Гамма


Подкова, выделенная серым цветом, представляет собой весь диапазон возможных цветностей , отображаемый в формате диаграммы цветности CIE 1931 (см. Ниже). Цветной треугольник — это гамма, доступная цветовому пространству sRGB, обычно используемому в компьютерных мониторах; он не покрывает все пространство. Углы треугольника являются основными цветами этой гаммы; в случае с ЭЛТ они зависят от цвета люминофора монитора. В каждой точке отображается максимально яркий цвет RGB данной цветности, в результате чего яркие полосы полосы Маха соответствуют краям цветового куба RGB .
В цветопередаче и колориметрии гамма вывода или цветовая гамма / ˈ ɡ æ m ə t / — это выпуклый набор , содержащий цвета , которые могут быть точно представлены, т. е. воспроизведены устройством ( например, принтером или дисплеем) или измерены с помощью устройство ввода (например, камера или визуальная система ). Устройства с большей гаммой могут отображать больше цветов. Аналогичным образом, гамма может также относиться к цветам в пределах определенного цветового пространства , которое не связано с конкретным устройством. Трехцветную гамму часто визуализируют как цветовой треугольник . Менее распространенное использование определяет гамму как подмножество цветов, содержащихся в изображении, сцене или видео.
Введение
[ редактировать ]Термин гамма был заимствован из области музыки, где в средние века латинское «гамма» означало весь диапазон музыкальных нот, из которых состоят музыкальные мелодии; Шекспиром Использование этого термина в «Укрощении строптивой» иногда приписывается автору/музыканту Томасу Морли . [1] В 1850-х годах этот термин применялся к ряду цветов или оттенков, например, Томасом де Квинси , который писал: « Я слышал, что порфир имеет такую же широкую гамму оттенков, как и мрамор». [2]
Гамма устройства или процесса — это та часть цветового пространства , которая может быть представлена или воспроизведена. Как правило, цветовая гамма определяется в плоскости оттенок - насыщенность , поскольку система обычно может воспроизводить цвета в широком диапазоне интенсивности в пределах своей цветовой гаммы; для субтрактивной системы цвета (например, используемой в печати ) диапазон интенсивности, доступный в системе, по большей части бессмысленен без учета свойств, специфичных для системы (таких как освещенность чернил ).
Гаммы устройств должны использовать реальные основные цвета (те, которые могут быть представлены физическим распределением спектральной мощности ) и, следовательно, всегда неполные (меньше, чем зрительная гамма человека). Никакая гамма, определяемая конечным числом основных цветов, не может отражать всю зрительную гамму человека. Три основных цвета необходимы для приблизительного представления зрительной гаммы человека. Для увеличения размера гаммы можно использовать больше основных цветов. Например, рисования красными, желтыми и синими пигментами достаточно для моделирования цветового зрения, но добавление дополнительных пигментов (например, оранжевого или зеленого) может увеличить размер гаммы, позволяя воспроизводить более насыщенные цвета.
При обработке цифрового изображения наиболее удобной цветовой моделью является модель RGB. принтера Для печати изображения необходимо преобразовать его из исходной цветовой модели RGB в цветовую модель CMYK . Во время этого процесса цвета модели RGB, выходящие за пределы гаммы, должны быть каким-то образом преобразованы в приблизительные значения в модели CMYK. Простая обрезка только цветов, выходящих за пределы гаммы, до ближайших цветов в целевом пространстве приведет к сгоранию изображения. Существует несколько алгоритмов, приближающих это преобразование, но ни один из них не может быть по-настоящему совершенным, поскольку эти цвета просто выходят за рамки возможностей целевого устройства. Вот почему выявление цветов изображения, выходящих за пределы гаммы целевого цветового пространства, как можно скорее во время обработки имеет решающее значение для качества конечного продукта. Также важно помнить, что внутри гаммы CMYK есть цвета, находящиеся за пределами наиболее часто используемых цветовых пространств RGB, таких как sRGB и Adobe RGB .
Управление цветом
[ редактировать ]Управление цветом — это процесс обеспечения единообразия и точности цветов на устройствах с разными гаммами. Управление цветом управляет преобразованиями между цветовыми гаммами и каноническими цветовыми пространствами, чтобы гарантировать одинаковое представление цветов на разных устройствах. Гамма устройства определяется цветовым профилем, обычно профилем ICC , который соотносит гамму со стандартизированным цветовым пространством и позволяет калибровать устройство. При преобразовании из одной гаммы в меньшую гамму информация теряется, поскольку цвета, выходящие за пределы гаммы , проецируются на меньшую гамму, а преобразование обратно в большую гамму не восстанавливает эту потерянную информацию.
Колориметрия
[ редактировать ]Колориметрия — это измерение цвета, обычно имитирующее восприятие цвета человеком . [3] Устройства ввода, такие как цифровые камеры или сканеры, созданы для имитации трехцветного восприятия цвета человека и основаны на трех сенсорных элементах с разной спектральной чувствительностью, идеально приблизительно согласованных со спектральной чувствительностью человека фотопсинов . В этом смысле их гамма аналогична зрительной системе человека. Однако большинство этих устройств нарушают условие Лютера и не предназначены для истинно колориметрических измерений, за исключением трехцветных колориметров . Устройства ввода более высокого измерения, такие как мультиспектральные формирователи изображений , гиперспектральные формирователи изображений или спектрометры , захватывают цвет в гораздо большей гамме по измерениям, чем зрительная гамма человека. Чтобы люди могли воспринимать изображения, их сначала необходимо уменьшить и обработать ложными цветами .
Визуальный охват
[ редактировать ]Степень цвета, которую может обнаружить средний человек, приближенная к стандартному наблюдателю , представляет собой зрительную гамму человека . Визуальная гамма обычно визуализируется на диаграмме цветности CIE 1931 года , где спектральный локус (изогнутый край) представляет монохроматические (одноволновые) или спектральные цвета . Поскольку устройство, которое вы используете для просмотра диаграммы, имеет меньшую гамму, чем визуальная гамма, цвета, выходящие за пределы гаммы, воспроизводятся как цвета внутри гаммы дисплея. Гаммы устройств обычно изображаются относительно визуальной гаммы. Стандартный наблюдатель представляет собой типичного человека, но дальтонизм приводит к уменьшению зрительной гаммы.
Цветопередача
[ редактировать ]Визуализация гамм
[ редактировать ]![]() | Гаммы обычно представляются как области на диаграмме цветности CIE 1931 года . При этом игнорируется измерение интенсивности/яркости гаммы, которое не показано. Гаммы, определяемые тремя основными цветами, визуализируются как цветовые треугольники . |
Гаммы также могут быть представлены в трехмерном пространстве в виде сплошного цвета , что включает в себя визуализацию динамического диапазона устройства. | |
На изображениях показаны гаммы цветового пространства RGB (слева), например, на компьютерных мониторах, и отражающих цветов в природе (справа). Конус, нарисованный серым цветом, примерно соответствует диаграмме цветности CIE с добавленным измерением яркости. Оси на этих диаграммах представляют собой реакции коротковолновых ( S ), средневолновых ( M ) и длинноволновых ( L ) колбочек в человеческом глазу . Остальные буквы обозначают черный ( Blk ), красный ( R ), зеленый ( G ), синий ( B ), голубой ( C ), пурпурный ( M ), желтый ( Y ) и белый цвета ( W ). (Примечание: эти изображения не в точном масштабе.) На правой диаграмме показано, что форма гаммы RGB представляет собой треугольник между красным, зеленым и синим при более низкой яркости; треугольник между голубым, пурпурным и желтым при более высокой яркости и одна белая точка при максимальной яркости. Точное положение вершин зависит от спектров излучения люминофоров монитора компьютера и от соотношения максимальных светимостей трех люминофоров (т. е. цветового баланса). Цветовой охват цветового пространства CMYK в идеале примерно такой же, как у RGB, с немного разными вершинами, в зависимости как от точных свойств красителей, так и от источника света. На практике из-за того, как цвета растровой печати взаимодействуют друг с другом и с бумагой, а также из-за их неидеальных спектров поглощения, цветовая гамма меньше и имеет закругленные углы. |
Гамма светоотражающих цветов в природе имеет аналогичную, хотя и более округлую форму. Объект, отражающий только узкий диапазон длин волн, будет иметь цвет, близкий к краю диаграммы CIE, но при этом будет иметь очень низкую светимость. При более высокой яркости доступная область на диаграмме CIE становится все меньше и меньше, вплоть до одной точки белого цвета, где все длины волн отражаются ровно на 100 процентов; точные координаты белого определяются цветом источника света.
Ограничения представления цвета
[ редактировать ]Поверхности
[ редактировать ]

В начале 20-го века промышленный спрос на контролируемый способ описания цветов и новую возможность измерения спектров света положил начало интенсивным исследованиям математического описания цветов.
Идею оптимальных цветов ввел балтийский немецкий химик Вильгельм Оствальд . Эрвин Шредингер показал в своей статье 1919 года Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft (Теория пигментов с наивысшей светимостью). [4] что наиболее насыщенные цвета, которые могут быть созданы с заданной общей отражательной способностью, генерируются поверхностями, имеющими либо нулевую, либо полную отражательную способность на любой заданной длине волны, а спектр отражательной способности должен иметь не более двух переходов между нулевым и полным.
Таким образом, возможны два типа спектра «оптимального цвета»: либо переход идет от нуля на обоих концах спектра к единице в середине, как показано на изображении справа, либо он идет от единицы на концах к нулю на середина. Первый тип создает цвета, которые похожи на спектральные цвета и примерно соответствуют подковообразной части диаграммы цветности CIE xy , но, как правило, менее насыщены. Второй тип создает цвета, которые похожи (но, как правило, менее насыщены) на цвета прямой линии на диаграмме цветности CIE xy, что приводит к пурпурным цветам.
Работу Шредингера продолжили Дэвид МакАдам и Зигфрид Рёш . [5] МакАдам был первым, кто рассчитал точные координаты выбранных точек на границе оптимального цветового тела в цветовом пространстве CIE 1931 года для уровней яркости от Y = 10 до 95 с шагом 10 единиц. Это позволило ему нарисовать оптимальное цветное тело с приемлемой степенью точности. Благодаря его достижениям граница оптимального цветного тела получила название предела МакАдама (1935).
В 1980 году Майкл Р. Пойнтер опубликовал максимальную гамму для реальных поверхностей с диффузным отражением, используя 4089 образцов (поверхности с зеркальным отражением («глянцевые») могут выходить за пределы этой гаммы). [6] Первоначально называемые «Цветовым каскадом Манселла», пределы чаще называют гаммой Пойнтера в честь его работы. Эта гамма остается важной в качестве эталона для цветопередачи. [7] были обновлены новыми методами в ISO 12640-3, Приложение B. [8]
На современных компьютерах можно с большой точностью рассчитать оптимальное цветовое тело за считанные секунды. Предел Мак-Адама, на котором находятся наиболее насыщенные (или «оптимальные») цвета, показывает, что цвета, близкие к монохроматическим, могут быть достигнуты только при очень низких уровнях яркости, за исключением желтого, потому что смесь длин волн от длинных прямых -линейная часть спектрального локуса между зеленым и красным будет объединяться, чтобы создать цвет, очень близкий к монохроматическому желтому.
Источники света
[ редактировать ]Источники света, используемые в качестве основного в аддитивной системе цветопередачи, должны быть яркими, поэтому они, как правило, не близки к монохроматическим. То есть цветовую гамму большинства источников света с переменным цветом можно понять как результат трудностей с получением чистого монохроматического (одной длины волны ) света. Лучшим технологическим источником монохроматического света является лазер , который может быть довольно дорогим и непрактичным для многих систем. Однако по мере развития оптоэлектронной технологии диодные лазеры с одной продольной модой становятся менее дорогими, и многие приложения уже могут получить от этого выгоду; такие как рамановская спектроскопия, голография, биомедицинские исследования, флуоресценция, репрография, интерферометрия, проверка полупроводников, дистанционное обнаружение, хранение оптических данных, запись изображений, спектральный анализ, печать, двухточечная связь в свободном пространстве и оптоволоконная связь. [9] [10] [11] [12]
Системы, использующие аддитивные цветовые процессы, обычно имеют цветовую гамму, которая представляет собой примерно выпуклый многоугольник в плоскости оттенка-насыщенности. Вершины многоугольника имеют самые насыщенные цвета, которые может создать система. В субтрактивных системах цветности цветовой охват чаще представляет собой нерегулярную область.
Сравнение различных систем
[ редактировать ]Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( Апрель 2007 г. ) |

Ниже приводится список репрезентативных цветовых систем, более или менее упорядоченных от большой к маленькой цветовой гамме:
- Лазерный видеопроектор использует три лазера для создания самой широкой гаммы, доступной сегодня в практическом оборудовании для отображения, что обусловлено тем фактом, что лазеры создают действительно монохроматические основные цвета. Системы работают либо путем сканирования всего изображения по точкам и модуляции лазера непосредственно на высокой частоте, подобно электронным лучам в ЭЛТ , либо путем оптического расширения, а затем модуляции лазера и сканирования строки за раз. Сама линия модулируется почти так же, как в DLP- проекторе. Лазеры также можно использовать в качестве источника света для DLP-проектора. Для увеличения диапазона цветовой гаммы можно объединить более трех лазеров — метод, который иногда используется в голографии . [13]
- цифровой обработки света Технология или DLP является зарегистрированной торговой маркой компании Texas Instruments. Чип DLP содержит прямоугольную решетку, содержащую до 2 миллионов микроскопических зеркал, закрепленных на шарнирах. Каждое из микрозеркал имеет ширину менее одной пятой человеческого волоса. Микрозеркало DLP-чипа наклоняется либо к источнику света в проекционной системе DLP (ВКЛ), либо от него (ВЫКЛ). Это создает светлый или темный пиксель на поверхности проекции. [14] Современные DLP-проекторы используют быстро вращающееся колесо с прозрачными цветными «кусочками пирога» для последовательного представления каждого цветового кадра. Одно вращение показывает полное изображение.
- Фотопленка может воспроизводить более широкую цветовую гамму, чем обычные телевизионные, компьютерные или домашние видеосистемы . [15]
- ЭЛТ и аналогичные видеодисплеи имеют примерно треугольную цветовую гамму, которая покрывает значительную часть видимого цветового пространства. В ЭЛТ ограничения связаны с люминофорами в экране, которые излучают красный, зеленый и синий свет.
- Экраны жидкокристаллических дисплеев (ЖК-дисплеев) фильтруют свет, излучаемый подсветкой . Таким образом, цветовой охват ЖК-экрана ограничен спектром излучаемой подсветки. В типичных ЖК-экранах для подсветки используются люминесцентные лампы с холодным катодом ( CCFL ). ЖК-экраны с определенными светодиодными или CCFL-подсветками с широкой гаммой обеспечивают более полную гамму, чем ЭЛТ. Однако некоторые ЖК-технологии меняют цвет в зависимости от угла обзора. с переключением плоскостей или Экраны вертикального выравнивания с узором имеют более широкий диапазон цветов, чем Twisted Nematic .
- В телевидении обычно используются ЭЛТ, ЖК-дисплеи, светодиодные или плазменные дисплеи , но они не в полной мере используют свойства цветного дисплея из-за ограничений вещания . Общий цветовой профиль для телевидения основан на стандарте ITU Rec. 601 . HDTV имеет менее строгие ограничения и использует немного улучшенный цветовой профиль на основе стандарта ITU Rec. 709 . Все же несколько меньше, чем, например, у компьютерных дисплеев, использующих ту же технологию отображения. Это связано с использованием ограниченного подмножества RGB в телевещании (значения от 16 до 235) по сравнению с полным RGB в компьютерных дисплеях, где используются все биты от 0 до 255.
- Смешивание красок , как художественных, так и коммерческих, позволяет получить достаточно большую цветовую гамму, начиная с большей палитры, чем красный, зеленый и синий в ЭЛТ или голубой, пурпурный и желтый в печати. Краска может воспроизводить некоторые очень насыщенные цвета, которые не могут быть хорошо воспроизведены ЭЛТ (особенно фиолетовый), но в целом цветовая гамма меньше. [ нужна ссылка ]
- При печати обычно используется цветовое пространство CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный). Очень немногие процессы печати не включают черный цвет; однако эти процессы (за исключением принтеров с сублимационной печатью ) плохо воспроизводят цвета с низкой насыщенностью и интенсивностью. Были предприняты попытки расширить гамму печатного процесса за счет добавления чернил неосновных цветов; обычно это оранжевый и зеленый цвета (см. «Гексахром» ) или светло-голубой и светло-пурпурный (см. цветовую модель CcMmYK ). Иногда также используются плашечные чернила очень специфического цвета.
- Цветовой охват монохромного дисплея представляет собой одномерную кривую в цветовом пространстве. [16]
Широкая цветовая гамма
[ редактировать ]Форум Ultra HD определяет широкую цветовую гамму (WCG) как цветовую гамму, более широкую, чем у BT.709 ( Рекомендация 709 ). [17] Цветовые пространства с WCG включают:
- Рек. 2020 – Рекомендация МСЭ-R для UHDTV [18]
- Рек. 2100 – Рекомендация ITU-R для HDR -TV (такая же цветность и основных цветов точка белого , что и в Рекомендации 2020 ) [19]
- DCI-P3
- Цветовое пространство Adobe RGB
- DxO Широкая гамма
Печать с расширенной гаммой
[ редактировать ]Цветовая гамма печати, достигаемая при использовании голубых, пурпурных, желтых и черных чернил, иногда является ограничением, например, при печати цветов корпоративных логотипов. Поэтому в некоторых методах цветной печати используются дополнительные цвета чернил для достижения большей гаммы. Например, некоторые используют зеленые, оранжевые и фиолетовые чернила, чтобы увеличить достижимую насыщенность близких к ним оттенков. Эти методы по-разному называются семицветной печатью, печатью с расширенной гаммой, 7-цветной печатью и т. д. [20] [21]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Лонг, Джон Х. (1950). «Шекспир и Томас Морли». Заметки о современном языке . 65 (1): 17–22. дои : 10.2307/2909321 . JSTOR 2909321 .
- ^ де Куинси, Томас (1854). Работы Де Квинси . Джеймс Р. Осгуд. п. 36 .
гамма оттенков 0-1856.
- ^ Оно, Йоши (16 октября 2000 г.). Основы CIE для измерения цвета (PDF) . IS&T NIP16 Международный. Конф. по технологиям цифровой печати. стр. 540–45. Архивировано из оригинала (PDF) 15 мая 2009 года . Проверено 18 июня 2009 г.
- ^ Шрёдингер, Эрвин (1919). «Теория пигментов наибольшей светимости» . Анналы физики . 367 (15): 603–622. Бибкод : 1920АнП...367..603С . дои : 10.1002/andp.19203671504 .
- ^ Ли, Сянь-Че (2005). «18.7: Теоретическая цветовая гамма» . Введение в науку о цветных изображениях . Издательство Кембриджского университета . п. 468. ИСБН 1-139-44455-7 . Проверено 22 сентября 2022 г.
- ^ Чарльз Пойнтон (2010). «Захват изображения в широком диапазоне» . Общество визуализации, науки и технологий. п. 472.
- ^ Тацухико Мацумото; Ёсихидэ Симпуку; Такехиро Накацуэ; Шуичи Хага; Хироаки Это; Ёсиюки Акияма и Наоя Като (2006). 19.2: xvYCC: новый стандарт для видеосистем, использующих цветовое пространство YCC с расширенной гаммой . МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ SID. Общество отображения информации. стр. 1130–1133. дои : 10.1889/1.2433175 .
- ^ Холм, Дж; Тасти, я; Джонсон, Т. «Определение и использование эталонной цветовой гаммы ISO 12640-3» . стр. 62–8.
- ^ «Одночастотный лазер – лазер с одной продольной модой» . Проверено 26 февраля 2013 г.
- ^ «JDSU – Диодный лазер, 810, 830 или 852 нм, 50–200 мВт, одномодовый (серия 54xx)» . Архивировано из оригинала 25 марта 2014 года . Проверено 26 февраля 2013 г.
- ^ «Технологии Laserglow – портативные лазеры, юстировочные лазеры и лабораторные / OEM-лазеры» . Архивировано из оригинала 23 января 2013 года . Проверено 26 февраля 2013 г.
- ^ «Характеристики лазерных диодов» . Проверено 26 февраля 2013 г.
- ^ Бьелхаген, Ганс И.; Мирлис, Евангелос (2008). «Цветная голография для создания высокореалистичных трехмерных изображений» . Прикладная оптика . 47 (4): А123-33. Бибкод : 2008ApOpt..47A.123B . дои : 10.1364/AO.47.00A123 . ПМИД 18239694 .
- ^ «DLP-технологии» . Проверено 14 февраля 2010 г.
- ^ «Киногамма, яблоки и апельсины» . Архивировано из оригинала 17 сентября 2008 года . Проверено 26 апреля 2007 г.
- ^ Велью, Луис; Фрери, Алехандро К.; Гомеш, Йонас (29 апреля 2009 г.). Обработка изображений для компьютерной графики и зрения . Springer Science & Business Media. ISBN 978-1-84800-193-0 .
- ^ Форум Ultra HD (19 октября 2020 г.). «Правила форума Ultra HD v2.4» (PDF) . Архивировано (PDF) из оригинала 20 ноября 2021 года . Проверено 11 февраля 2021 г.
- ^ «BT.2020: Значения параметров для систем телевидения сверхвысокой четкости для производства и международного обмена программами» . www.itu.int . Проверено 11 февраля 2021 г.
- ^ «BT.2100: Значения параметров изображения для телевидения с расширенным динамическим диапазоном для использования в производстве и международном обмене программами» . www.itu.int . Проверено 11 февраля 2021 г.
- ^ Остромоухов, Виктор (1993). «Улучшение цветовой гаммы за счет гептатоновой многоцветной печати». Независимая от устройства цветная визуализация и интеграция систем обработки изображений . Том. 1909. ШПИ. стр. 139–151). ISBN 0-8194-1142-6 . Проверено 23 июня 2021 г.
- ^ «Точная печать фирменных цветов с помощью фиксированного набора чернил» .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Использование диаграммы цветности для оценки цветовой гаммы Брюса Линдблума.
- Книга «Сопоставление цветовой гаммы» Яна Моровича.
- Количественная оценка цветовой гаммы Уильяма Д. Каппеле
- CS 178 Стэнфордского университета, Интерактивная Flash-демонстрация объясняющая отображение цветовой гаммы.
- Широкая цветовая гамма от Уджвала Бхардваджа.