Компьютеры и цвет

Компьютерам ничего неизвестно о цвете, кроме того, что им сообщил о нем человек. Это всего лишь хваленые счетно-решающие устройства, оперирующие единицами и нулями.

Одним из путей применения чисел в компьютере является обозначение с их помощью цвета. Для этого требуется некоторая математическая модель цвета. Применение математических моделей на практике всегда связано с определенными сложностями, особенно это касается такого неопределенного и субъективного понятия, как цвет.

Великий ученый Исаак Ньютон сделал немало открытий в области цвета, но, насколько известно, он даже и не пытался создать его математическую модель. Вместо этого, он обратился к более простым предметам, разработав дифференциальное и интегральное исчисление и открыв всемирные законы механики.

Что же касается измерения цвета, то на самом деле измеряется не цвет, а возбуждающее воздействие (стимул), вызывающее восприятие цвета при попадании света на сетчатку человеческого глаза. Результаты измерения света могут быть сопоставлены с восприятием цвета человеком, хотя такое сопоставление отнюдь не идеально.

В этой статье будут рассмотрены различные системы числового представления цвета, пояснено значение чисел, обозначающих цвет, а также показано, что без управления цветом одни и те же числа передают в различных ситуациях разные цвета.

Цвет в цифрах

- Каким образом с помощью света зеленого, красного и синего аддитивных основных цветов можно воспроизвести все воспринимаемые человеком цвета?

В физическом устройстве или носителе, будь то монитор, прозрачная пленка или печатная страница, цвет воспроизводится путем манипулирования зеленым, красным и синим светом.

При использовании настоящих RGB-устройств, в частности, мониторов, сканеров и цифровых камер, работать со светом зеленого, красного и синего цветов приходится непосредственно. Что же касается пленок и печати, то манипулирование светом зеленого, красного и синего цветов здесь по-прежнему возможно, хотя это и делается косвенно с использованием красителей CMYK для вычитания длин волн этих цветов из белого фона. При этом голубой краситель поглощает красный свет, пурпурный — зеленый свет, а желтый — синий свет (отсюда и название «субтрактивные«, т. е. вычитающие основные цвета).

В цифровом виде цвет кодируется таким образом, чтобы его можно было представить разными величинами основных цветов R, G, и В или С, М и Y либо С, М, Y и К, как это принято в печати и некоторых настольных принтерах

К сожалению, подобные математические модели цвета довольно неоднозначны. Содержимое файла RGB (RGB аббревиатура английских слов Red, Green, Blue — красный, зелёный, синий) — аддитивная цветовая модель, как правило, описывающая способ синтеза цвета для цветовоспроизведения. Выбор основных цветов обусловлен особенностями физиологии восприятия цвета сетчаткой человеческого глаза. Цветовая модель RGB нашла широкое применение в технике) или CMYK можно рассматривать не как цвет, а как некоторый рецепт составления цвета, который интерпретируется каждым устройством в соответствии с его возможностями. Так, если имеется 20 способов приготовления блюда по одному и тому же рецепту, это означает, что, в конечном счете, можно приготовить 20 несколько отличающихся друг от друга блюд. Аналогично, если вывести один и тот же файл RGB на 20 разных мониторов или файл CMYK на 20 разных печатных устройств, в итоге получатся 20 незначительно (а иногда и значительно) отличающихся друг от друга изображений.

Этот факт легко проверить, взглянув на ряд одновременно работающих телевизоров разных моделей в магазине бытовой электроники. Они принимают одну и ту же программу (рецепт), но в силу отличающихся характеристик формируют разные визуальные результаты (включая и передачу цвета). Подобное явление наблюдается даже у одинаковых марок и моделей телевизоров.

Модели RGB и CMYK первоначально были созданы в аналоговой, а не в цифровой среде, причем ни одна из них не была предназначена для точного описания цвета. На самом деле, эти модели описывают управляющие сигналы, посылаемые на разные цветные устройства, чтобы они воспроизвели то, что в конечном итоге будет восприниматься как цвет. Таким образом, числовые значения RGB и CMYK следует всегда рассматривать в качестве настроек цвета для конкретных устройств.

Аналоговые корни

Числовые значения в файлах RGB и CMYK на самом деле не обозначают конкретный цвет. Напротив, они обозначают количество красителей — веществ, использующихся в устройствах для получения цвета. Обе модели RGB и CMYK применялись в аналоговой среде задолго до их переноса в цифровую среду.

