы. Остальные программы используют движок LinoColorCMM в Windows, и Сolorsync в Mac. Механизм преобразования одного цветового пространства в другое называется Windows ICM.
Профиль монитора состоит из двух частей:
Отказаться от использования профиля монитора в Photoshop нельзя. Если отсутствует профиль монитора, то используется sRGB. Как вы понимаете, отображение без профиля монитора будет заведомо неправильным. Правильным решением для ленивых считается использование заводского профиля монитора, либо попросить у доброго монстра-полиграфиста аппаратно откалиброванный профиль. Но это не рекомендуемый способ.
Калибровка состоит из двух этапов: сама калибровка/линиаризация, и характеризация/профилирование. В процессе калибровки затрагиваются следующие значения: чёрная и белая точки экрана, цветовая температура и гамма предыскажений. Этап профилирования фиксирует эти значения и заносит в специальный профайл монитора. Параметры белой точки и цветовой температуры напрямую зависят от условий освещения, поэтому заводские профиля даже для «монолитных» компьютеров, типа iMac, никогда не будут идеальным выбором для вас.
Приведу характеристики рабочих пространства RGB
sRGB совместная разработка Hewlett-Packard и Microsoft для представления усредненного монитора. Большинство из нас использует мониторы, чей цветовой диапазон больше, чем sRGB, и для печати sRGB годится весьма посредственно (никак не годится), больше подходит для подготовки изображений для интернета, но работать надо с более широкими цветовыми диапазонами. sRGB имеет слишком заглаженные характеристики для профессиональной работы и уступает по охвату цвета любому современному монитору. Изначально создавался для согласования рабочего цветового пространства с CRT мониторами калиброванными на гамму 2,2. Проще говоря, sRGB это готовое изображение для просмотра, а не для работы. Смысл sRGB в гарантии, что на всех мониторах и принтерах картинка будет показана условно одинаковой, но для цветокоррекции не годится.
Сама операционная система Windows никак не влияет на отображение цвета в другом софте. Система содержит ассоциации профилей устройств, одно из устройств это ваш монитор. В Photoshop можно задать отображение цветов на основе CMS Windows, как и в любом другом профессиональном софте типа RIP или RAW-конвертеров, которые вообще несут в себе собственные профиля и драйверы для устройств. Отсюда вывод, что все настройки отображения цвета в софте должны быть в самом софте.
Так в чем работать? Посмотрим на другие стандарты цвета.
Apple RGB — стандартное пространство Photoshop 2,0. Оно ориентировано на 13-дюймовые RGB-мониторы Apple, а цветовой охват лишь немногим шире sRGB, что печально. Использованный в Apple RGB уровень гаммы 1,8 не обеспечивает визуальной равномерности и ведет к постеризации теней даже быстрее, чем в sRGB. Так что, хотя данное цветовое пространство несколько отличается от sRGB, по существу ничуть не лучше.
CIE RGB — разработка Commission Internationale de L’Eclairage. Обладает очень широким цветовым пространством, охватывает все зрительное восприятие человека, что делает его очень неудобным для работы с 8-и битовыми изображениями +проблемы пастеризации. Также имеются проблемы с утемнением синего цвета.
DonRGB4 — достаточно широкая гамма 2.2, промышленная стандартная точка белого D-50. Почти полностью покрывает Ektachrome, используется многими профессионалами мирового уровня. Существует брат-близнец BestRGB, отличается чуть расширенным диапазоном доступных цветов, но не превышает CIEYxy.
MaxRGB — превышает даже CIEYxy. Позволяет поработать с очень ненатуральными цветами.
ColorMatch RGB — усекает оттенки голубого, хотя в общем и целом для печати очень хороший вариант. Чуть более широкая, чем sRGB. Из минусов можно назвать гамму 1,8, которая уменьшает детализацию в тенях.
NTSC(1953) — старенький стандарт вещания видео из Северной Америки. Цветовой охват довольно широкий, но недостаточный для работы с 8-и битными цветами, уводит в желтизну белые цвета. В общем, годится для работы с видео.
PAL/SECAM — цветовой охват приближен к Apple RGB, стандарт для видеовещания для Европы и отдельных странах Азии.
