С данным вопросом я столкнулся, когда выбирал себе новый монитор. Естественно, перед покупкой начал читать тонны обзоров, чтобы выбрать наиболее достойный, и в этих обзорах столкнулся с неизвестной мне до этого тематикой, типа "точки белого", "диаграммы цветов CIE XYZ", "цветового пространства CIE Lab", "sRGB", "AdobeRGB", и прочими непонятными мне тогда словами...
Разобраться во всём этом стоило мне большого труда и нескольких выходных.
Если у вас ещё есть какие-то вопросы по этой теме - данная заметка, возможно, ответит на них все.
Начать можно с того, что объективно в природе не существует ни "света", ни "цвета". Свет - это просто электромагнитная волна, от 400 нанометров до 700 нанометров. Эволюционно сложилось так, что именно этот диапазон длин волн наиболее важен для человека в его повседневной жизни: по цвету, например, мы можем определять, дозрел ли плод, не испортился ли он; можем различать диких животных и пёстрых птиц в лесу и охотиться на них. Пространственные очертания предметов можно было бы "видеть" и в ультразвуке, и в инфразвуке, но жизнь на Земле сложилась таким образом, что именно цветовой диапазон электромагнитных волн несёт наибольшую и наиболее важную информацию.
В смысле сказанного выше, "цвет" - это просто способ мозга разделять весь этот диапазон длин волн от 400 нанометров до 700 нанометров. "Цвет" имеет смысл только для человеческого мозга, и вне человеческого мозга - не существует.
Свет и цвет изучали в течение всей жизни цивилизации. В XX-ом веке открыли электромагнитные волны, и только после этого смогли говорить, что "красный" - это длина волны 400 нанометров. До прогрессивного XX-ого века к цвету подходили более философски. Например, средневековые художники уже хорошо знали (из многовекового опыта), что любой цвет палитры можно получить смешением трёх компонент: (например) красной, синей и жёлтой. То есть, не было никакой разницы, имеем ли мы перед собой некий чистый природный цвет, или же его "подделку", полученную смешением трёх основных цветов - глазу было совершенно без разницы. Это означало, что глаз человека на самом деле "видит" только три цвета (например, красный, синий и зелёный), а любой наблюдаемый свет - раскладывает на три эти составляющие. Так художники, сами того не подозревая, "хакнули" принцип действия человеческого зрения. Это свойство человеческого зрения называется "метамеризмом"; а пространство цветов, которые можно получить смешиванием таких компонент, называется "аддитивным".
Также, в средних веках, Исаак Ньютон проводил свои опыты со стеклянной призмой, которая расщепляла белый свет на все цвета радуги. Так стало известно, что белый цвет - это смешение всех цветов радуги.
Почему белый цвет именно белый? Потому что белый цвет, будучи естественным фоном, несёт в себе ноль шума, и поэтому не зашумляет полезную информацию, получаемую из цвета окружающих объектов. Человек появился и жил всегда при свете Солнца, что во-первых определило важность "цвета" и появление у живых существ глаз и цветового зрения, и во-вторых, поскольку солнечный свет есть всегда и не несёт никакой полезной информации, то мозг эволюционно сделал его белым, и теперь любой свет с равномерным спектром излучения мы видим как белый (а ещё, белый цвет, оказывается, можно точно также "подделать" с помощью трёх основных цветов, если взять их в равном количестве). "Белый" здесь используется не в бытовом смысле "белоснежный", а в его более правильном значении: белыми являются и серые цвета тоже, потому что они точно так же состоят из "всех цветов радуги", просто чем тусклее свет - тем больше он тяготеет к чёрному.
И поэтому нет "абсолютно белого" цвета - это всегда просто некоторый серый цвет, который наш мозг сам "вытягивает" в белый, осветляя всю наблюдаемую картинку.
До сих пор мы говорили о цвете, как об электромагнитном излучении определённой длины волны. Это - абсолютно чистые, линейчатые цвета. Однако в реальности свет объекта обычно "размазан" на некотором диапазоне длин волн. И наш глаз также воспринимает не только чисто синий, зелёный и красный цвета, а, так же, некоторые размазанные области, которые можно в среднем назвать "синими", "зелёными" и "красными". Например, на данном графике можно увидеть те диапазоны длин волн, которые воспринимают три вида "колбочек" человеческого глаза:
Их так и называют: синими, зелёными и красными.
Какая длина волны в спектре излучения объекта будет наиболее мощной — такого цветового "тона" (hue) обычно и будет видеться нам этот объект. "Насыщенность" (saturation) цвета — это степень его чистоты: очень "насышенный" цвет будет содержать очень узкий набор длин волн и будет выглядеть гораздо более выраженным, чем аналогичный, но менее насыщенный цвет. Помимо "тона" и "насыщенности" есть ещё одна (последняя) характеристика цвета — его "яркость" (мощность излучаемого спектра). Эти три величины — тон, насыщенность и яркость — могут полностью описать любой цвет в природе, и, фактически, тоже являются "тремя основными цветами", на которые можно разложить любой цвет; в данном случае "цветами" можно взять в кавычки, потому что эти три величины — не "цвета" в привычном, бытовом, понимании этого слова, однако с чисто математической точки зрения нет совершенно никакой разницы, какие три "основные координаты" использовать для разложения цветов: будь то "яркость, тон, насыщенность", "красный, синий, зелёный", "красный, синий, жёлтый", "CIE X,Y, Z", "CIE x, y, Y", "CIE L, a, b" и иже с ними.