Печать красками CMYK получила широкое распространение в качестве производственного процесса еще в начале 20-х годов. И вплоть до 70-х годов XX века, когда допечатная подготовка изданий была перенесена в цифровую среду, цветоделение CMYK выполнялось оптически, т.е. путем фотографирования оригинала с применением С, М, Y и нейтрально-серого светофильтров (в последнем случае для изготовления печатной формы, предназначенной для черной краски). В первых моделях сканеров использовались аналоговые сигналы RGB, которые обычно преобразовывались непосредственно в аналоговые сигналы CMYK. А последние применялись для экспонирования пленки, из которой изготовлялись печатные формы.

При первоначальных попытках формирования цвета цифровым путем использовались цифровые сигналы RGB и CMYK, имитировавшие своих аналоговых предшественников. Это был простейший, но не самый лучший способ перехода к цифровому цвету.

RGB-монитор

Для отображения цвета на мониторе электроны, испускаемые электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ), попадают на люминофоры — соединения химических и минеральных веществ, излучающие свет, когда их бомбардируют (и возбуждают) пуч­ки электронов. В цветных мониторах применяются три разных люминофора, нанесенных на внутреннюю поверхность экрана ЭЛТ, для излучения красного, зеленого и синего света. Благодаря изменению интенсивности пучка электронов можно заставить люминофоры излучать больше или меньше красного, зеленого и синего света, а, значит, воспроизводить различные цвета

Однако точное воспроизведение света зависит от типа применяющихся люминофоров, их срока службы, конкретной схемы и других характеристик монитора и даже от напряженности магнитного поля, в котором находится монитор. Люминофоры всех цветных мониторов воспроизводят вполне распознаваемый красный, зеленый и синий цвета. Тем не менее, существуют, по крайней мере, пять различных наборов люминофоров, широко применяющихся на практике, причем они могут существенно отличаться даже в одной партии. Если к этому добавить личные предпочтения в отношении устанавливаемых уровней яркости и контрастности, то маловероятно, чтобы два монитора воспроизвели одинаковый цвет от одного и того же сигнала, даже если они одной модели и из одной партии.

RGB-сканер

Для фиксации цвета в сканере или цифровой камере применяются монохроматические светочувствительные датчики, а также красные, зеленые и синие фильтры. Каждый датчик формирует напряжение, пропорциональное количеству света, поступающему в него через фильтры, после чего эти аналоговые напряжения преобразуются в цифровые значения R, G и В. Точные цифровые значения формируются сканером или цифровой камерой по заданному образцу цвета в зависимости от спектрального состава источника света и характеристик пропускания фильтров. Аналогично люминофорам монитора, фильтры сканера и цифровой камеры отличаются у разных поставщиков, а, кроме того, они меняют свои характеристики по мере старения. Это же относится и к лампам сканеров. А в цифровой камере фиксируемый свет может изменяться в широких пределах: от тщательно контролируемого в студии освещения до дневного света, который, в свою очередь, меняется даже в течение одной экспозиции. Поэтому маловероятно, чтобы два устройства фиксации изображений сформировали одинаковые значения RGB, исходя из одного и того же образца цвета.

CMYK-принтер

Для печати изображений на бумаге на нее наносятся точки голубой, пурпурной, желтой и черной краски. В традиционных растрах расстояние между центрами точек сохраняется постоянным, однако размер самих точек меняется, благодаря чему образуются различные оттенки или тона. Во многих настольных принтерах и в некоторых промышленных печатных машинах применяются разные виды растров, называемых стохастическими растрами, или растрами с рассеиванием ошибок, каждая точка которых имеет одинаковый размер, а цвет изменяется благодаря печати большего или меньшего числа точек на данном участке.

Однако точное воспроизведение цвета на печатающем устройстве зависит от используемых красителей, цвета бумаги и способа взаимодействия красителей с бумагой (как химически, так и физически).

В частности, на струйных принтерах со временем наблюдается изменение цветов, если краска и бумага подобраны неудачно (что наиболее заметно в области нейтрально-серых тонов).

А цветные лазерные принтеры и копировальные аппараты весьма чувствительны к изменению влажности.

На промышленных печатных машинах цвет может меняться в зависимости от температуры, влажности, господствующего направления воздушных потоков и даже душевного состояния оператора!

Поэтому маловероятно, чтобы два разных печатных устройства воспроизвели одинаковый цвет, исходя из одних и тех же значений CMYK.