JPEG файлы работают лишь с 8 битами. Это значит, что вы получите 256 красных, 256 зеленых и 256 синих оттенков, независимо от того, используете ли вы Adobe ’98 или sRGB. В сумме это 16,78 миллионов цветов. Очень простая математика, используется по 8 бит для красного, синего и зелёного цветов. Кодируется 2^8 = 256 различных вариантов представления цвета для каждого канала, в сумме получается 256×256×256 = 16777216 цветов. Adobe ’98 шире по диапазону цвета, и чтобы уложиться в доступный JPEGу диапазон цветов, приходиться делать «грубые» переходы между оттенками цвета. Конечно, есть задачи, которые не решить в sRGB, например логотип HP или чистый голубой цвет, но обычно предпочтительнее sRGB для веба. Adobe ’98 лучше для журналов, или если у вас есть струйный принтер, который может передать цвета за пределами sRGB. Но в этом случае лучше работать не с Adobe ’98, а с ProPhoto. Также, новые 4K телевизоры с 10-битным или выше разрешением могут воспроизвести 1024 оттенков каждого цвета, что позволяет получить свыше 1 миллиарда цветов.
Важный нюанс: перед тем, как конвертировать картинку из одной цветовой модели в другую, желательно избавиться от слоев, содержащих прозрачность. Так, если взять картинку AdobeRGB с прозрачными градиентами и конвертировать в sRGB, то многие градационные растяжки будут испорчены.
Самое широкое и от того избыточное по охвату цветовое пространство ProPhoto RGB, а самый популярный профиль у фотографов ProPhoto RGB (D50). Если преобразовать ProPhotoRGB в sRGB, то будет потеряна огромная часть цветового охвата. Либо Adobe RGB с охватом цвета 52,1%. Это не голая теория, для полиграфии такие нюансы смертельно важны. Например, струйники Epson на 6 цветов способны перенести на бумагу нужную насыщенность, что циан покрывается только AdobeRGB, а желтый цвет покрывается только ProPhotoRGB.
Старайтесь держать фотографии для славного будущего с роскошными принтерами в ProPhoto RGB. Так как камера 5D Mark III может запечатлеть больше цветов, чем влезает в AbobeRGB 1998. Или Melissa RGB, идентична по охвату ProPhoto, отличия в гамме. Также, ProPhoto RGB Gamma 1 крутится в фоне Lightroom.
Для видео лучше использовать цветовые пространства rec709 (охват 35,9%) или rec2020 (охват 75,8%). Rec.709 используется для современных HD телевизоров. При работе можно использовать Rec790 D60 sim для вьювера, чтобы цвет соответствовал у всех участников проекта (предварительно откалибровав монитор). С неоткалиброванным монитором верным решением будет переключиться на sRGB (D60 sim.). Новый профиль Rec.2020 разработан для 4K телевизоров и предлагает гораздо более широкую палитру. Из менее распространенных можно посмотреть в сторону Melissa RGB и MaxRGB, они сопоставимы по цветовому охвату. MaxRGB доминирует в сине-зелёных и жёлтых областях.
Сейчас принято калибровать мониторы на гамму sRGB. Это позволяет дать усредненный цвет, пригодный даже для бытовой печати фотографий. В жертву приносятся все кислотные яркие оттенки салатового/ зеленого, голубые оттенки в тенях и любой ярко-голубой, непредсказуемость с красным цветом. В современных мониторах можно встретить настройку гаммы sRGB, так что, если вы работаете в медиа-индустрии, то вам нужна гамма L (2.4). Вы можете воспользоваться кривой VCGT для коррекции гаммы sRGB, и увидите все детали и оттенки глубоких тенях. Либо использовать 2.2, будучи уверенным, что конечный пользователь именно так и увидит вашу работу. В древние времени степенная функция гаммы была V=v^1/g, это очень простая формула. Современная функция гаммы sRGB куда сложнее и имеет больше удачных компенсаций, особенно для работы с тенями и полутонами.
СIE v2 RGB – охвату голубых и красных областей несколько лучше, чем Adobe RGB. Рекомендуется для кинопроизводства.
SMPTE-C – нынешний стандарт для видео в США. Очень узкий цветовой охват, нет смысла связываться, если не делаете работы для рынка США.
Wide Gamut RGB – обладает громадным цветовым охватом, в результате малейшие изменения приводит в негодность 24-битное изображение. Как в общем то и Lab со своей пастеризацией. Если сравнивать с Adobe Wide Gamut RGB, то у этих профилей разные точки белого, поэтому часть диапазона цветов не пересекается.
Simplified Monitor RGB — это фактически ICC- профиль вашего монитора. В отличии от остальных пространств, напрямую привязан к вашему монитору и не является аппаратно-независимым. На другом компьютере изображение будет выглядеть иначе.
Для CMYK тоже существуют абстрактные цветовоспроизводящие устройства, такие как Euroscale Coated, SWOP Coated, SWOP Uncoated и другие, но их обзор выходит за рамки данной заметки.
