ویژگی های مدل های رنگی درباره فضاهای رنگی

ما سایه های زیادی از رنگ ها را متمایز می کنیم زیرا نور با طول موج خاصی ساطع می شود.

رنگهای ساطع شده به عنوان مثال ، نور سفید ، رنگهای روی صفحه تلویزیون ، مانیتور و غیره است. سه مورد اصلی در نظر گرفته می شوند: قرمز ، سبز و آبی.

رنگ مدل RGBدر قالب یک نمودار سه بعدی نشان داده شده است: یک مکعب ، که در آن نقطه صفر سیاه است (بدون تابش) - (0 ، 0 ، 0). هر مختصات سهم هر جزء را در رنگ حاصله در محدوده 0 تا 255 (سطح خاکستری در هر کانال رنگی) نشان می دهد. نقطه با حداکثر مقادیر (255 ، 255 ، 255) نشان دهنده است رنگ سفید... در مورب اتصال این نقاط ، سایه های خاکستری قرار دارند ، زیرا مقادیر سه جزء یکسان است (23 ، 23 ، 23) ، (130 ، 130 ، 130) و غیره). این محدوده مقیاس خاکستری نامیده می شود. سه راس مکعب رنگهای خالص اصلی (255 ، 0 ، 0) ، (0 ، 255 ، 0) ، (0 ، 0 ، 255) را به دست می آورند ، سه مورد دیگر مخلوط دوگانه رنگهای اصلی را نشان می دهند: قرمز و سبز ، زرد (255 ، 255 ، 0) ، سبز و آبی فیروزه ای (0 ، 255 ، 255) و قرمز و آبی سرخابی (255 ، 0 ، 255) است.

برنج. 1.6

بیایید به 16.7 میلیون سایه رنگ موجود در پالت با همین نام برگردیم: برای چشم ما ، سایه های رنگی که مختصات (0 ، 0 ، 1) ، (0 ، 1 ، 0) و حتی (3 ، 6 ، 4) توصیف کرده اند. ) غیر قابل تشخیص خواهد بود ؛ اما رایانه آنها را متفاوت می داند. ترکیب همه مقادیر مختصات بیش از 16 میلیون سایه می دهد (224 = 16،777،216).

این مدل رنگی به عنوان اصلی در همه سیستم های رایانه ای استفاده می شود.

بر این اساس ، در این مدل ، حداکثر امکانات ویرایش تصویر در دسترس است.

مدل رنگ CMYK (فیروزه ای ، سرخابی ، زرد ، کلیدی)

این مدل جوهرهای چاپ واقعی را توصیف می کند. سه رنگ اصلی وجود دارد: فیروزه ای (فیروزه ای) ، سرخابی (بنفش) ، یلوی (زرد). آنها رنگ فرآیند را تشکیل می دهند. به هر پیکسل در یک تصویر CMYK مقداری اختصاص داده می شود که درصد جوهرهای فرآیند را تعیین می کند. مقادیر صفر قطعات سفید (کاغذ) ، حداکثر مقادیر باید سیاه باشد ، مقادیر مساوی آنها سایه های خاکستری است.

برنج. 1.7

جوهرهای چاپ به اندازه یک پرتو نور کامل نیستند. با ترکیب سه جوهر اصلی ، رنگ مشکی خالص ترکیب نمی شود ، بنابراین جوهر سیاه به تعداد جوهرهای چاپ اصلی اضافه شد: حرف K مخفف کلمه "Key" ("کلید") است. وضوح کلی چاپها تا حد زیادی به رنگ مشکی بستگی دارد.

این مدل فقط در صنعت چاپ استفاده می شود ، بنابراین ، ترجمه به آن همیشه در آخرین مراحل پردازش تصویر انجام می شود. اگرچه مدلهای RGB و CMYK با یکدیگر مرتبط هستند ، اما انتقال متقابل آنها به یکدیگر هرگز بدون ضرر اتفاق نمی افتد.