Когда мы говорим, что объект "светится" некоторым цветом, то это означает, что сначала на него упал полный солнечный спектр, потом этот объект поглотил часть света (в той области длин волн, в которой он может поглощать), а другую часть света - отразил (потому что он физически не умеет её поглощать). Поэтому, когда мы говорим, что трава - зелёная, это означает, что трава умеет поглощать весь цветовой свет, кроме зелёного. А, например, красные объекты умеет поглощать свет всех цветов, кроме красных:
А вот, например, тот самый солнечный спектр, который "содержит все цвета радуги":
Это - только "видимый" (цветовой) диапазон солнечного спектра. Полный солнечный спектр выглядит так:
Он представляет собой частный случай так называемого спектра "абсолютно чёрного тела", теория которого активно изучалась в начале XX-ого века, и была одной из самых фундаментальных задач физики, приведших к появлению на свет квантовой теории. Абсолютно чёрное тело - это, можно сказать, визуально чисто чёрное тело (поглощает весь падающий на него свет), которое нагрели до некоторой температуры. Эту температуру называют "температурой абсолютно чёрного тела". Солнечный свет мы воспринимаем белым, и поэтому любое абсолютно чёрное тело, нагретое до "температуры Солнца" (5777 Kельвинов) будет светить "белым" светом. А вот лампа накаливания, например, греется до меньших температур - где-то до 2500 Кельвинов, и поэтому её свет кажется нам более "тёплым" (жёлтым). Звезда в космосе, в свою очередь, нагрета до колоссальных температур (до 30 000 Кельвинов), и свет от них нам кажется более "холодным" (синим).
Причина изменения цвета абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры заключается в том, что чем сильнее его нагревать - тем больше будет в спектре коротковолнового излучения (потому что оно способно унести на себе наибольшую энергию - а энергию нужно куда-то постоянно отводить, потому что это чёрное тело постоянно нагревается):
Получается, что этот "горб" на графике спектра чёрного тела перемещается слева направо с увеличением температуры. А видим мы не весь этот спектр, а только узкий вырез с 400 нанометров до 700 нанометров. И в зависимости от того, как этот горб полного спектра пересечётся с узкой цветовой областью - такой цвет и будет преобладать в видимом спектре тела, и с таким оттенком мы и будем его воспринимать.
С температурой освещения, в данном смысле, связан ещё один интересный момент: в комнате светит лампочка, которая "желтит", но при этом мозг почти сразу "сместит" цвета так, что свет лампочки будет казаться нам белым, и цвета всех других объектов, соответственно, тоже получат такие же поправки, и примут свой "естественный" вид. Эта функция, которую наш мозг научился выполнять эволюционно (для того, чтобы лучше выживать - видеть одинаково при любых условиях освещения: на рассвете, днём, на закате, при луне), называется "балансом белого". В фотоаппаратах баланс белого выставляет специальный (хранимый в секрете) алгоритм "баланса белого" в прошивке, или же можно самому это сделать, снимая в RAW и обработав снимок в Лайтруме или Фотошопе.
Алгоритм баланса белого выполняет единственную задачу: угадать, какой из цветов на изображении считать белым. А формулы, по которым происходит сам "сдвиг цветов" - известны уже давно, и называются "chromatic adaptation transforms" (преобразования цветовой адаптации); например, преобразования Фон Криса (Von Kries). Они сдвигают цвета изображения, принимая на вход цветовую температуру освещения, при котором был снят снимок (либо камера сама угадывает это значение, либо мы водим ползунок в Фотошопе или Лайтруме), и цветовую температуру того цвета, в который мы собираемся этот источник освещения раскрасить (обычно это 6 500 Кельвинов, потому что такую температуру имеет "белый" цвет монитора).
На этом основы концепции о цвете изложены, и далее я расскажу про цветовые пространства. Частично информация была откопана в этой статье.
Промышленная революция XX-ого века неслась стремительно, расталкивая всех на своём пути. Электричество, освещение, фотография, телеграф, радио, телефон, и, наконец, телевидение - всё это говорило только о том, что человек силой собственного ума освободил сам себя из оков ограничений природы, и сам скоро станет Богом и Творцом новой Вселенной (что и произошло с открытием транзистора и появлением вычислительных машин на его основе). На передовом крае науки, естественно, уже шли, в том числе, и эксперименты по теории цвета: как его стандартизировать, как его получать, как его обуздать и передать на расстоянии, чтобы потом показать, и не просто так, а в точном соответствии с тем, каким он был "захвачен" изначально.
Одной из таких (сугубо практических и очень актуальных для того времени) исследовательских работ были опыты, проведённые в 1920-ых годах Райтом и Гилдом. Они ставили своей целью измерить чувствительность "колбочек" глаза к трём основным цветам. Поскольку залезть в мозг к испытуемому и подцепить электроды к нервным окончаниям колбочек не представлялось возможным, поступили хитрее. С виду опыт был достаточно прост: в одну точку на экран направлялись три прожектора - красный, зелёный и синий. Отныне цвет был уже точной наукой, поэтому "синим" был выбран свет с длиной волны 435.8 нанометров (им светила одна из "линеек" спектра ртутной лампы), зелёным - цвет с длиной волны 546.1 нанометров (другая линейка спектра той же самой ртутной лампы), а красным - цвет с длиной волны 700 нанометров (математически точного источника света для таких длин волн не нашлось в то время, но особая точность этого синего оказалась не нужна, т.к. глаз слабо различает эту область длин волн, и точность воспроизведения этого цвета не так критична).
Испытуемому давали три крутилки яркости: красного, зелёного и синего цветов. Рядом выводили некоторый монохроматический свет (фактически, просто цвет), длина волны которого была известна (просчитана с помощью уравнений квантовой механики, как для ртутной лампы), а испытуемый смотрел на это всё и крутил свои крутилки, чтобы заданный цвет, и цвет, образованный суммой трёх основных цветов - полностью совпали. После этого значения с каждой из крутилок записывались, и опыт повторялся с другим цветом. Таким образом, испытуемый в ходе каждого опыта подбирал такие значения трёх основных цветов, чтобы в сумме они давали заданный цвет. Процедура подбора была сложной, поэтому один испытуемый за сеанс обычно подбирал не более трёх цветов. Таких испытуемых было много, в результате чего получили описание зрения некоего "усреднённого человека".
Когда все эксперименты были завершены, и пришло время построить итоговый график (на бумаге, в то время не было компьютеров), то по горизонтали нанесли длину волны подбираемого цвета, а по вертикали - яркость прожектора основного цвета (значение с одной крутилки). Для трёх крутилок (трёх основных цветов) получились три графика:
Как читать этот график: берём нужный цвет. Например, жёлтый: у него длина волны около 580 нанометров. Смотрим на график, и видим: для того, чтобы "получить" жёлтый с помощью трёх основных цветов, нужно смешать некоторое количество зелёного цвета и почти такое же количество красного цвета (а синего цвета вообще добавлять не требуется). Естественно, полученный "жёлтый" не будет никаким не жёлтым, но для человеческого глаза - никакой разницы между жёлтым и этой комбинацией цветов не будет, поэтому такую комбинацию можно называть "жёлтым цветом".