Следует отметить, если вы работает с full CG рендером, то вам доступен полный диапазон цвета. Если же работаете с отснятым материалом, то вы зависите от возможностей камеры. Из рендера вы получаете картинку в линейном пространстве, либо логарифм log при съемке на хорошую камеру. Если вы являетесь CG-художников, то вам стоит остановиться на двух удобных для работы цветовых моделях, HSL и LAB + помнить про LUT. Из инструментария вам нужны: правка баланса белого и черного, выборочная коррекция отдельных областей, коррекция по маске, цветовая экспликация (эскиз, как должен выглядеть будущий фильм в цвете и какое освещение будет использовано в разных эпизодах). В софте вроде Nuke и Davinci с описанными выше инструментами все хорошо, для AE нужно добавить плагинов: Test Gear, Colorista II, DV Rebel tools, Magic bullet looks.
Суть представления цвета на выводящих устройствах должна быть понятна. Надеюсь, теперь у вас будет меньше проблем с пастеризацией.
Photoshop CC умеет работать и с Windows ICM, и с Apple ColorSync.
А вот Lab в Photoshop не очень честный. Точка белого не абсолютна, а зависит от цветового пространства. Значения CMYK в профиле ICC не соответствуют аналогичным в Lab в Photoshop. Для печати на мелованной бумаге максимально черный цвет это Lab = 16, 0, 0. Но без конвертации из CMYK в Lab по методу absolute вы увидите какие угодно другие значения.
Технические моменты:
Если же вы хотите получить максимум от Photoshop в плане работы с цветом, можно включить 30-битный цвет. Большинство современных мониторов могут показать 5-6 бит на канал с интерполяцией. Под такие мониторы и заточен профиль sRGB. Дорогие мониторы могут выдать 8-бит на канал, что соответствует 256 оттенкам серого. Те мониторы, что способы выдать 10-бит на канал, могут вас порадовать аж 1024 оттенками серого. Соответственно, вам нужен монитор с поддержкой 30-битного цвета, обычно на таких мониторах есть наклейка Deep color. Видеокарта тоже должна уметь работать с 30-битным цветом. Deep Color увеличивает глубину проработки каждого цвета, а xvYCC расширяет гамму воспроизводимых цветов(IEC 61966-2-4) — v.c. Color/Color.
Нужен будет HDMI ver.1.3; Dual DVI, спецификация определяет битовую глубину 30 битов (1.073 миллиарда цветов), 36 бит (68,71 миллиардов цветов) и 48 бит (281,5 триллионов цветов).
Если вы были достаточно внимательны при работе в Photoshop, то наверняка заметили в заголовке открытого файла дополнительные символы.
RGB # : означает, что документ не имеет встроенного профиля. Изображение выводится на экран в зависимости от настроек Photoshop.
RGB * : это значение должно вас радовать, так как обозначает, что в ваш документ встроен цветовой профиль, отличный от настроек Photoshop.
RGB : если не указано ничего, то документ имеет встроенный профиль идентичный профилю из настроек Photoshop.
Но есть нюанс с алгоритмом цветопробы Photoshop. RGB профиля обычно матричные, и прямое конвертирование в CMYK равносильно обрезанию всей информации выше охвата конечного профиля, так устроен колориметрический алгоритм рендеринга. Метод цветопробы из Photoshop это простое линейное преобразование, без учета разницы в сгущении и разряжения при компрессии. Поэтому экранная цветопроба это не точный способ.
Proof setup и Proof color также тесно связаны с Relative colorimetric и Perceptual rendering. У вас в большинстве случаев должен быть выбран Relative colorimetric. Relative Colorimetric чаще дает самые лучшие результаты по сохранению естественного цвета фотографии. Perceptual rendering хорош в том случае, если изображение содержит много оттенков цвета, выходящих за охват вашего печатающего устройства. Можно установить Saturation, если вы планируете печатать рисованную графику (открытки). Если вкратце, то когда мы укладываем больший цветовой охват в меньший, имеет смысл не обрезать насыщенность изображения, а немного сместить по цветовому тону, сохранив расстояния между цветовыми тонами. Это то, что делает Perceptual Colorimetric. Если использовать Relative Colorimetric, вы просто сохраните светлоту, расширив область цветов для компрессии.
Мифология. В интернете огромное количество популярных мифов. Например, что устройства Apple априори обладают лучшей цветопередачей, чем IBM-совместимые. Или что дисплей калибруется под определенное печатное устройство.