مدل رنگ HSB (رنگ ، اشباع ، روشنایی)

مدل HSB با درک انسان از رنگ مطابقت دارد: رنگ معادل طول موج است ، اشباع شدت موج است و روشنایی میزان نور است. این مدل برای کاربر در انتخاب رنگ مناسب ترین است (هنگام انتخاب ، ما در واقع از این مدل در هیچ برنامه ای استفاده می کنیم و ویژگی های رنگ دیجیتال را وارد نمی کنیم - (شکل 1.8.).

با این حال ، این مدل انتزاعی است زیرا هیچ وسیله فنی برای اندازه گیری مستقیم رنگ و اشباع وجود ندارد. در سند کانال های رنگی ایجاد نمی کند (نمی توانید سند را در این مدل رنگی ذخیره کنید).

رنگ را می توان در طبیعت ، روی صفحه مانیتور ، روی کاغذ نشان داد. در همه موارد ، محدوده احتمالی رنگها یا طیف وسیعی از آنها متفاوت خواهد بود. گسترده ترین پوشش در طبیعت است ، تنها با قابلیت های بینایی انسان محدود می شود. برخی از آنچه در طبیعت وجود دارد را می توان با مانیتور منتقل کرد. برخی از آنچه که مانیتور منتقل می کند قابل چاپ هستند (به عنوان مثال ، هنگام چاپ ، رنگهایی با چگالی بسیار کم ضعیف تولید می شوند).

نمونه سوالات کنترلی

1. انواع اصلی تصاویر رایانه چیست؟
2. تصاویر برداری از چه چیزی ساخته شده است؟
3. تصاویر برداری در کجا استفاده می شود؟
4. بیت مپ کجا استفاده می شود؟
5. کوچکترین عنصر اصلی یک bitmap چیست؟
6. خصوصیات (دو) پیکسل بدهید
7. رزولوشن bitmap چیست؟ چگونه اندازه گیری می شود؟
8. چگونه می توان وضوح تصویر را برای یک هدف خاص (روی صفحه کامپیوتر ، برای خروجی به چاپگر) انتخاب کرد؟
9. عمق رنگ چیست؟ در چه واحدهایی اندازه گیری می شود؟
10. وضوح و عمق رنگ چگونه با یکدیگر ارتباط دارند؟
11. چه چیزی اندازه (اندازه فایل روی دیسک) یک bitmap را تعیین می کند؟
12. چه مدلهای رنگی را می شناسید؟
13. مدل رنگ CMYK در کجا کاربرد دارد؟
14. آیا می توانم فایل را در مدل رنگی HSB ذخیره کنم؟

من از نظر تحصیلی برنامه نویس هستم ، اما در محل کار مجبور بودم با پردازش تصویر سر و کار داشته باشم. و سپس دنیایی شگفت انگیز و ناشناخته از فضاهای رنگی برایم باز شد. من فکر نمی کنم طراحان و عکاسان چیز جدیدی برای خود بیاموزند ، اما شاید این دانش برای کسی مفید باشد و در بهترین حالت جالب باشد.
هدف اصلی مدلهای رنگی این است که امکان تعیین رنگها به صورت یکنواخت وجود داشته باشد. در واقع ، مدل های رنگی سیستم مختصات خاصی را تعریف می کنند که به شما امکان می دهد یک رنگ را به طور منحصر به فرد تعریف کنید.
محبوب ترین مدلهای امروزی مدلهای رنگی زیر هستند: RGB (عمدتا در مانیتورها و دوربینها استفاده می شود) ، CMY (K) (در چاپ استفاده می شود) ، HSI (به طور گسترده در بینایی و طراحی ماشین استفاده می شود). مدلهای بسیار دیگری نیز موجود است. به عنوان مثال ، CIE XYZ (مدل های استاندارد) ، YCbCr و غیره. بررسی کوتاهاین مدلهای رنگی

مکعب رنگ RGB

ایده یک مدل افزودنی (یعنی بر اساس مخلوط کردن رنگها از اجسام ساطع کننده مستقیم) مدل تولید مثل از قانون گراسمن نشأت می گیرد. برای اولین بار چنین مدلی توسط جیمز ماکسول در سال 1861 پیشنهاد شد ، اما بسیار دیرتر رایج شد.
در مدل RGB (از انگلیسی قرمز - قرمز ، سبز - سبز ، آبی - آبی) همه رنگها با مخلوط کردن سه رنگ اصلی (قرمز ، سبز و آبی) در نسبتهای مختلف بدست می آیند. سهم هر رنگ پایه در رنگ نهایی را می توان به عنوان مختصات در فضای سه بعدی مربوط در نظر گرفت ، بنابراین این مدل اغلب مکعب رنگ نامیده می شود. در شکل 1 یک مدل از یک مکعب رنگ را نشان می دهد.