То есть, ещё раз: смешение основных цветов никогда не даст "честный" цвет в том смысле, что из излучения с длинами волн 550 нанометров и 600 нанометров мы никогда не получим излучения с длиной волны 580 нанометров. Но поскольку глаз человека устроен так, что раскладывает цвет на три составляющие, то для него полученная смесь будет самым настоящим "жёлтым", ничем не отличимым от "настоящего" жёлтого. И, таким образом, наука о цвете - это чистой воды "обман зрения", фокусы и "хакерство" на тему "как хакнуть цветовосприятие человеческого глаза".
Внимательный читатель заметит: как это так, почему яркость красного цвета в левой половине графика уходит ниже ноля? Как, мать вашу, вообще яркость может быть отрицательной? Они там что, упоролись? Дело в том, что в ходе опытов выяснилось, что цвета от 450 нанометров до 550 нанометров невозможно было получить простым смешением трёх основных цветов, поэтому исследователи нашли гениальный выход: они повесили рядом ещё один красный прожектор, приделали к нему точно такую же крутилку, и разрешили добавлять свет от этого второго красного прожектора к подбираемому (чистому) цвету; получилось, что если мы добавляем красный к подбираемому чистому цвету, то это математически эквивалентно вычитанию красного из подобранной комбинации трёх основных цветов. Такой вот очень хитрый трюк, простой и гениальный, который позволил довести эту научную работу до победного конца (которым и стали три этих графика).
Эти графики (которые являются, фактически, тремя основными цветами), как водится, назвали: красный - это "x", зелёный - это "y", синий - это "z". Точнее, назвали бы именно эти три графика, если бы не одно но. Жили тогда в эпоху без компьютеров, и считали всё на бумаге, без калькулятора. Это было очень скурпулёзным и муторным занятием, и вероятность ошибки тоже присутствовала. Поэтому, чтобы облегчить себе жизнь, "комитет по свету и цвету" назвал буквами x, y, z не именно эти три графика (не именно эти три основных цвета), а три других графика (три других основных цвета), которые решили получить их этих трёх математическим преобразованием. Новые три графика (новые три основных цвета) должны были быть всегда неотрицательными на всей области длин волн (чтобы проще было считать). Раз уж решили подбирать для удобства, то решили сделать ещё и так, чтобы зелёный график "y" (зелёный основной цвет) всегда равнялся "яркости" подбираемого чистого цвета данной длины волны (человеческий глаз получает яркость большей частью из зелёных колбочек), и ещё чтобы синий график "z" (синий основной цвет), по возможности, оставался таким же, какой он есть. Вооружившись этими тремя требованиями, совет инженеров подобрал нужное линейное преобразование (фактически, матрицу), которое переводило три графика, полученных из опыта, в три новых графика, которым суждено было в 1931-ом году стать первыми международными стандартными "основными цветами", и их и назвали x, y и z:
Организация эта называлась CIE (International Commission on Illumination), и соответствующее "пространство цветов", которое можно было получить всевозможными сочетаниями этих трёх основных цветов, назвали "цветовым пространством CIE XYZ", где X, Y и Z - это "координаты" цвета в данном цветовом пространстве.
Чтобы удобнее было представлять такое цветовое пространство на бумаге, решили его преобразовать в другое цветовое пространство - "CIE xyY". Ось Y - это яркость, поэтому все цвета для данной яркости можно увидеть на двумерном срезе, в котором координаты - это "x" и "y", полученные из XYZ таким преобразованием:
И теперь уже можно нарисовать такой срез на бумаге:
До сих пор в опытах рассматривалось получение "чистых" цветов (полоски излучения с точной длиной волны) с помощью трёх основных цветов (для простоты). Но чистые цвета - это бесконечно малое подмножество всех цветов, которые существуют в мире. Чистые цвета на данной "диаграмме" вы можете увидеть по краю диаграммы (получается такой "ободок"): от красного, через оранжевый, зелёный и синий, до фиолетового. Заметим, что этот ободок не замкнутый: он и не может быть замкнутым - нельзя перескочить из 400 нанометров в 700 нанометров. Все остальные цвета на этой диаграмме - это "интерполяция" (усреднение) между граничными чистыми цветами. Чёрная кривая на диаграмме - это кривая температуры абсолютно чёрного тела: от красного, через жёлтый, через белый и к синему. Белый там не очень заметен, но он есть - он находится, можно сказать, в самом центре пересечения всех цветов. Он больше виден на другом рисунке этой же диаграммы:
Та точка, цвет которой мы принимаем за эталон "белого", называется "точкой белого" данного цветового пространства. Пространство CIE XYZ - это полное пространство, включающее в себя все возможные цвета. Реальные же устройства не способны воспроизвести все цвета вообще, и воспроизводят только какое-то подмножество. Треугольник на рисунке выше - это "пространство sRGB с точкой белого 6500 Кельвинов". sRGB - это стандарт для компьютерных мониторов. Это означает, что ваш монитор имеет внутри три вида лампочек: зелёные (не чистый), синие (не чистый) и красные (не чистый). Цвета лампочек не чистые, потому что такова реальность, и излучение их немного размазано. Кстати, по диаграмме выше может показаться, что на зелёной лампочке размазанность просто огромная, и что зелёных цветов в мире больше, однако это просто следствие "нелинейности" цветового ощущения в пространстве CIE xyY. Именно поэтому в 1976-ом году придумали ещё одно пространство - CIE Lab, основной задачей которого было быть более "равномерным" и интуитивным в плане восприятия цветов и их взаимной удалённости на диаграмме:
Помимо CIE Lab, точно для такой же цели достижения равномерности было придумано ещё одно пространство - CIE Lu'v'. Комитет по стандартизации просто не смог выбрать из этих двух пространств то, которое было бы самым равномерным, и поэтому решили "поделить победу" между этими двумя пространствами.