Важный нюанс работы с цветом, это ваше рабочее место. Все, что вас окружает, может повлиять на ваше воприятие изображения с монитора. Дело в том, что в результате хроматической адаптации зрения к изменению спектрального состава (цвета) света в течение дня происходят изменения в восприятии изображения с монитора. Именно в этом заключена проблема, когда после калибровки монитора все изображения приобретают какой либо ярко выраженный оттенок цвета. Просто условия освещения на рабочем месте не позволяют вам привыкнуть к настроенной цветовой температуре монитора. Помимо этого, наше зрение находится в постоянных условиях изменения освещения: от дня к ночи. Из за этого уровень освещённости предметов изменяется в тысячи раз: примерно от 100000 до 0,1 люкс. Это явление называется яркостной адаптацией.
Это была теория, теперь практика. Что важно при обустройства рабочего места? Убедиться в отсутствие в поле зрения любых объектов ярче чем белая точка монитора, и предметов, темнее чем чёрная точка монитора. Падающий на экран свет тоже сказывается на цветовой температуре монитора, рекомендуется козырек, и вообще полностью изолироваться от дневного света. Стены красятся краской с коэффицентом отражения 60%. Благодаря этому адаптация зрения понадобится только к яркости монитора (рекомендуемая яркость 80-120 кд/м2), что позволит воспринимать весь его тоновый диапазон без визуальной потери контрастности дисплея. Освещение должно быть близко к спектральному составу D50 (*5000k), уровень освещенности рабочего места в районе 32
64 люкса, можно ниже, для полиграфии только 32 люкса и ниже. Если освещение вашего рабочего места меняет свой оттенок на более «теплый», то экран приобретает синеватый оттенок, а если оттенок окружающего освещения «холодный» — то картинка на экране будет желтить.
Для просмотра напечатанных материалов нужно хорошее освещение, близкое к D50 (Ra > 90%, индекс цветопередачи). Освещенность 1500
2500 люкс. Это довольно яркое освещение, позволяет передать контраст от максимальной точки белого на бумаге к максимальной точке черного.
Существует международный стандарт ISO 3664:2009 настройки рабочего места. На мониторе точка белого должна быть 6500 (D65), это позволяет легче добиться максимальной широты охвата профиля. В интернете много критики такого подходаи и требований делать D50 для работы с полиграфией, но это куда труднее в настройке, а значит, сломается в самый неподходящий момент. Для повышения качества работы с цветом калибриуем под 80-100 кд/м2, для веб-дизайнеров 100-120 кд/м2, иногда можно и до 160 дотянуть. Яркость монитора всегда стабильна, если вы ее не изменяете самостоятельно, поэтому восприятие изображений будет постоянным. Матовый монитор лучше глянцевого. Контраст в районе 350-370 по оттиску, как у Fogra 39. Гамма 2.2 или гамма L. Для работы с видео параметры будут другие, с учетом Rec.709.
Аддитивные цветовые пространства в колориметрии
Сегодня речь зайдёт о цвете.
Это спектр видимого света, построенный в цветовом пространстве sRGB с помощью прототипа моего колориметрического движка. Внизу подписана длина волны в нанометрах. Именно пространство sRGB является сегодня стандартом для интернета, так как оно поддерживается подавляющим большинством дисплеев. Но по правде, цветовой охват его невелик (всего 36 % от видимых глазом цветов); в нём очень плохо передаются оттенки зелёного. По этой причине на изображённый спектр наложен серый фон, снижающий насыщенность цветов до той, которую можно отобразить на стандартном мониторе. О том же, какие закономерности лежат в основе формирования цвета, и как цвет представлен в цифровой технике, да поведает эта статья.
Создание цветного изображения
Общеизвестно, что цветное изображение содержит три цветовых компоненты. На заре цветной фотографии, ещё до появления цветной фотоплёнки, русский фотограф С. М. Прокудин-Горский совмещал три экспозиции, последовательно снятые с применением красного, зелёного и синего светофильтров, и получались удивительные снимки с довольно достоверными цветами. Впоследствии в цветной плёнке стали применять три слоя фотоэмульсии. С появлением цветного телевидения в телеэкране применили растр из трёх разных люминофоров, при бомбардировке электронами излучающих не белый, а красный, зелёный, либо синий свет. Подбирая правильное количество каждого цвета, можно получить все остальные цвета — это так называемая аддитивная цветовая модель. Оставим пока в покое субтрактивную модель, которая применяется в полиграфии. Также не будем затрагивать особенности передачи аналогового сигнала в цветном телевидении.
