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.

В главе 1 понятие цвета объяснялось с точки зрения его восприятия человеком в результате человеческой реакции на свет разных длин волн. 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 главе 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.

В предыдущей главе пояснялось, 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. (черный — BLACK; см. врезку "О происхождении обозначения CMYK"), как это принято в печати и некоторых настольных принтерах.

К сожалению, подобные математические модели цвета довольно неоднозначны. Содержимое файла RGB 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.

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.

О происхождении обозначения CMYK

Почему применяется обозначение CMYK, а не CMY? Теоретически, чисто голубой краситель полностью поглощает красный цвет, а чисто пурпурный и желтый — зеленый и синий свет соответственно. Сочетание идеально чистого голубого, пурпурного и желтого красителей поглощает весь свет, который воспринимается человеком как черный цвет (если его вообще можно видеть, поскольку единственными идеально черными объектами во вселенной являются черные дыры, которые непосредственно не видны). Если же один или более красителей не являются идеально чистыми, некоторое количество света отражается, а не поглощается ими. Именно поэтому во многих трехцветных устройствах, работающих на тонере, черный цвет имеет зеленоватый оттенок, а на печатных машинах черный цвет, получаемый путем смешения трех основных красок, имеет грязновато-коричневый оттенок. Объясняется это неидеальностью применяемых красителей. Фотографические красители ближе к идеалу, чем типографские краски и тонеры, однако последние должны удовлетворять, помимо цвета, другим физическим требованиям, включая способность прилипать к бумаге и друг к другу, высыхать в течение приемлемого периода времени, быть светопрочными и доступными по цене. Подобные требования неизбежно сказываются на чистоте цвета. Поэтому для получения более совершенного черного цвета, который способен поглощать максимум света и в то же время должен быть как можно более нейтральным, применяется черная краска. Еще одним веским основанием для применения в печати дополнительной черной краски служит тот факт, что черные объекты (в частности, текст) намного проще печатать в том случае, когда нельзя добиться идеального совмещения голубого, пурпурного и желтого вариантов выводимого на печать документа.

Возникает также вопрос: почему применяется обозначение CMYK, а не CMYB? Существует общепринятое соглашение о том, что буквой "В" (в английском варианте) обозначается синий, а не черный цвет. Операторы печатных машин нередко называют голубой синим, а пурпурный красным, что, безусловно, неверно и не поощряется. Однако подобная практика настолько укоренилась, что тратить время и силы для ее изменения не имеет никакого смысла. Существует несколько версий, объясняющих выбор буквы "К" для обозначения черного цвета, однако самое простое объяснение заключается в обозначении термином "key" основной печатной формы для черной краски, к которой приводятся печатные формы остальных красок. В связи с тем, что черный цвет является самым темным и различимым, его удобно использовать в качестве основного цвета печати. Так или иначе, печать выполняется красками CMYK, а не CMYB.

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.

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 (илл. 2.1).

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 цвет. 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.

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.

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 (см. ниже илл. 2.2, а также врезку "Пиксели, точки и размывание").

Пиксели, точки и размывание

Там, где это возможно, мы не пытаемся педантично придерживаться терминологии, но поскольку на практике попеременно употребляются термины "dpi" (число точек на дюйм) и "ppi" (число пикселей на дюйм), это неизбежно приводит к путанице. Ведь точки и пиксели — это совершенно разные графические элементы со своими свойствами. (Некоторые специалисты даже настаивают на применении термина "spi" (число выборок на дюйм) вместо "dpi" для описания разрешения сканера — это и есть педантизм.)

Пикселями обозначаются изменяющиеся уровни плотности. Один пиксель не может быть только красным, зеленым и синим одновременно, однако в нем не просто присутствует или отсутствует, а имеется в наличии разное количество красного, зеленого и синего. Отсюда и возникает понятие полутона. Примером полутонового устройства служит монитор.

Тем не менее, большинство цифровых устройств вывода, предназначенных для получения твердых копий, не являются полутоновыми. Вместо пикселей в таких устройствах на бумагу наносятся или не наносятся точки краски или тонера, т. е. эти точки присутствуют или отсутствуют на бумаге. Разрешение цифровых принтеров выражается в точках на дюйм, которыми описывается число участков на каждом дюйме, где принтер может напечатать или не напечатать точку. При этом нельзя менять ни плотность краски, ни размер точки. Вместо этого, устройству вывода можно лишь дать команду печатать или не печатать каждую точку. Так, лазерный принтер с разрешением 600 dpi способен напечатать или не напечатать 600 точек на каждом линейном дюйме бумаги, тогда как фотонаборный автомат с разрешением 2400 dpi может сделать то же самое 2400 раз на каждом линейном дюйме. Плотность каждой точки остается неизменной, а управлять можно только месторасположением точек.

Для имитации полутонов на цифровых принтерах точки равного размера и постоянной плотности размещаются путем размывания, т. е. расположения в определенном порядке незаметно для глаза. Еще во времена аналоговой допечаткой подготовки полутоновые оригиналы преобразовывались в растры — определенный вид размывания, при котором точки постоянной плотности размещаются на равном расстоянии друг от друга, а их размер меняется, в результате чего получаются темные и светлые оттенки. Это делалось путем проецирования оригинала на материал печатной формы через цветные фильтры и трафаретную сетку (растр), похожую на проволочную сетку на двери. Отверстия в трафаретной сетке служили в качестве точечных линз, формируя крупные точки на темных участках и мелкие точки на светлых.

Подобного рода размывание до сих пор применяется на большинстве печатных машин, однако для создания цифрового растра на фотонаборном автомате или фотонаборной машине с выводом изображения на формную пластину печатаемые точки этого растра организуются в более крупные группы, называемые растровыми ячейками или пятнами. Для имитации традиционного аналогового растра точки включаются в каждый растровый элемент или исключаются из него. Такой вид размывания называется амплитудно-модулированным (AM) растрированием, формирующим обычный растр.

В результате растрирования полутона изображений, сформированных цифровым путем или сканированием, преобразуются из пикселей в точки для воспроизведения изображения, например, на струйном принтере или на печатной машине. Наиболее известный вид растрирования иногда еще называется упорядоченным размыванием, формирующим обычную растровую точку, помимо упомянутого выше АМ-растрирования. Другой вид растрирования (стохастический, или с рассеиванием ошибок) называется также частотно-модулированным (ЧМ) растрированием.

При АМ-растрировании изменяется размер точек, но не их месторасположение. В итоге, на темных участках наносится больше точек, а на светлых — меньше (или они вообще отсутствуют). Такой вид растрирования типичен для печатных машин, поскольку в его основу положен процесс переноса оригинала на печатные формы через растр.

В связи с тем, что при АМ-растрировании формируется растровая структура, возможны нежелательные артефакты многокрасочной печати вследствие конфликтов, возникающих между растрами отдельных красок. Подобных конфликтов можно избежать благодаря повороту растра каждой краски на так называемый угол наклона растра.

Другой вид размывания с рассеиванием ошибок, или ЧМ-растрирования применяется в большинстве струйных принтеров и редко на печатных машинах. При ЧМ-растрировании изменяется месторасположение точек, но не их размер. При этом на темных участках точки размещаются плотнее, а на светлых — они рассеяны дальше друг от друга. Чем более произвольный характер носит ЧМ-растрирование, тем больше разрешение полутонового изображения, получаемого на струйном принтере. ЧМ-растрирование иногда используется на печатных машинах. Но вследствие того, что незначительные отклонения в режиме работы печатной машины в намного большей степени подчеркиваются при ЧМ-растрировании, чем при АМ-растрировании, применение первого ограничивается, в основном, высококачественными печатными работами в типографиях, накопивших большой опыт работы с ЧМ-растрированием.

Термическая возгонка красителя и фотографические методы вывода на печать относятся к полутоновым, поскольку они позволяют управлять плотностью слоя красителя, благодаря чему отпадает необходимость в использовании точек и в растрировании.

Все это имеет значение для управления цветом, поскольку при управлении цветом по стандарту ICC (см. главу 3) используются только пиксели, но не точки, хотя конечный результат, скорее всего, формируется с помощью точек. Влияние алгоритмов растрирования можно определить путем сравнения их результатов с теми, что получены путем измерения и прогнозирования в системе управления цветом.

Таким образом, алгоритмы растрирования следует учитывать при управлении цветом, который воспроизводится конкретным устройством, поскольку различные алгоритмы растрирования обеспечивают разную передачу отдельных тонов (см. раздел "Характеристики тоновоспроизведения" далее в этой главе).

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.

Из предыдущего раздела можно сделать следующий вывод: 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 (см. раздел "Числовое представление цвета" далее в этой главе).

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. И, 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.

Ниже будут рассмотрены основные параметры, описывающие аналоговые режимы работы устройств воспроизведения цвета. Но сначала необходимо более подробно описать цифровую составляющую цвета — числа.

Новости

25.07.2006

15.07.2006

Реклама

Статьи

Компьютеры и цвет

Другие статьи