Мы рассмотрели пространство sRGB, присутствующее во всех бытовых мониторах. А в принтерах, например, используется совсем другое пространство - CMYK. Можно было бы использовать RGB, но тогда для белого цвета пришлось бы тратить тонны краски, в то время как на самом деле белый цвет в принтерах - бесплатный: это цвет бумаги. Для монитора бесплатный - чёрный цвет: когда монитор не включен в розетку, то на экране показывается бесплатный чёрный цвет; на бумаге же, пока на ней ничего не напечатано - бесплатен белый цвет. Белый - это полная противоположность чёрному, поэтому требуется использовать систему с “противоположными” цветами. Такой системой и стала CMYK: Cyan Magenta Yellow blacK (red = magenta + yellow => !red = 1 - red = 1 - magenta - yellow = cyan; green = yellow + cyan => !green = magenta; blue = cyan + magenta => !blue = yellow). Если бы использовались только три цвета - CMY - то для того, чтобы получить чёрный цвет на бумаге, понадобились бы тонны краски (и вряд ли бы вообще было возможным из-за чисто физических ограничений, сколько краски туда ни влей), поэтому сделали проще - к CMY добавили ещё и букву K (black) - чёрную краску - и получили гораздо более экономную печать (очевидно, чёрная краска по своей дешевизне не идёт ни в какое сравнение с голубой, пурпурной и жёлтой).
Вот, для сравнения, цветовые пространства sRGB и CMYK на одной диаграмме:
Разобраться во всём этом стоило мне большого труда и нескольких выходных.
Если у вас ещё есть какие-то вопросы по этой теме - данная заметка, возможно, ответит на них все.
Начать можно с того, что объективно в природе не существует ни "света", ни "цвета". Свет - это просто электромагнитная волна, от 400 нанометров до 700 нанометров. Эволюционно сложилось так, что именно этот диапазон длин волн наиболее важен для человека в его повседневной жизни: по цвету, например, мы можем определять, дозрел ли плод, не испортился ли он; можем различать диких животных и пёстрых птиц в лесу и охотиться на них. Пространственные очертания предметов можно было бы "видеть" и в ультразвуке, и в инфразвуке, но жизнь на Земле сложилась таким образом, что именно цветовой диапазон электромагнитных волн несёт наибольшую и наиболее важную информацию.
В смысле сказанного выше, "цвет" - это просто способ мозга разделять весь этот диапазон длин волн от 400 нанометров до 700 нанометров. "Цвет" имеет смысл только для человеческого мозга, и вне человеческого мозга - не существует.
Свет и цвет изучали в течение всей жизни цивилизации. В XX-ом веке открыли электромагнитные волны, и только после этого смогли говорить, что "красный" - это длина волны 400 нанометров. До прогрессивного XX-ого века к цвету подходили более философски. Например, средневековые художники уже хорошо знали (из многовекового опыта), что любой цвет палитры можно получить смешением трёх компонент: (например) красной, синей и жёлтой. То есть, не было никакой разницы, имеем ли мы перед собой некий чистый природный цвет, или же его "подделку", полученную смешением трёх основных цветов - глазу было совершенно без разницы. Это означало, что глаз человека на самом деле "видит" только три цвета (например, красный, синий и зелёный), а любой наблюдаемый свет - раскладывает на три эти составляющие. Так художники, сами того не подозревая, "хакнули" принцип действия человеческого зрения. Это свойство человеческого зрения называется "метамеризмом"; а пространство цветов, которые можно получить смешиванием таких компонент, называется "аддитивным".
Также, в средних веках, Исаак Ньютон проводил свои опыты со стеклянной призмой, которая расщепляла белый свет на все цвета радуги. Так стало известно, что белый цвет - это смешение всех цветов радуги.
Почему белый цвет именно белый? Потому что белый цвет, будучи естественным фоном, несёт в себе ноль шума, и поэтому не зашумляет полезную информацию, получаемую из цвета окружающих объектов. Человек появился и жил всегда при свете Солнца, что во-первых определило важность "цвета" и появление у живых существ глаз и цветового зрения, и во-вторых, поскольку солнечный свет есть всегда и не несёт никакой полезной информации, то мозг эволюционно сделал его белым, и теперь любой свет с равномерным спектром излучения мы видим как белый (а ещё, белый цвет, оказывается, можно точно также "подделать" с помощью трёх основных цветов, если взять их в равном количестве). "Белый" здесь используется не в бытовом смысле "белоснежный", а в его более правильном значении: белыми являются и серые цвета тоже, потому что они точно так же состоят из "всех цветов радуги", просто чем тусклее свет - тем больше он тяготеет к чёрному.
И поэтому нет "абсолютно белого" цвета - это всегда просто некоторый серый цвет, который наш мозг сам "вытягивает" в белый, осветляя всю наблюдаемую картинку.
До сих пор мы говорили о цвете, как об электромагнитном излучении определённой длины волны. Это - абсолютно чистые, линейчатые цвета. Однако в реальности свет объекта обычно "размазан" на некотором диапазоне длин волн. И наш глаз также воспринимает не только чисто синий, зелёный и красный цвета, а, так же, некоторые размазанные области, которые можно в среднем назвать "синими", "зелёными" и "красными". Например, на данном графике можно увидеть те диапазоны длин волн, которые воспринимают три вида "колбочек" человеческого глаза:
Какая длина волны в спектре излучения объекта будет наиболее мощной — такого цветового "тона" (hue) обычно и будет видеться нам этот объект. "Насыщенность" (saturation) цвета — это степень его чистоты: очень "насышенный" цвет будет содержать очень узкий набор длин волн и будет выглядеть гораздо более выраженным, чем аналогичный, но менее насыщенный цвет. Помимо "тона" и "насыщенности" есть ещё одна (последняя) характеристика цвета — его "яркость" (мощность излучаемого спектра). Эти три величины — тон, насыщенность и яркость — могут полностью описать любой цвет в природе, и, фактически, тоже являются "тремя основными цветами", на которые можно разложить любой цвет; в данном случае "цветами" можно взять в кавычки, потому что эти три величины — не "цвета" в привычном, бытовом, понимании этого слова, однако с чисто математической точки зрения нет совершенно никакой разницы, какие три "основные координаты" использовать для разложения цветов: будь то "яркость, тон, насыщенность", "красный, синий, зелёный", "красный, синий, жёлтый", "CIE X,Y, Z", "CIE x, y, Y", "CIE L, a, b" и иже с ними.
Когда мы говорим, что объект "светится" некоторым цветом, то это означает, что сначала на него упал полный солнечный спектр, потом этот объект поглотил часть света (в той области длин волн, в которой он может поглощать), а другую часть света - отразил (потому что он физически не умеет её поглощать). Поэтому, когда мы говорим, что трава - зелёная, это означает, что трава умеет поглощать весь цветовой свет, кроме зелёного. А, например, красные объекты умеет поглощать свет всех цветов, кроме красных:
Причина изменения цвета абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры заключается в том, что чем сильнее его нагревать - тем больше будет в спектре коротковолнового излучения (потому что оно способно унести на себе наибольшую энергию - а энергию нужно куда-то постоянно отводить, потому что это чёрное тело постоянно нагревается):
Алгоритм баланса белого выполняет единственную задачу: угадать, какой из цветов на изображении считать белым. А формулы, по которым происходит сам "сдвиг цветов" - известны уже давно, и называются "chromatic adaptation transforms" (преобразования цветовой адаптации); например, преобразования Фон Криса (Von Kries). Они сдвигают цвета изображения, принимая на вход цветовую температуру освещения, при котором был снят снимок (либо камера сама угадывает это значение, либо мы водим ползунок в Фотошопе или Лайтруме), и цветовую температуру того цвета, в который мы собираемся этот источник освещения раскрасить (обычно это 6 500 Кельвинов, потому что такую температуру имеет "белый" цвет монитора).
На этом основы концепции о цвете изложены, и далее я расскажу про цветовые пространства. Частично информация была откопана в этой статье.
Промышленная революция XX-ого века неслась стремительно, расталкивая всех на своём пути. Электричество, освещение, фотография, телеграф, радио, телефон, и, наконец, телевидение - всё это говорило только о том, что человек силой собственного ума освободил сам себя из оков ограничений природы, и сам скоро станет Богом и Творцом новой Вселенной (что и произошло с открытием транзистора и появлением вычислительных машин на его основе). На передовом крае науки, естественно, уже шли, в том числе, и эксперименты по теории цвета: как его стандартизировать, как его получать, как его обуздать и передать на расстоянии, чтобы потом показать, и не просто так, а в точном соответствии с тем, каким он был "захвачен" изначально.
Одной из таких (сугубо практических и очень актуальных для того времени) исследовательских работ были опыты, проведённые в 1920-ых годах Райтом и Гилдом. Они ставили своей целью измерить чувствительность "колбочек" глаза к трём основным цветам. Поскольку залезть в мозг к испытуемому и подцепить электроды к нервным окончаниям колбочек не представлялось возможным, поступили хитрее. С виду опыт был достаточно прост: в одну точку на экран направлялись три прожектора - красный, зелёный и синий. Отныне цвет был уже точной наукой, поэтому "синим" был выбран свет с длиной волны 435.8 нанометров (им светила одна из "линеек" спектра ртутной лампы), зелёным - цвет с длиной волны 546.1 нанометров (другая линейка спектра той же самой ртутной лампы), а красным - цвет с длиной волны 700 нанометров (математически точного источника света для таких длин волн не нашлось в то время, но особая точность этого синего оказалась не нужна, т.к. глаз слабо различает эту область длин волн, и точность воспроизведения этого цвета не так критична).
Испытуемому давали три крутилки яркости: красного, зелёного и синего цветов. Рядом выводили некоторый монохроматический свет (фактически, просто цвет), длина волны которого была известна (просчитана с помощью уравнений квантовой механики, как для ртутной лампы), а испытуемый смотрел на это всё и крутил свои крутилки, чтобы заданный цвет, и цвет, образованный суммой трёх основных цветов - полностью совпали. После этого значения с каждой из крутилок записывались, и опыт повторялся с другим цветом. Таким образом, испытуемый в ходе каждого опыта подбирал такие значения трёх основных цветов, чтобы в сумме они давали заданный цвет. Процедура подбора была сложной, поэтому один испытуемый за сеанс обычно подбирал не более трёх цветов. Таких испытуемых было много, в результате чего получили описание зрения некоего "усреднённого человека".
Когда все эксперименты были завершены, и пришло время построить итоговый график (на бумаге, в то время не было компьютеров), то по горизонтали нанесли длину волны подбираемого цвета, а по вертикали - яркость прожектора основного цвета (значение с одной крутилки). Для трёх крутилок (трёх основных цветов) получились три графика:
То есть, ещё раз: смешение основных цветов никогда не даст "честный" цвет в том смысле, что из излучения с длинами волн 550 нанометров и 600 нанометров мы никогда не получим излучения с длиной волны 580 нанометров. Но поскольку глаз человека устроен так, что раскладывает цвет на три составляющие, то для него полученная смесь будет самым настоящим "жёлтым", ничем не отличимым от "настоящего" жёлтого. И, таким образом, наука о цвете - это чистой воды "обман зрения", фокусы и "хакерство" на тему "как хакнуть цветовосприятие человеческого глаза".
Внимательный читатель заметит: как это так, почему яркость красного цвета в левой половине графика уходит ниже ноля? Как, мать вашу, вообще яркость может быть отрицательной? Они там что, упоролись? Дело в том, что в ходе опытов выяснилось, что цвета от 450 нанометров до 550 нанометров невозможно было получить простым смешением трёх основных цветов, поэтому исследователи нашли гениальный выход: они повесили рядом ещё один красный прожектор, приделали к нему точно такую же крутилку, и разрешили добавлять свет от этого второго красного прожектора к подбираемому (чистому) цвету; получилось, что если мы добавляем красный к подбираемому чистому цвету, то это математически эквивалентно вычитанию красного из подобранной комбинации трёх основных цветов. Такой вот очень хитрый трюк, простой и гениальный, который позволил довести эту научную работу до победного конца (которым и стали три этих графика).