اغلب ، مدل به گونه ای ساخته می شود که مکعب تک باشد. نقاط مربوط به رنگهای اصلی در رأس مکعب واقع شده و روی محورها قرار دارند: قرمز - (1؛ 0؛ 0) ، سبز - (0؛ 1؛ 0) ، آبی - (0؛ 0؛ 1) به در این حالت ، رنگهای ثانویه (که با مخلوط کردن دو رنگ اصلی به دست می آیند) در سایر رأسهای مکعب قرار دارند: فیروزه ای - (0 ؛ 1 ؛ 1) ، سرخابی - (1 ؛ 0 ؛ 1) و زرد - (1 ؛ 1 ؛ 0). رنگهای سیاه و سفید در مبدأ (0 ؛ 0 ؛ 0) و دورترین نقطه از مبدا (1 ؛ 1 ؛ 1) قرار دارند. برنج. فقط قسمت های بالای مکعب را نشان می دهد.



تصاویر رنگی در مدل RGB از سه کانال تصویر مجزا ساخته شده است. جدول. تجزیه تصویر اصلی به کانال های رنگی نشان داده می شود.



در مدل RGB ، تعداد مشخصی از بیت ها برای هر جزء رنگی اختصاص داده می شود ، به عنوان مثال ، اگر برای رمزگذاری هر جزء 1 بایت اختصاص داده شود ، با استفاده از این مدل می توانید 2 ^ (3 * 8) million 16 میلیون رنگ را کدگذاری کنید. در عمل ، چنین کدگذاری اضافی است ، زیرا اکثر مردم نمی توانند این همه رنگ را تشخیص دهند. اغلب به اصطلاح محدود می شود. حالت "High Color" که در آن 5 بیت برای کدگذاری هر جزء اختصاص داده شده است. در برخی از برنامه ها ، از حالت 16 بیتی استفاده می شود که در آن 5 بیت برای کدگذاری اجزای R و B و 6 بیت برای کدگذاری اجزای G اختصاص داده می شود. این حالت ، اولاً ، حساسیت بیشتر انسان را نسبت به رنگ سبز در نظر می گیرد ، و دوم ، امکان استفاده کارآمدتر از ویژگی های معماری رایانه را می دهد. تعداد بیت های اختصاص یافته برای کدگذاری یک پیکسل را عمق رنگ می نامند. جدول. نمونه هایی از کدگذاری یک تصویر با عمق رنگ متفاوت ارائه شده است.

مدلهای تفریحی CMY و CMYK

مدل تفریحی CMY (از انگلیسی cyan - cyan ، magenta - magenta ، زرد - زرد) برای بدست آوردن نسخه های چاپی (چاپ) تصاویر استفاده می شود و به نوعی پاد پاد مکعب رنگ RGB است. اگر در مدل RGB رنگ های اصلی رنگ منابع نور است ، مدل CMY مدل جذب رنگ است.
به عنوان مثال ، کاغذ روکش شده با رنگ زرد نور آبی را منعکس نمی کند. می توان گفت رنگ زرد رنگ آبی را از نور سفید منعکس شده کم می کند. به طور مشابه ، رنگ فیروزه ای قرمز را از نور منعکس شده و رنگ سرخابی رنگ سبز را کم می کند. به همین دلیل است که این مدل معمولاً تفریحی نامیده می شود. الگوریتم تبدیل از RGB به CMY بسیار ساده است:

این فرض می کند که رنگ های RGB در محدوده هستند. به راحتی می توان دریافت که برای سیاه شدن در مدل CMY ، شما نیاز دارید که رنگ های فیروزه ای ، سرخابی و زرد را به نسبت مساوی مخلوط کنید. این روش دارای دو اشکال جدی است: اولاً ، رنگ مشکی به دست آمده در نتیجه مخلوط روشن تر از سیاه "واقعی" به نظر می رسد ، و ثانیاً ، این منجر به هزینه های قابل توجهی برای رنگ آمیزی می شود. بنابراین ، در عمل ، مدل CMY به مدل CMYK گسترش یافته و رنگ مشکی را به سه رنگ اضافه می کند.

