Цветопередача

Оригинал: ExtremeTech
Перевод: Сергей Мильчаков, Дмитрий Чеканов

Человеческое зрение против сканеров и фотоаппаратов

Сенсоры человеческого глаза, чувствительные к свету, называются колбочками. Как уже говорилось, существует три типа колбочек - красные, зеленые и синие. Как подразумевают их имена, красные колбочки наиболее чувствительны к волнам красного или близкого к красному цвета. Аналогично зеленые колбочки чувствительны к зеленому, а синие - к синему цвету. Любой цвет, который вы видите, определяется тем, какое количество фотонов поглощают колбочки каждого из этих трех типов, и в каких именно пропорциях они поглощают эти фотоны.

Сканеры и камеры также обладают сенсорами для красного, зеленого и синего цвета. Так же, как и в человеческом глазе, каждый из типов сенсоров чувствителен лишь к определенному диапазону частот. Если бы чувствительность сенсоров и колбочек к различным диапазоном была одинаковой, то разработать камеру или сканер с точной передачей цветов было бы очень просто. Но существующие сенсоры не позволяют достоверно имитировать чувствительность колбочек к каждому цвету. А это означает, что производителям приходится подстраивать свои сканеры и камеры под определенные цвета.

Для разработчиков сканеров самое главное в их деле - решить, будут ли их сканеры обрабатывать фотографии, или они будут сканировать реальный мир. Суть этого станет яснее, если вы знакомы с явлением метамерии.

Суть метамерии заключается в том, что если у вас есть реальный предмет определенного цвета и фотография этого самого предмета, то они могут по-разному поглощать свет различной длины. Другими словами, их спектры (меры света различных волн, отражаемых ими) - не совпадут. Таким образом, эти цвета являются метамерной парой, то есть при одном освещении они отражают свет одинаково, и следовательно создают одинаковый цвет в зрительной системе, а при другом освещении - по-разному, соответственно меняется и цвет.

Так как чувствительность сенсора сканера не соответствует чувствительности человеческого глаза, то, что является метамерной парой цветов для человеческого глаза, метамерной парой для сканера вовсе не является. Другими словами, два цвета на фотографии или в реальном мире, кажущиеся человеческому глазу одинаковыми, отсканируются как два совершенно разных цвета (результат, кроме всего прочего, зависит ещё и от источника света в сканере).

Компании разрабатывают сканеры с тем условием, что они будут сканировать именно фотографии, при этом они учитывают цвета так, чтобы человек видел на экране изображение, максимально соответствующее тому, что на фотографии. Однако такие сканеры не будут воссоздавать правильное изображение при сканировании, скажем, объектов реального мира. С другой стороны, цифровые камеры разработаны с учетом того, что ими будут снимать именно объекты реального мира. Некоторые сканеры также разработаны для сканирования реальных объектов, но если вы попробуете отсканировать фотографию, цвета вряд ли будут соответствовать оригиналу.

Разные устройства обладают разными цветовыми гаммами

Цветовая гамма - это обыкновенный набор цветов. Для устройств вывода, таких как принтер или монитор, цветовая гамма - это все те цвета, которые способно отобразить устройство. Для устройств ввода - таких как сканер или фотоаппарат - это набор цветов, к которым эти устройства чувствительны. Взгляните на следующий рисунок - на нем изображена вся цветовая гамма стандарте sRGB.

Обычно на такого типа рисунках имеются комментарии, что это все цвета, которые различает человеческий глаз. На самом деле это не совсем так, чуть позже мы объясним наши слова. Но если не вдаваться в детали, это похоже на правду.

Для лучшего понимания рисунка отметим, что на подкове изображены все цвета видимого спектра. Диагональ, связывающая два конца подковы, содержит цвета вне спектра, но которые, тем не менее, вы можете создать, смешав цвета из разных частей спектра.

Цвета на границе подковы полностью насыщены. Чем дальше от границы подковы, внутрь, тем меньше становится насыщенность цвета, тем цвет бледнее. Так сначала синий цвет приобретает оттенки пастельных тонов, затем меняется бледно-голубым, голубоватым и, наконец, белым цветом. Это относится к любому цвету, с которого вы начнете продвижение в центр подковы. Будет точнее выразиться, какого оттенка на внешней линии вы дойдете до области с нулевой насыщенностью - до белого цвета.

Ещё одна важная вещь для понимания этой диаграммы - это система восприятия человека. Как уже было отмечено ранее, в человеческом глазе имеется три типа колбочек - красные, зеленые и синие. На этой диаграмме вы видите все эти цвета в определенных пропорциях. По оси абсцисс мы видим долю красного цвета, а на оси ординат - доля зеленого. Доля синего - это то, что получается от сложения красного и зеленого. Чистый белый цвет соответствует трети красного и трети зеленого цвета.

Когда обсуждают подобные диаграммы, часто забывают тот факт, что это двумерная фигура трехмерной модели. Чтобы полностью описать все цвета, видимые человеческим глазом, вам потребуется не только описание тона и насыщенности, но также и описание яркости. Только при стопроцентной яркости и при нулевой насыщенности можно наблюдать чистый белый цвет. Если яркость на нуле, мы видим черный цвет. Когда яркость находится между ста процентами и нулем, мы наблюдаем различные градации серого. Отметим, что яркость влияет на цвет любого оттенка и любой насыщенности.

Таким образом, чтобы наиболее точно описать эту диаграмму, скажем, что на ней отображены те цвета, которые может воспринимать человеческий глаз при максимальной яркости. С другой стороны, когда мы говорим о цветовых гаммах устройств вывода, можно опустить фактор яркости, так как все вышеизложенное относится к цветам любой яркости.

Запомните для себя, этот рисунок называется цветовым графиком (chromaticity diagram), на нем отображены в цвете все комбинации оттенков и насыщенности. В итоге мы видим гамму. Распечатав этот график на принтере, или выведя его на монитор, можно увидеть, какие цвета способно воспроизвести то или иное устройство.

В действительности устройства могут выводить лишь ограниченный набор цветов. Например, мониторы оперируют только красным, зеленым или синим цветами. Пропорции определяются люминофором в случае ЭЛТ-мониторов или фильтрами в жидкокристаллических мониторах. Все остальные цвета, которые вы видите на мониторе, на самом деле им не отображаются - они создаются вашей зрительной системой, позволяющей комбинировать три цвета буквально в вашей голове.

Чтобы определить всю цветовую гамму монитора, вам нужно лишь отметить точки на диаграмме, представляющие те цвета монитора, которые на самом деле отображает ваш монитор. Вы можете измерить эти цвета либо с помощью колориметра, либо с помощью фотоспектрометра, в связке с программным обеспечением, позволяющим выводить стопроцентный красный, зеленый и синий цвет для соответствующих опытов. (Пакеты для калибровки мониторов обычно используют не только эти замеры, но и некоторые другие. А так как в пакеты включены готовые измерения, некоторые из них могут показать вам в качестве бонуса к калибровке всю цветовую гамму монитора.)

Когда вы измерите красный, зеленый и синий цвета вашего монитора, вы можете определить всю гамму, соединив прямыми эти точки. Монитор способен произвести любой цвет, заключенный внутри того треугольника, что вы получите. Монитор не способен создать цвет вне этого треугольника. Диаграммы ниже показывает цветовую гамму стандартного электроннолучевого монитора.

Вы наверняка заметили, насколько меньше этот самый треугольник, чем весь спектр цвета, видимого человеческому глазу. Все дело в люминофоре, используемом монитором. Эта гамма может незначительно изменяться в зависимости от модели монитора. В любом случае цветовую гамму монитора практически невозможно спутать с цветовой гаммой, скажем, принтера.

Определение цветовой гаммы принтера схоже с определением гаммы монитора. Тем не менее, существуют некоторые различия. Как и мониторы, принтеры используют для печати всего три цвета. В принтерах цвет создается чернилами или краской, а не фосфором. И цвета здесь - голубой, желтый и пурпурный. Мы не рассматриваем черный цвет, так как любой оттенок серого или черный цвет состоит из определенных пропорций всех этих цветов. Вы можете определить любой другой цвет через доли чернил каждого из этих трех цветов (обычно таких долей - до 256 на каждую из трех этих красок). Скажем, в теории, цвет, определенный как 50 долей голубого, 50 желтого и 75 долей пурпурного соответствует цвету из 50 долей черного и 25 долей пурпурного.

В отличие от мониторов, принтеры могут смешивать цвета, накладывая один цвет поверх другого, а не размещая определенные люминофоры или ячейки на экране. Большинство (не все) принтеры могут либо накладывать цвета друг на друга целиком, либо не накладывать их вообще. Градаций не существует. Поэтому большинство принтеров ограничено лишь шестью цветами:

• Голубым, желтым, пурпурным, красным (являющимся комбинацией желтого и пурпурного)
• Зеленым (желтым и пурпурным)
• И синим (голубым и пурпурным)

Принтеры, умеющие распределять количество чернил, могут создавать конечное число точек различных цветов, но эти цвета никоим образом не изменяют ни формы, ни размера всей цветовой гаммы. Это лишь дискретное число возможных цветов из гаммы. Как и в случае с мониторами все остальные цвета - результат работы вашей зрительной системы.

В большинстве принтеров цветовая гамма определяется шестью цветами, а не тремя, как у мониторов. Поэтому, чтобы увидеть цветовую гамму принтера, необходимо распечатать все эти цвета и измерить их с помощью колориметра или фотоспектрометра, затем построить из полученных точек диаграмму, и соединить прямыми эти точки - получится заваленный шестиугольник. Цветовые гаммы принтеров варьируются сильнее, чем у мониторов, но опять же цветовую гамму принтера невозможно спутать с гаммой монитора. На диаграмме ниже представлена типичная цветовая гамма принтера.

Опять-таки цветовая гамма значительно меньше той, что может воспринимать человеческий глаз. Заметьте, что диаграмма отличается не только размером, но и формой. Это означает, что цветовая гамма принтера не может совпадать с цветовой гаммой монитора. На следующем рисунке представлены сразу обе цветовые гаммы.

Суть даже не в том, что гаммы не совпадают, а в том, что каждая из них заключает в себе те цвета, которых нет в другой. Все очень просто - монитор может показывать цвета, которые не способен воспроизвести принтер, а принтер может распечатать те цвета, которые нельзя вывести на монитор.

Конкретные цвета зависят от конкретных моделей принтера и монитора, но в общем случае правило работает.

Стоит усвоить и тот факт, что кроме этих цветов существуют ещё и такие, которые не может вывести ни монитор, ни принтер, а ваш глаз может увидеть. Понятно, что нельзя настроить принтер или монитор таким образом, чтобы он отображал эти цвета.

Отметим, что в качестве основных цветов могут быть и другие цвета, отличные от красного, зеленого и синего цвета. Так, например, Peter N. Glaskowsky из Microprocessor Report активно пропагандирует среди производителей мониторов идею создания технологии мониторов, использующей другие основные цвета.

По утверждению Glaskowsky, дело не в том, какие цвета могут получаться с помощью люминофора или эквивалентных ему фильтров в ЖК мониторах, а в способности компьютера переводить использующиеся цвета в какую-либо другую цветовую модель, которая возможно будет в будущем использоваться в мониторах. Становится понятно, что технология, позволяющая преобразовывать перевод цветов в реальном времени уже существует, и во многом похожа на технологии, использующиеся в современных 3D чипах. Однако на сегодняшний день таких мониторов пока нет.