Эти графики (которые являются, фактически, тремя основными цветами), как водится, назвали: красный - это "x", зелёный - это "y", синий - это "z". Точнее, назвали бы именно эти три графика, если бы не одно но. Жили тогда в эпоху без компьютеров, и считали всё на бумаге, без калькулятора. Это было очень скурпулёзным и муторным занятием, и вероятность ошибки тоже присутствовала. Поэтому, чтобы облегчить себе жизнь, "комитет по свету и цвету" назвал буквами x, y, z не именно эти три графика (не именно эти три основных цвета), а три других графика (три других основных цвета), которые решили получить их этих трёх математическим преобразованием. Новые три графика (новые три основных цвета) должны были быть всегда неотрицательными на всей области длин волн (чтобы проще было считать). Раз уж решили подбирать для удобства, то решили сделать ещё и так, чтобы зелёный график "y" (зелёный основной цвет) всегда равнялся "яркости" подбираемого чистого цвета данной длины волны (человеческий глаз получает яркость большей частью из зелёных колбочек), и ещё чтобы синий график "z" (синий основной цвет), по возможности, оставался таким же, какой он есть. Вооружившись этими тремя требованиями, совет инженеров подобрал нужное линейное преобразование (фактически, матрицу), которое переводило три графика, полученных из опыта, в три новых графика, которым суждено было в 1931-ом году стать первыми международными стандартными "основными цветами", и их и назвали x, y и z:
Чтобы удобнее было представлять такое цветовое пространство на бумаге, решили его преобразовать в другое цветовое пространство - "CIE xyY". Ось Y - это яркость, поэтому все цвета для данной яркости можно увидеть на двумерном срезе, в котором координаты - это "x" и "y", полученные из XYZ таким преобразованием:
Та точка, цвет которой мы принимаем за эталон "белого", называется "точкой белого" данного цветового пространства. Пространство CIE XYZ - это полное пространство, включающее в себя все возможные цвета. Реальные же устройства не способны воспроизвести все цвета вообще, и воспроизводят только какое-то подмножество. Треугольник на рисунке выше - это "пространство sRGB с точкой белого 6500 Кельвинов". sRGB - это стандарт для компьютерных мониторов. Это означает, что ваш монитор имеет внутри три вида лампочек: зелёные (не чистый), синие (не чистый) и красные (не чистый). Цвета лампочек не чистые, потому что такова реальность, и излучение их немного размазано. Кстати, по диаграмме выше может показаться, что на зелёной лампочке размазанность просто огромная, и что зелёных цветов в мире больше, однако это просто следствие "нелинейности" цветового ощущения в пространстве CIE xyY. Именно поэтому в 1976-ом году придумали ещё одно пространство - CIE Lab, основной задачей которого было быть более "равномерным" и интуитивным в плане восприятия цветов и их взаимной удалённости на диаграмме:
Мы рассмотрели пространство sRGB, присутствующее во всех бытовых мониторах. А в принтерах, например, используется совсем другое пространство - CMYK. Можно было бы использовать RGB, но тогда для белого цвета пришлось бы тратить тонны краски, в то время как на самом деле белый цвет в принтерах - бесплатный: это цвет бумаги. Для монитора бесплатный - чёрный цвет: когда монитор не включен в розетку, то на экране показывается бесплатный чёрный цвет; на бумаге же, пока на ней ничего не напечатано - бесплатен белый цвет. Белый - это полная противоположность чёрному, поэтому требуется использовать систему с “противоположными” цветами. Такой системой и стала CMYK: Cyan Magenta Yellow blacK (red = magenta + yellow => !red = 1 - red = 1 - magenta - yellow = cyan; green = yellow + cyan => !green = magenta; blue = cyan + magenta => !blue = yellow). Если бы использовались только три цвета - CMY - то для того, чтобы получить чёрный цвет на бумаге, понадобились бы тонны краски (и вряд ли бы вообще было возможным из-за чисто физических ограничений, сколько краски туда ни влей), поэтому сделали проще - к CMY добавили ещё и букву K (black) - чёрную краску - и получили гораздо более экономную печать (очевидно, чёрная краска по своей дешевизне не идёт ни в какое сравнение с голубой, пурпурной и жёлтой).
Вот, для сравнения, цветовые пространства sRGB и CMYK на одной диаграмме:
Наглядно видно, что CMYK кое-где беднее sRGB, и что часть зелёных и синих цветов из CMYK не помещается в sRGB. Это очень не нравилось фотографам, которые просто теряли эту область цветов (небо, растительность), работая за sRGB монитором (рисуя или ретушируя) и после этого распечатывая свои работы на бумаге. Поэтому со временем стало популярным ещё одно цветовое пространство для мониторов: AdobeRGB. Опять же, на диаграмме CIE xyY может показаться, что у AdobeRGB, по сравнению с sRGB, колоссальный прирост в сине-зелёной области, однакое на самом деле прирост не такой колоссальный, если посмотреть в "правильном" цветовом пространстве типа CIE Lab.
Когда было только sRGB, никто не парился: давали по 8 бит (255 значений) на каждый канал цвета, и считали, что 255 красного - это "самый красный". Однако "самый красный" пространства sRGB - это далеко не самый красный в каком-то более широком пространстве; более того, появились ещё и пространства, в которых sRGB не помещался целиком, и в которых, например, не было эквивалента "самого красного" из sRGB. Поэтому, при сохранении изображений в файлах, стали также указывать и цветовое пространство, которому соответствуют все указанные 8-битные значения цветов изображения. В подавляющем большинстве случаев это был, естественно, sRGB. Зато, теперь, если кто-то сохранил фотографию в sRGB, и мы бы затем отправили её на принтер, то программа принтера, будучи умной, увидела бы, что изображение в sRGB, а принтер - в CMYK, и поэтому она бы сначала пересчитала числовые значения всех цветов из sRGB в CMYK, и только потом бы распечатала (правильное изображение).
Такая процедура детектирования цветовых пространств и преобразования из одного в другое называется "Color Management System", и любая современная операционная система имеет её в своём составе. Например, когда вы откалибровали свой монитор в любом из выбранных цветовых охватов, вы подсовываете полученный "цветовой профиль" (он же "ICC-профиль") в формате .icm (его ещё называют LUT: LookUp Table) операционной системе (windows, os x, linux), и она дальше уже автоматически все картинки из sRGB будет "на лету" преобразовывать в реальные цвета вашего монитора, и будет выводить цвета правильно. Преобразование происходит таким образом: сначала определяется цветовое пространство исходного изображения (допустим, sRGB), затем цифровые 8-битные цвета этого изображения, используя "цветовой профиль" ("ICC-профиль") пространства sRGB, переводятся в "реальные" цвета пространства CIE XYZ, с соответствующими им координатами X, Y и Z, и уже после этого все цвета переводятся из CIE XYZ обратно в "цифровую" 8-битную форму, но теперь уже используя "цветовой профиль" ("ICC-профиль") монитора. Сторонние программы тоже могут пользоваться этой функциональностью, но для этого в них должна быть включена эта функциональность. Поскольку большинство людей не знают ничего кроме sRGB, то большинство программ понятия не имеет о "цветовых профилях", и поэтому на мониторах с "расширенным цветовым охватом" правильно выводить цвета будут только избранные программы типа Adobe и иже с ними, а все остальные программы будут показывать вам пересыщенные красные, зелёные и синие цвета.
Например, у монитора NEC pa242w есть три режима: sRGB, AdobeRGB и Full. С sRGB всё понятно - выставляете этот режим, чтобы видеть всё "как все". Если переключитесь в режим пошире (AdobeRGB или Full), откалибруете монитор колориметром, и подсунете операционной системе новый цветовой профиль, то цвета в обычных программах сразу "съедут": красный станет краснее, зелёный - зеленее, а синий - синее. А во всяких Фотошопах и иже с ними цвета никуда не съедут, потому что эти программы умные и знают о "цветовых профилях". Например, Лайтрум работает в пространстве ProPhoto RGB, и каждый раз перед выводом изображения на монитор он сначала преобразует его согласно ICC-профилю (он же .icm), установленному в операционной системе (без калибровки это будет "стандартный sRGB профиль").
Если вам интересно знать, как работает этот .icm профиль, то всё очень просто. Программа калибровки подаёт на экран некоторый цвет. Скажем, 255 красного. Колориметр получает эту информацию по USB проводу и измеряет цвет на экране в координатах CIE XYZ. Дальше программа подаёт значения 254 красного, 253 красного и так далее... Колориметр всё это измеряет, и видит, что яркость красного изменялась неравномерно. Поэтому он строит "цветовой профиль", в котором написано, что если вы хотите вывести 231 красного, то на самом деле лучше выводите где-то 237 красного, потому что этот цифровой цвет будет больше соответствовать тому реальному цвету, который вы хотите вывести на экран. Такая "коррекция" называется "гамма-коррекцией". Помимо "гамма-коррекции" колориметр ещё умеет производить коррекцию "точки белого". Процедура тоже очень простая: программа выводит на экран белый цвет (а потом - и все остальные цвета тоже), а колориметр смотрит, не желтит ли он, или не краснит ли он, и тому подобное. Если желтит/краснит/ещё-что-то - он пишет в .icm профиль, что перед выводом на экран все цифровые цвета нужно скорректировать: где-то убрать желтизны, где-то - добавить красного, и т.п.. Таким образом, "калибровка" монитора даёт возможность, имея на руках далеко не идеальное устройство вывода цвета, добиться результатов, более приближенных к идеалу.
Помимо стандартной "8-битной" калибровки, осуществляемой операционной системой по .icm профилю при выводе изображения на видеокарту, применяется также "аппаратная калибровка", когда операционная система никаких правок не производит, а правки производятся непосредственно внутри самого монитора (такое есть в профессиональных моделях). Плюсы: обычно цвета в самом мониторе имеют большую битность: например, по 12 битов на цветовой канал (большинство современных камер также записывают в RAW каждый цветовой канал с 12-битной точностью: 2 в степени 12 = 4096 градаций цвета), что даёт внутри самого монитора в 16 раз больше градаций цветов, чем на видеокарте, и если теперь пересчитывать цвета ("производить гамма-коррекцию") не на видеокарте, а внутри монитора, то градиенты гораздо меньше страдают от ошибок округления (то есть, градиент будет гораздо менее "полосатым" и гораздо более непрерывным). На операционной системе также можно получить по 10 битов на цветовой канал (в 4 раза больше цветов, чем при 8 битах), но для этого потребуется купить мощную профессиональную видеокарту, которая это поддерживает (например, серия Nvidia Quadro). Ещё один плюс аппаратной калибровки состоит в том, что монитор не нужно будет перекалибровывать при смене видеокарты (с другой стороны, профессионалам советуют перекалибровать свой монитор каждые две недели). Если калибровка производится не "в монитор", а "в видеокарту" (то есть, обычная калибровка), то монитор придётся перекалибровать при смене видеокарты (хз, почему; видимо, полученный .icm профиль как-то завязан на конкретную модель видеокарты).
Более подробно про калибровку и принцип её работы (а также о том, что такое "гамма", что такое эти "ошибки округления" калибровки, и ещё много разного интересного), вы можете прочитать в очень наглядной статье "Калибровка монитора для фотографии" из "Учебника цветовой фотографии" сайта Cambridge in Colour. Помимо статьи про калибровку, из этого учебника могу также отметить статьи:
Ещё есть интересная статья "Когда использовать Adobe RGB?" фотографа Владимира Медведева.
А если вы хотите полностью разобраться с темой "что такое калибровка монитора, зачем она нужна и как её делать", то можете прочитать хорошую 150-страничную книгу Шадрина и Френкеля "Колориметрическая настройка мониторов. Теория и практика".
Когда было только sRGB, никто не парился: давали по 8 бит (255 значений) на каждый канал цвета, и считали, что 255 красного - это "самый красный". Однако "самый красный" пространства sRGB - это далеко не самый красный в каком-то более широком пространстве; более того, появились ещё и пространства, в которых sRGB не помещался целиком, и в которых, например, не было эквивалента "самого красного" из sRGB. Поэтому, при сохранении изображений в файлах, стали также указывать и цветовое пространство, которому соответствуют все указанные 8-битные значения цветов изображения. В подавляющем большинстве случаев это был, естественно, sRGB. Зато, теперь, если кто-то сохранил фотографию в sRGB, и мы бы затем отправили её на принтер, то программа принтера, будучи умной, увидела бы, что изображение в sRGB, а принтер - в CMYK, и поэтому она бы сначала пересчитала числовые значения всех цветов из sRGB в CMYK, и только потом бы распечатала (правильное изображение).
Такая процедура детектирования цветовых пространств и преобразования из одного в другое называется "Color Management System", и любая современная операционная система имеет её в своём составе. Например, когда вы откалибровали свой монитор в любом из выбранных цветовых охватов, вы подсовываете полученный "цветовой профиль" (он же "ICC-профиль") в формате .icm (его ещё называют LUT: LookUp Table) операционной системе (windows, os x, linux), и она дальше уже автоматически все картинки из sRGB будет "на лету" преобразовывать в реальные цвета вашего монитора, и будет выводить цвета правильно. Преобразование происходит таким образом: сначала определяется цветовое пространство исходного изображения (допустим, sRGB), затем цифровые 8-битные цвета этого изображения, используя "цветовой профиль" ("ICC-профиль") пространства sRGB, переводятся в "реальные" цвета пространства CIE XYZ, с соответствующими им координатами X, Y и Z, и уже после этого все цвета переводятся из CIE XYZ обратно в "цифровую" 8-битную форму, но теперь уже используя "цветовой профиль" ("ICC-профиль") монитора. Сторонние программы тоже могут пользоваться этой функциональностью, но для этого в них должна быть включена эта функциональность. Поскольку большинство людей не знают ничего кроме sRGB, то большинство программ понятия не имеет о "цветовых профилях", и поэтому на мониторах с "расширенным цветовым охватом" правильно выводить цвета будут только избранные программы типа Adobe и иже с ними, а все остальные программы будут показывать вам пересыщенные красные, зелёные и синие цвета.
Например, у монитора NEC pa242w есть три режима: sRGB, AdobeRGB и Full. С sRGB всё понятно - выставляете этот режим, чтобы видеть всё "как все". Если переключитесь в режим пошире (AdobeRGB или Full), откалибруете монитор колориметром, и подсунете операционной системе новый цветовой профиль, то цвета в обычных программах сразу "съедут": красный станет краснее, зелёный - зеленее, а синий - синее. А во всяких Фотошопах и иже с ними цвета никуда не съедут, потому что эти программы умные и знают о "цветовых профилях". Например, Лайтрум работает в пространстве ProPhoto RGB, и каждый раз перед выводом изображения на монитор он сначала преобразует его согласно ICC-профилю (он же .icm), установленному в операционной системе (без калибровки это будет "стандартный sRGB профиль").
Если вам интересно знать, как работает этот .icm профиль, то всё очень просто. Программа калибровки подаёт на экран некоторый цвет. Скажем, 255 красного. Колориметр получает эту информацию по USB проводу и измеряет цвет на экране в координатах CIE XYZ. Дальше программа подаёт значения 254 красного, 253 красного и так далее... Колориметр всё это измеряет, и видит, что яркость красного изменялась неравномерно. Поэтому он строит "цветовой профиль", в котором написано, что если вы хотите вывести 231 красного, то на самом деле лучше выводите где-то 237 красного, потому что этот цифровой цвет будет больше соответствовать тому реальному цвету, который вы хотите вывести на экран. Такая "коррекция" называется "гамма-коррекцией". Помимо "гамма-коррекции" колориметр ещё умеет производить коррекцию "точки белого". Процедура тоже очень простая: программа выводит на экран белый цвет (а потом - и все остальные цвета тоже), а колориметр смотрит, не желтит ли он, или не краснит ли он, и тому подобное. Если желтит/краснит/ещё-что-то - он пишет в .icm профиль, что перед выводом на экран все цифровые цвета нужно скорректировать: где-то убрать желтизны, где-то - добавить красного, и т.п.. Таким образом, "калибровка" монитора даёт возможность, имея на руках далеко не идеальное устройство вывода цвета, добиться результатов, более приближенных к идеалу.
Помимо стандартной "8-битной" калибровки, осуществляемой операционной системой по .icm профилю при выводе изображения на видеокарту, применяется также "аппаратная калибровка", когда операционная система никаких правок не производит, а правки производятся непосредственно внутри самого монитора (такое есть в профессиональных моделях). Плюсы: обычно цвета в самом мониторе имеют большую битность: например, по 12 битов на цветовой канал (большинство современных камер также записывают в RAW каждый цветовой канал с 12-битной точностью: 2 в степени 12 = 4096 градаций цвета), что даёт внутри самого монитора в 16 раз больше градаций цветов, чем на видеокарте, и если теперь пересчитывать цвета ("производить гамма-коррекцию") не на видеокарте, а внутри монитора, то градиенты гораздо меньше страдают от ошибок округления (то есть, градиент будет гораздо менее "полосатым" и гораздо более непрерывным). На операционной системе также можно получить по 10 битов на цветовой канал (в 4 раза больше цветов, чем при 8 битах), но для этого потребуется купить мощную профессиональную видеокарту, которая это поддерживает (например, серия Nvidia Quadro). Ещё один плюс аппаратной калибровки состоит в том, что монитор не нужно будет перекалибровывать при смене видеокарты (с другой стороны, профессионалам советуют перекалибровать свой монитор каждые две недели). Если калибровка производится не "в монитор", а "в видеокарту" (то есть, обычная калибровка), то монитор придётся перекалибровать при смене видеокарты (хз, почему; видимо, полученный .icm профиль как-то завязан на конкретную модель видеокарты).
Более подробно про калибровку и принцип её работы (а также о том, что такое "гамма", что такое эти "ошибки округления" калибровки, и ещё много разного интересного), вы можете прочитать в очень наглядной статье "Калибровка монитора для фотографии" из "Учебника цветовой фотографии" сайта Cambridge in Colour. Помимо статьи про калибровку, из этого учебника могу также отметить статьи:
Ещё есть интересная статья "Когда использовать Adobe RGB?" фотографа Владимира Медведева.
А если вы хотите полностью разобраться с темой "что такое калибровка монитора, зачем она нужна и как её делать", то можете прочитать хорошую 150-страничную книгу Шадрина и Френкеля "Колориметрическая настройка мониторов. Теория и практика".
Комментариев нет:
Отправить комментарий