Цифровая эволюция

RGB и CMYK, по существу, аналоговые понятия, поскольку они обозначают количество красителей (красок, пигментов, люминофоров или фильтров), использующихся для управления спектральным составом света.

Такие RGB-устройства, как телевизоры, мониторы, сканеры и цифровые камеры, содержат в настоящее время и будут содержать в обозримом будущем аналоговые компоненты (магниты, объективы, зеркала, люминофоры и фильтры), работающие по принципу непрерывного изменения величины напряжения, тока, светового и магнитного потока.

А в CMYK-принтерах до сих пор применяются краски, пигменты и красители со сложным химическим составом, наносимые на бумагу, полученную из мягкой древесной массы.

Тем не менее, числовые значения RGB и CMYK так и остались бы числами, если бы не наступила цифровая эпоха, в которую они превратились в биты и байты.Со временем все больше аналоговых компонентов было заменено цифровыми. Дарвинистская сила, двигавшая цифровую эволюцию, оказалась довольно ба­нальной — деньги. Ведь цифровые компоненты работают быстрее, стоят дешевле, а самое главное для управления цветом — они повторяемы и предсказуемы. Все эти преимущества сводятся к экономии денежных средств.

Однако в связи с цифровой эволюцией следует иметь в виду два обстоятельства:

Во-первых, она носит постепенный характер. Производимая продукция содержит незначительные усовершенствования по сравнению с применявшимися ранее технологиями, несмотря всю рекламную шумиху вокруг этой продукции. Новая продукция и запасные части к ней должна каким-то образом сосуществовать со старой, а новые технологии — использоваться теми, кто годами работал со старыми.

Во-вторых, вследствие постепенного характера цифровой эволюции цифровые модели RGB и CMYK зачастую имитируют своих аналоговых предшественников. Поэтому цифровое оборудование, воспроизводящее цвет, получается более сложным, чем в том случае, если бы оно было изначально разработано полностью или в основном цифровым. Характерным примером цифровой эволюции может служить фотонаборный аппарат — устройство вывода на пленку, с которой изображения переносятся на формы, предназначенные для офсетной печати.

Эволюция фотонаборных аппаратов началась с аналоговых методов формирования изображений на пленке фотографическим способом, в частности, путем проецирования фотографического негатива через мелкий растр для получения растрового изображения (отсюда и название терминов «растрирование» и «линиатура растра«). Этот аналоговый процесс был заменен цифровой автоматизированной системой управления лазерным лучом для точного экспонирования пленки по микроточкам, однако для таких фотонаборных автоматов по-прежнему требовалось аналоговое фотолабораторное оборудование, химические реактивы и технический персонал, обученный фотографическим приемам проявления пленки. Тем не менее, постепенно даже фотолабораторная обработка была заменена процессорными блоками с цифровым управле­нием всем процессом проявления пленки.

- Но зачем вообще нужна пленка?

Объясняется это применявшимися ранее весьма дорогими (а, значит, и многократно повторяющимися) процессами печати со столь же дорогими установками для изготовления печатных форм с пленки, а также тем, что получение аналоговых пробных оттисков с пленки было единственным удобным способом, заменявшим дополнительный договор на печатные работы между заказчиком и типографией. (При выполнении высококачественных печатных работ иногда используются контрольные оттиски, для получения которых, по существу, выделяется отдельная печатная машина, что обходится чрезвычайно дорого).

Однако в настоящее время благодаря повышению надежности технологий изготовления печатных форм и пробных оттисков пленка исключается из технологического процесса печати (а, значит, и экономятся средства). При этом процесс цифровой печати получил дальнейшее развитие и теперь предполагает вывод результатов непосредственно с компьютера на фотонаборную машину, формирующую изображение на формной пластине, включая даже цифровые установки для прямого копирования изображений на печатные формы, устанавливаемые непосредственно на валиках печатной машины.

- Что же все это означает для числовых значений RGB и CMYK и управления цветом?

Это означает, что чем точнее такие числа отражают в цифровом виде режим работы аналоговых компонентов, тем точнее управление цветом. Ведь управление цветом лишь изменяет эти числа для учета режима работы различных аналоговых компонентов. А раз так, то достоинства и недостатки управления цветом определяются, главным образом, тем, насколько хорошо цифровые манипуляции числами моделируют режимы работы аналоговых устройств, в том числе и глаза зрителя.