رنگ فضا ، اشباع ، شدت (HSI)

مدل های رنگی RGB و CMY (K) که قبلاً در نظر گرفته شده اند از نظر اجرای سخت افزاری بسیار ساده هستند ، اما دارای یک اشکال قابل توجه هستند. کار با رنگهای مشخص شده در این مدلها برای فرد بسیار دشوار است ، زیرا شخصی که رنگ ها را توصیف می کند ، از محتویات رنگ توصیف شده اجزای اصلی استفاده نمی کند ، بلکه از مقوله های تا حدودی متفاوت استفاده می کند.
بیشتر اوقات ، مردم با مفاهیم زیر عمل می کنند: رنگ ، اشباع و سبکی. در این مورد ، وقتی در مورد تن رنگ صحبت می کنید ، معمولاً منظور آنها دقیقاً رنگ است. اشباع نشان می دهد که رنگ توصیف شده چقدر با سفید رقیق شده است (به عنوان مثال صورتی ، ترکیبی از قرمز و سفید است). توصیف مفهوم سبکی سخت ترین است و با برخی مفروضات می توان سبکی را به عنوان شدت نور درک کرد.
اگر طرح مکعب RGB را در جهت مورب سفید-سیاه در نظر بگیریم ، یک شش ضلعی دریافت می کنیم:

همه رنگهای خاکستری (روی مورب مکعب قرار دارند) تا نقطه مرکزی پیش بینی شده اند. برای استفاده از این مدل برای کدگذاری تمام رنگهای موجود در مدل RGB ، باید یک محور عمودی روشنایی (یا شدت) (I) را اضافه کنید. نتیجه یک مخروط شش ضلعی است:



در این حالت ، رنگ (H) با زاویه نسبت به محور قرمز تنظیم می شود ، اشباع (S) خلوص رنگ را مشخص می کند (1 به معنی رنگ کاملاً خالص است و 0 مربوط به سایه خاکستری است). درک این نکته ضروری است که رنگ و اشباع با شدت صفر تعریف نمی شوند.



الگوریتم تبدیل RGB به HSI را می توان با استفاده از فرمول های زیر انجام داد:



مدل رنگ HSI در بین طراحان و هنرمندان بسیار محبوب است زیرا بسیار محبوب است. این سیستم کنترل مستقیم رنگ ، اشباع و روشنایی را فراهم می کند. همین ویژگی ها باعث می شود این مدل در سیستم های بینایی ماشین بسیار محبوب شود. جدول. تغییر در تصویر را هنگام افزایش و کاهش شدت ، تن (چرخش 50 درجه ای) و اشباع نشان می دهد.

مدل CIE XYZ

با هدف اتحاد ، یک مدل رنگ استاندارد بین المللی توسعه داده شده است. در نتیجه یک سری آزمایشات ، کمیسیون بین المللی روشنایی (CIE) منحنی های اضافی رنگهای اصلی (قرمز ، سبز و آبی) را تعیین کرد. در این سیستم ، هر رنگ قابل مشاهده مربوط به نسبت خاصی از رنگهای اصلی است. در عین حال ، برای اینکه مدل توسعه یافته همه رنگهای قابل مشاهده برای یک فرد را منعکس کند ، لازم بود مقدار منفی رنگهای اساسی را معرفی کنید. برای دور شدن از ارزش های منفی ، CIE به اصطلاح معرفی کرد. رنگهای اصلی غیر واقعی یا خیالی: X (قرمز تخیلی) ، Y (سبز خیالی) ، Z (آبی خیالی).
هنگام توصیف رنگ مقادیر X ، Y ، Zهیجان های استاندارد استاندارد و مختصات به دست آمده بر اساس آنها مختصات استاندارد رنگ نامیده می شوند. منحنی های اضافی استاندارد X (λ) ، Y (λ) ، Z (λ) (شکل را ببینید) حساسیت ناظر متوسط ​​را نسبت به تحریکات استاندارد شرح دهید:



علاوه بر مختصات رنگ استاندارد ، اغلب از مفهوم مختصات رنگ نسبی استفاده می شود که می توان با استفاده از فرمول های زیر محاسبه کرد:

به راحتی می توان دریافت که x + y + z = 1 ، به این معنی که هر جفت مقدار برای تعیین ابهام مختصات نسبی کافی است و فضای رنگ مربوطه را می توان به صورت نمودار دو بعدی نشان داد:

مجموعه رنگهایی که به این شکل تعریف شده اند مثلث CIE نامیده می شود.
به راحتی می توان دریافت که مثلث CIE فقط رنگ را توصیف می کند ، اما روشنایی را به هیچ وجه توصیف نمی کند. برای توصیف روشنایی ، یک محور اضافی معرفی می شود که از نقطه ای با مختصات عبور می کند (1/3 ؛ 1/3) (به اصطلاح نقطه سفید). نتیجه بدنه رنگ CIE است (شکل را ببینید):

این بدنه شامل تمام رنگهای قابل مشاهده برای ناظر معمولی است. عیب اصلی این سیستم این است که با استفاده از آن ، ما فقط می توانیم تصادف یا تفاوت دو رنگ را بیان کنیم ، اما فاصله بین دو نقطه از این فضای رنگ با درک بصری تفاوت رنگ مطابقت ندارد.

مدل CIELAB

هدف اصلی در توسعه CIELAB حذف غیر خطی بودن سیستم CIE XYZ از نظر ادراک انسان بود. اختصار LAB معمولاً به فضای رنگ CIE L * a * b * اشاره دارد که در حال حاضر یک استاندارد بین المللی است.
در سیستم CIE L * a * b ، مختصات L به معنای سبکی (در محدوده 0 تا 100) ، و مختصات a ، b-به معنی موقعیت بین سبز-سرخابی و آبی-زرد است. فرمولهای تبدیل مختصات از CIE XYZ به CIE L * a * b * در زیر آورده شده است:

جایی که (Xn ، Yn ، Zn) مختصات نقطه سفید در فضای CIE XYZ هستند و

در شکل برش های بدنه رنگ CIE L * a * b * برای دو مقدار روشنایی ارائه شده است:



در مقایسه با سیستم CIE XYZ فاصله اقلیدسی (√ ((L1 -L2) ^ 2 + (a1 ^ * - a2 ^ *) ^ 2+ (b1 ^ * - b2 ^ *) ^ 2)) در CIE L * a * b * به طور قابل توجهی با تفاوت رنگ درک شده توسط انسان مطابقت دارد ، با این حال ، فرمول استاندارد تفاوت رنگبسیار پیچیده CIEDE2000 است.

تفاوت رنگ تلویزیون در سیستم های رنگی

V سیستم های رنگی ah اطلاعات رنگ YIQ و YUV به عنوان یک سیگنال روشنایی (Y) و دو سیگنال تفاوت رنگ (به ترتیب IQ و UV) نشان داده می شود.
محبوبیت این سیستم های رنگی در درجه اول به دلیل ظهور تلویزیون رنگی است. زیرا جزء Y اساساً شامل تصویر اصلی در مقیاس خاکستری است ، سیگنال در سیستم YIQ را می توان دریافت کرد و به درستی در تلویزیون های سیاه و سفید قدیمی و تلویزیون های رنگی جدید به درستی نمایش داده شد.
دومین ، شاید مهمتر ، مزیت این فضاها ، تفکیک اطلاعات در مورد رنگ و روشنایی تصویر است. واقعیت این است که چشم انسان به تغییرات درخشندگی بسیار حساس است و به تغییرات رنگی بسیار کمتر حساس است. این امکان انتقال و ذخیره اطلاعات رنگی با عمق کمتر را فراهم می کند. بر اساس این ویژگی چشم انسان است که امروزه محبوب ترین الگوریتم های فشرده سازی تصویر (از جمله jpeg) ساخته شده است. برای تبدیل از فضای RGB به فضای YIQ ، می توانید از فرمول های زیر استفاده کنید: