1.7.4. Ощущение и модели цвета

Цвет – это представление человека о видимой части спектра электромагнитного излучения. Основой любого цвета является световая волна. Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны или частотой колебаний. При этом цвет возникает лишь при восприятии световой волны человеческим глазом, а различные цвета – в результате количественных различий светочувствительности [51].

Используя цвет как прием, дизайнер получает огромные возможности для воплощения своих идей. Однако важно понять, что цвет не всегда является только средством композиции, но и зачастую ее смыслом. Факт воздействия цвета на человека, на его здоровье, психоэмоциональное состояние, на его сознание давно подмечен специалистами. Цветовая информация воспринимается не только зрением, а с участием всех чувств, включая осязание, обоняние, вкус, слух, что вызывает цветомузыкальные, вкусовые, обонятельные и другие ассоциации. Огромную роль в восприятии цветовой информации играет символика цвета, где особенно важны культурные, интеллектуальные и другие аспекты и традиции [51].

Как известно, принципы формирования цветного изображения основаны на таких особенностях цветового зрения человека, как трехкомпонентность и способность к пространственному смешению (усреднению) цветов мелких деталей изображения, угловой размер которых сопоставим с разрешающей способностью глаза. Известно, что разрешающая способность глаза для цветного изображения значительно ниже, чем при восприятии черно-белого. Последнее свойство положено в основу цветного телевидения, а также различных методов сжатия цифровых изображений [49].

Число различимых человеческим глазом цветов и их оттенков очень велико и зависит от многих факторов (условия наблюдения, тренированность наблюдателя и др.). Если число цветов невелико (до 16 - это 3 основных цвета красный, зеленый и синий и неосновные цвета, получаемые при смешении основных), то употребляют термин «цвет». Если же число цветов составляет сотни, тысячи и миллионы, то правильнее говорить об оттенках цветов. Иногда вместо словосочетания «число цветов (оттенков)» употребляют термин «палитра» и словосочетание «размер палитры» [51].

Наш глаз в целом способен различать, по разным оценкам 7-10 млн различных оттенков цветов, различающихся по тем параметрам – светлоте, цветовому тону и насыщенности. Однако число оттенков цветов, различаемых одновременно, гораздо меньше: от 100 до нескольких тысяч.

Важнейшей характеристикой видеосистемы является число воспроизводимых оттенков цветов (размер палитры). Человеческий глаз способен различать около 240 000 оттенков цветов, поэтому для получения реалистичного изображения видеосистема ПК должна не только обеспечить такую же палитру, но и иметь некоторый запас дополнительных цветов для сглаживания переходов между основными. Поскольку размер палитры аналогового монитора практически неограничен, задачу обеспечения необходимой цветности изображения решает видеоадаптер. Число воспроизводимых оттенков цветов определяется объемом его видеопамяти.

В основу цветообразования могут быть положены различные подходы, теории и модели.

Главную роль играет трехкомпонентная теория цветового зрения М.В. Ломоносова, Т. Юнга и Г. Гельмгольца. В соответствии с этой теорией все множество в 16 миллионов воспринимаемых человеческим глазом цветов и цветовых оттенков сводится к комбинациям трех основных (базисных) цветов: красного (Red, R), зеленого (Green, G) и синего (Blue, B). Глаз воспринимает только результирующее (аддитивное) изображение почти во всем богатстве цветов реального мира. На основе этой теории построена так называемая аддитивная RGB-модель цветообразования. Ее цвета называются первичными, поскольку путем сложения соответствующего их количества можно получить любой цвет от черного (при отсутствии всех трех базисных цветов) до белого (когда все три базисных цвета имеют 100%-ную насыщенность). Эта палитра используется, когда для формирования цвета применяются излучающие свет приборы или материалы.

В цветном телевидении достаточно использовать по 8 битов на каждый из трех цветов RGB-модели, что дает в сумме 24 бита на пиксел (и возможность обозначить как раз около 16 миллионов цветов и цветовых оттенков) [50].

Восприятие человеческого глаза моделирует и популярная цветовая модель Lab, в которой цвет описывается координатой в трехмерном пространстве, вертикальная ось которого L (Light – яркость) определяет яркость (в диапазоне значений 0-100), а угловые координаты на цветовом круге задают две цветовые характеристики: a – диапазон от красного до зеленого; b – диапазон от желтого до синего (рис.1.42) [50].

С яркостью и цветовым кругом цветовой модели Lab связаны следующие важные величины:

• цветовой тон – оттенок, который меняется при перемещении по дуге окружности;

• насыщенность – степень выраженности цвета. При приближении насыщенности к нулю любой цвет превращается в один из оттенков серого. Степень близости этого серого к белому или черному зависит от уровня яркости (ось яркости перпендикулярна плоскости цветового круга).

Рис.1.42. Цветовая модель Lab

Теория оппонентных цветов Э. Геринга основывается на существовании четырех основных цветов: красного, зеленого, желтого и синего, остающихся неизменными по цветовому тону при различных стимульных условиях и субъективно выделяемых большинством людей в качестве главных элементов цветовой гаммы. Эти цвета попарно связаны с помощью двух антагонистических механизмов: зелено-красного и желто-синего (из этой теории следует, что последних двух сочетаний цветов быть не может).

Зонная теория Крисса объединяет две рассмотренные теории. Она показывает, что трехкомпонентная теория работает на уровне рецепторов, а теория оппонентных цветов – на уровне нейронных систем более высоко уровня зрительной системы человека.

В популярной субтрактивной модели CMYK основными являются цвета голубой (Cyan, C), пурпурный (Magneta, M) и желтый (Yellow, Y,), черный цвет является ключевым (black, K), а световые потоки вычитаются, генерируя более темные цвета (в пределе – черный) [51].

Роль яркости. Человеческий глаз, кроме светочувствительных элементов, активных при высокой освещенности и воспринимающих базисные (опорные) цвета, имеет элементы, активные даже в почти полной темноте и фиксирующие только освещенность объекта. В итоге яркость (интенсивность) объекта оказывается гораздо важнее для восприятия, чем его цветовые характеристики.

Кроме того, имеет значение объем передаваемой информации: чем меньше объем, тем дешевле и проще передающие системы. Кодировать цвет оказалось удобнее, исходя из того, что глаз менее чувствителен к изменениям оттенков цвета, чем к изменениям его яркости. Полная и детальная информация о яркости даже при скудной информации о цветности позволяет получить изображение вполне приемлемого качества. Поэтому информация о цвете может передаваться с меньшим разрешением (пространственной четкостью). Для разделения сигналов яркости и цветности на принимающей стороне используются специальные фильтры.

Сигнал яркости в цветном телевидении должен полностью совпадать с сигналом, воспринимаемым черно-белыми TV-приемниками.

Далее рассмотрим некоторые методы сжатия видеоинформации.