Ключевое слово здесь — аддитивная. То есть, цвет создаётся именно сложением трёх основных составляющих. Но что представляют собой эти основные цвета? Их выбор может преследовать разные цели. В случае математических абстракций эти цвета даже могут быть физически невозможными. В телевидении же они определялись свойствами применявшихся люминофоров. Какой цвет излучается — тот и основной. Каждый вид люминофора характеризуется своим спектром излучения. Это далеко не чистые монохроматические цвета, но их спектральная полоса достаточно узкая, чтобы с их помощью можно было воспроизвести большинство встречающихся в жизни цветов.
Аддитивная цветовая модель справедлива и для ЖК-дисплеев, несмотря на то, что жидкий кристалл поглощает «лишнюю» энергию, исходящую от ламп подсветки (backlight), чтобы из белого цвета получился требуемый тон, а специальный светофильтр поглощает ненужные спектральные составляющие, чтобы получился красный, зелёный или синий субпиксель:
Введение в колориметрию
Особенностями восприятия человеком цвета и его передачей техническими средствами занимается наука колориметрия. Ещё в XVII веке Исаак Ньютон смог разложить белый свет на спектр с помощью призмы, показав, что каждый цвет является суммой множества элементарных цветов. В дальнейшем стало понятно, что, несмотря на непрерывность спектра видимого света, достаточным минимумом являются всего три основных цвета. Дело в том, что нормальное человеческое зрение является трихроматическим — как и у всех высших приматов, образованным тремя типами колбочек (не учитывая малоизученные мезопические условия, когда параллельно в работу включаются и палочки). Большинство млекопитающих обладают двумя типами колбочек (включая кошек и собак), многие виды животных могут похвастаться четырьмя, а у голубя их обнаружено целых пять!
Светочувствительные клетки сетчатки глаза имеют различные кривые чувствительности, являющиеся функциями от длины световой волны. Типы колбочек обозначаются буквами L, M и S (от англ. long, medium, short). Примерно так выглядит их нормализованная чувствительность к каждой длине волны:
Было бы естественно использовать в качестве основных цветов уровни возбуждения каждого из типов колбочек, не так ли? Такое цветовое пространство называется LMS. Сложность в том, что изображённые выше кривые чувствительности немного различаются у каждого человека даже с нормальным цветовым зрением, не говоря уже о всевозможных аномалиях. Кроме того, как нетрудно увидеть по графикам, не существует такого светового стимула, который бы избирательно возбуждал только один вид колбочек. Это не фильтр Байера на сенсоре цифровой камеры, содержащий одни лишь RGB-ячейки! Любой свет, который улавливает колбочка типа L или S, будет в какой-то степени восприниматься и колбочками типа M. В связи с этим система LMS содержит большое количество невозможных цветов и выглядит несколько избыточной, хотя она незаменима в моделировании нарушений зрения — достаточно приравнять L=M или M=L, чтобы достоверно сымитировать дальтонизм.
В 1931 году экспериментальным путём было создано цветовое пространство CIE XYZ, удобным образом умещающее в себе все физически воспроизводимые цвета. CIE — по-французски «международная комиссия по освещению» (commission internationale de l’éclairage). По сей день разработанное ею пространство служит системой отсчёта для любых используемых индустрией цветовых пространств, включая sRGB. Компонента Y — это практически воспринимаемая глазом яркость, благодаря чему распространение получило и представление xyY, где x и y (строчными буквами) — не что иное, как величины X и Y по отношению к сумме X+Y+Z, а значит, они не зависят от яркости, лежат в пределах от 0,0 до 1,0 и определяют только сам цвет. Таким образом, мы можем раздельно оперировать яркостью и цветностью, что в ряде случаев очень удобно:
Перед нами диаграмма цветности CIE XYZ. Если обратиться к пространству xyY, то по горизонтали тут как раз отложена координата x, по вертикали y. Диаграмма треугольная, так как x+y не может быть больше единицы, иначе Z окажется отрицательным. Можно представить, что мы смотрим на основание треугольной пирамиды (наклонный равносторонний треугольник), а ось z «смотрит» прямо на нас. Но и в пределах этого треугольника значительная часть цветов — мнимая и закрашена в клетку размером 0,05. Нас же интересует фигура, внутри которой лежат все физически реализуемые цвета. Её изогнутая в виде подковы граница — это все монохроматические цвета, начиная от фиолетового и заканчивая красным. Причина именно такой формы в характере зрительного восприятия спектральных цветов.
Нижний отрезок, соединяющий фиолетовый цвет с красным — так называемая линия пурпурного (на моей диаграмме она расположена не совсем точно). Эта линия содержит цвета, не являющиеся монохроматическими, но имеющие при этом максимальную насыщенность. Получить такие цвета трудно: требуется смешивать два монохроматических цвета, стоящих на самых границах видимого спектра, а чувствительность глаза к такому свету очень невелика. По сути, можно лишь асимптотически приближаться к этой линии.
Точками на диаграмме отмечены три основных цвета sRGB и белый цвет, соответствующий цветовой температуре 6500 К (это тоже важно). Все цвета за пределами треугольника основных цветов не могут быть отображены этим пространством и показаны приблизительно. Но пусть вас не смущает огромная область недоступных оттенков бирюзового — визуальная разница между цветами распределена по диаграмме неравномерно и в этой области различия цветов не слишком велики (гуглим эллипсы МакАдама). Кстати, наличие таких неоднородностей в восприятии цветовых нюансов делает особенно сложной задачу точного измерения степени отличия двух цветов в колориметрии. Простой евклидовой метрикой тут уже не обойтись!
Преобразования между цветовыми пространствами
Напрямую в пространстве XYZ работать сложновато из-за его склонности к появлению «мнимых» цветов, получить которые будет физически невозможно. Пространство XYZ не учитывает и некоторые особенности нашего зрения. К тому же, большое количество мнимых цветов означает, что мы впустую расходуем биты разрядной сетки. Если взглянуть на вышеприведённую цветовую диаграмму, то видно, что значительная часть её занята такими вот невозможными цветами. В теории их можно увидеть, напрямую воздействуя на клетки сетчатки, но это лежит за пределами дисплейных технологий. Но есть хорошая новость: цветовосприятие глаза в широком диапазоне яркостей является линейным, и во всяком линейном цветовом пространстве каждое из значений R, G и B будет являться линейной комбинацией величин X, Y и Z. Таким образом, применив методы линейной алгебры, мы можем переходить из одного пространства в другое при помощи обычных матриц размера 3×3!
Внимание, вопрос: как создать дисплей с цветовым охватом, стремящимся к 100 % от теоретически возможного? Из-за такой сложной формы области доступных глазу цветов, нельзя отобразить все возможные цвета в пространство всего с тремя физически возможными основными цветами — на диаграмме оно всегда будет иметь форму треугольника. С мнимыми цветами всё было бы просто, но мнимые цвета — математическая абстракция, их не создашь на экране. По сути, после перехода на монохроматические основные цвета единственный способ дальше расширять цветовой охват устройства — наращивать количество этих самых цветов. Применить более трёх основных цветов для создания гиперспектрального цветового пространства, вплоть до способности каждого отдельного пикселя излучать в полностью произвольном спектре, но таких дисплеев не было создано (так как пока не реализован потенциал даже трёх цветов). Гиперспектральные изображения используют разве что в научных целях для съёмки со спутников, к колориметрии отношения не имеющих.
Относительно удачной попыткой передать все видимые глазу цвета стала модель CIE L*a*b* (модель Hunter Lab без звёздочек имеет существенные отличия и не столь распространена), где пространство XYZ трансформируется нелинейными (содержащими кубические корни) функциями в нечто, отражающее наши субъективные цветовые ощущения по осям жёлтый-синий и красный-зелёный. Однако же, для применения в аддитивной цветовой модели пространство обязано быть линейным.
Тут нужно заметить, что фактическое цветовое пространство (профиль) характеризуется не только основными цветами и точкой белого, но также кривой гамма-коррекции (передаточной функцией), специфика которой лежит в области фотометрии. Когда на каждое число отводится всего 8 бит (как в 24-битном цвете), эти биты нужно использовать по максимуму. И основная задача гамма-коррекции — равномерно распределить все 256 возможных градаций по изменению воспринимаемой яркости, чтобы оптимизировать использование разрядной сетки и сделать квантование сигнала не таким заметным. Линейная, фотометрически точная шкала от 0 до 255 будет иметь заметные ступеньки в тёмной области. Что же можно применить в качестве передаточной функции? Главное требование — чтобы функция монотонно возрастала на всём диапазоне входных значений: это сделает её биективной, однозначно ставящей в соответствие одно значение другому, а значит, будет возможно обратное преобразование. Подойдёт обычная степенная функция вида 
, где γ — и будет показатель гамма-коррекции. А для восстановления исходного числа достаточно всего лишь заменить степень на 1/γ. Из-за наличия передаточной функции используемые на практике цветовые пространства чаще всего нелинейны.
Изначально кривая гаммы ещё и отражала характер отклика люминофора на изменение модулирующего напряжения (ЭЛТ-монитор обладал гаммой 2,2 естественным образом). При этом все операции над цветами должны производиться только в их линейном представлении. Для экономии вычислительных ресурсов в играх и интерфейсах иногда рисуют полупрозрачные поверхности без учёта гамма-кривых (в до-HDR эпоху недалёкого прошлого это было повсеместным явлением), но это приводит к заметно искажённым результатам. Поэтому перед всеми колориметрическими преобразованиями rgb-значения в обязательном порядке возвращают на линейную шкалу.
После этого пространство CIE XYZ служит посредником при преобразованиях между разными цветовыми профилями. Таким образом, перевод цвета из одного пространства RGB в другое выполняется в четыре простых стадии:
О точках белого
Всем нам знакомы установки баланса белого при съёмке фото и видео. От того, каким светом освещён сюжет, напрямую будут зависеть и видимые нами цвета. Но наше восприятие в какой-то степени умеет компенсировать этот эффект, а электронные устройства воспринимают весь свет как есть, вместе с окраской, привнесённой освещением. Всё бы ничего, но после постобработки, повышения контрастности, насыщенности и прочих «улучшений» цвета искажаются, да и при печати сильный сдвиг баланса белого будет смотреться плохо. Объекты будут выглядеть совсем по-разному в свете пламени свечи и голубого неба из-за сильного различия их спектров. Точно так же и все цвета, воспроизводимые на экране монитора, будут зависеть не только от выбора основных цветов, но и от оттенка, который получится у белого цвета после сложения всех трёх цветов, взятых на максимальной яркости. Где-то он может оказаться желтее, где-то явно отдавать голубизной или вообще быть зеленоватым. Это и есть точка белого, которую необходимо учитывать при расчётах. Поэтому точка белого является неотъемлемой характеристикой цветового пространства, хотя её возможно менять простым масштабированием компонент R, G и B.
Оказывается, что свет, имеющий совершенно ровный спектр, то есть все длины волн которого содержат одинаковую энергию (в математике такой спектр называется белым шумом), будет выглядеть не белым, а буровато-розовым по сравнению с привычным нам дневным светом. Дело в том, что в природе существует тепловое излучение абсолютно чёрного тела (АЧТ), и спектр его всегда имеет пик на некоторой длине волны, зависящей от температуры, и плавно спадает в обе стороны. По законам физики чем горячее объект, тем дальше пик его излучения сдвигается к фиолетовой области спектра.
Разумеется, реально существующие тела не поглощают весь свет и не являются абсолютно чёрными, но эта модель успешно применяется с поправкой на произвольный спектр поглощения: где сколько поглощается, там столько и излучается. «Абсолютно белое» тело само излучать ничего не сможет в принципе. Тела комнатной температуры излучают только дальний инфракрасный свет, тело температурой 800 К едва начинает светиться красным, жёлтая нить накаливания раскалена до 2800 К (в спектре всё ещё преобладает инфракрасный), а поверхность Солнца имеет эффективную температуру аж 5778 К и практически белая, так как максимум излучения переместился в видимую область. Гипотетическое тело с бесконечно большой температурой будет гореть голубым:
Человеком было создано множество всевозможных источников света, имеющих самый различный спектр, часто даже визуально совершенно не похожий на излучение АЧТ. Чтобы устранить путаницу, были введены стандартные источники света, которым как витаминам присвоили буквенные обозначения. Так, точка белого D65 означает, что белый цвет в данном пространстве имеет цветовую температуру 6500 К, что типично для рассеянного дневного света. Это наиболее употребительное на сегодняшний день значение для дисплеев. А вот другие стандартные источники:
Illuminant A
Свет самой обычной лампы накаливания с цветовой температурой 2856 К.
Illuminant B
Это был симулятор прямого солнечного света с цветовой температурой 4874 К. Признан устаревшим с появлением серии D.
Illuminant C
Симулятор дневного света с температурой 6774 К. Также устарел, заменён на D65.
Серия D
Разные виды дневного света. Цифрами обозначается цветовая температура в сотнях кельвинов. Каноничны источники D50, D55, D65 и D75, иногда можно встретить D93.
Illuminant E
E значит equal energy. Тот самый серо-буро-малиновый источник с плоским спектром.
Серия F
От слова fluorescent. Источники от F1 до F12 соответствуют различным флуоресцентным лампам с довольно-таки линейчатым спектром.
Серия L
Ещё не опубликованный список стандартных источников, содержащий полюбившиеся нам светодиоды.
Краткая характеристика некоторых распространённых цветовых пространств RGB
CIE RGB
Полученное в ходе экспериментов 1920-х, это пространство послужило основой для CIE XYZ. Основные цвета чистые спектральные — 700 нм (или около того), 546 нм и 436 нм. Точкой белого считается Illuminant E. Гамма-коррекцию данный стандарт не затрагивает. На диаграмме охват выглядит отличным на участке от красного до зелёного, чего не скажешь об оттенках синего и бирюзового — всё-таки свет длиной 436 нм уже практически фиолетовый.
ITU-R BT.709
Этот стандарт был принят для использования в телевидении высокой чёткости (HDTV). И именно на нем основывается пространство sRGB. Основные цвета — цвета люминофоров у кинескопа. Следовательно, такое RGB могут адекватно воспроизвести нынешние мониторы потребительного уровня. Охватывает аж целых 36 % видимых глазу цветов. Зелёный здесь не особенно зелёный, скорее салатовый, да и с красным не так всё здорово. Зато у электронно-лучевых трубок был довольно неплохой синий. Опорный белый обычно D65.
Считается, что показатель гамма-коррекции равен 2,2, и в среднем это так и есть, однако вблизи чёрного в передаточной функции сделан небольшой линейный участок (с целью избежать разрыва производной в точке чёрного), о котором не всегда вспоминают.
Adobe RGB ’98
Тот же sRGB с изменённым зелёным цветом, благодаря чему значительно улучшилась передача оттенков зелёного, а покрытие L*a*b* доведено до 52 %. Кроме того, убран дурацкий линейный участок гаммы в тенях, благодаря чему её показатель везде равен 2,2. В этом пространстве работают дорогие профессиональные мониторы. Тем не менее, и здесь настоящего красного вам не увидеть. Широко применяется в фотографии и, как правило, поддерживается зеркальными фотоаппаратами.
Adobe Wide Gamut RGB
Разработанное Adobe Systems цветовое пространство с по-настоящему широким охватом. Введены чистые спектральные основные цвета — 700 нм, 525 нм и 450 нм. Наличествует гамма 2,2 без линейного участка. Точка белого стала D50. Цветовой охват действительно очень широк (78 %, как-никак), вот только простой синий цвет sRGB всё равно торчит из него маленькой вредной заусеницей.
ProPhoto RGB
Разработано Kodak, как можно догадаться из названия, для работы с фотоснимками. Очень широкий цветовой охват, однако зелёный и синий цвета являются мнимыми. Точка белого D50. Показатель гаммы около 1,8 с линейным участком в нижней области значений.
ITU-R BT.2020
Также называется Rec. 2020. Стандарт рекомендован для будущих телевизионных систем сверхвысокой чёткости (UHDTV) и постепенно воплощается в жизнь. Основные цвета заменены на монохроматические — цвета лазеров с длинами волны 630 нм, 532 нм, и 467 нм. В отличие от Adobe Wide Gamut RGB, всё пространство sRGB вмещается сюда целиком. Гамма-кривая такая же, как у sRGB, белый тоже D65. Более новая Rec. 2100 вводит ещё две передаточных функции для изображений с широким динамическим диапазоном.
Заключение
Несмотря на явный прогресс, цветовой охват большинства современных дисплеев всё ещё довольно далёк от теоретического предела. В ближайшие годы ожидается распространение дисплеев с расширенным цветовым охватом, использующих технологии OLED и лазерную проекцию. В колориметрии ещё немало нерешённых задач. Малоизученными остаются особенности взаимодействия нашего ночного и дневного зрения, индивидуальные различия в цветоощущении. Не исключено, что некоторые люди являются тетрахроматами. А если человеку удалить хрусталик глаза, он начинает видеть ближний ультрафиолетовый свет как бело-голубой.
С появлением HDR-дисплеев усилится эффект погружения в фильмах и играх, а динамичные сцены станут ещё более захватывающими и достоверными, но потребуется применение новых передаточных функций, таких, как hybrid log-gamma и Perceptual Quantizer, чтобы уместить в те же 256 уровней расширенный динамический диапазон. Рекомендация BT.2100 призвана стандартизовать эти усовершенствования.
Мной было разработано цветовое пространство, похожее на Rec. 2020, также использующее монохроматические основные цвета, специально подобранные для обеспечения широкого цветового охвата с точкой белого D65. Кроме того, я использовал показатель гаммы, равный 2,0. Применение такой гаммы означает, что для получения линейного представления RGB цветовые компоненты нужно просто возвести в квадрат, что сильно упрощает вычисления, сохраняя точность цветопередачи. Это имеет и физический смысл — амплитуда сигнала пропорциональна квадрату мощности, и значения rgb в таком случае как раз кодируют амплитуды. В качестве альтернативы для HDR-изображений, я экспериментирую с полностью логарифмической передаточной функцией, имеющей экспоненциальную характеристику, что позволяет заменить умножение на сложение при расчёте освещения.