Почему мы используем RGB вместо длин волн для представления цветов?

Я думаю, что в предыдущих ответах есть некоторые неправильные представления, так что вот что я считаю правдой. Ссылка: Нобору Охта и Алан Р. Робертсон, Колориметрия: основы и приложения (2005).

Источник света не обязательно должен иметь одну частоту. Отраженный свет, который составляет большую часть того, что мы видим в мире, не обязательно должен иметь одну частоту. Вместо этого он имеет энергетический спектр, т. е. его энергетическое содержание как функцию частоты. Спектр можно измерить приборами, называемыми спектрофотометрами.

Как было обнаружено в девятнадцатом веке, люди видят много разных спектров, имеющих один и тот же цвет. Проводятся эксперименты, в которых с помощью ламп и фильтров генерируется свет двух разных спектров, и людей спрашивают, одного ли это цвета? С помощью таких экспериментов проверяется, что люди видят не спектр, а только его интегралы с определенными весовыми функциями.

Цифровые камеры фиксируют реакцию на свет наборов фотодиодов, покрытых различными фильтрами, а не более полный спектр, который можно увидеть с помощью спектрофотометра. Используются три или четыре различных типа фильтров. Результат сохраняется в необработанном файле, выводимом камерой, хотя многие люди подозревают, что необработанные файлы в большей или меньшей степени «обрабатываются» производителями камер (сенсоры камеры, конечно, в высшей степени проприетарны). Физиологические реакции можно аппроксимировать, применив матричное преобразование к необработанным данным.

Для удобства, вместо использования приближений к физиологическим реакциям, для обозначения цветов используются другие типы троек чисел, например Lab, описанные в https://en.wikipedia.org/wiki/Lab_color_space (но обратите внимание на предупреждение на странице). Нужно отличать триплеты, которые могут выражать весь спектр предполагаемых физиологических реакций, от других троек, таких как RGB, которые не могут. Последние используются, потому что они выражают цвета, которые могут отображать экраны компьютеров. Они являются результатом преобразования из троек, таких как Lab, или из необработанных данных. CMYK для принтеров.

Цель инженера по обработке изображений всегда состояла в том, чтобы запечатлеть с помощью камеры точное изображение внешнего мира и представить это изображение таким образом, чтобы наблюдатель увидел реалистичную картину. Эта цель никогда не была достигнута. На самом деле лучшие изображения, сделанные сегодня, хрупки. Если бы эта цель была достигнута, вам понадобились бы солнцезащитные очки, чтобы с комфортом просматривать изображение залитого солнцем вида.

Вы спрашиваете, почему камеры не фиксируют весь диапазон лучистой энергии, создающий визуальную реакцию человека. Почему современная камера фиксирует только три узких сегмента, которые мы называем основными цветами света: красный, зеленый и синий?

Ответ относится к категории того, как мы видим, а именно к зрительной реакции человека. За прошедшие годы было предложено много теорий относительно того, как люди видят цвет. До сих пор не удалось дать удовлетворительного объяснения каждому аспекту того, как мы видим цвета. Диапазон длин волн, к которым чувствительны наши глаза, составляет от 400 до 700 миллимикрон. Не случайно в этом диапазоне земная атмосфера прозрачна.

Когда мы смотрим на источник света, мы не можем различить какую-либо конкретную длину волны, если только она не представлена ​​отдельно. Когда мы смотрим на источник белого света, мы не можем выделить и идентифицировать какой-либо конкретный цвет. Наша комбинация глаз и мозга интерпретирует цвет света без анализа того, что составляет смесь частот. Используя это, ученые экспериментально доказали, что, смешивая всего три цвета в разных пропорциях, можно получить почти все цвета. Другими словами, представляя человеческому глазу с различной интенсивностью смесь красного, зеленого и синего цветов, можно воспроизвести большинство цветов спектра, но не точно, а в близком приближении. Это была работа Томаса Янга (британец 1773-1829) под названием «Теория цветового зрения Янга».

Опираясь на теорию Янга, Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879 гг., Великобритания) показал миру первую цветную фотографию. В 1855 году он использовал три проектора и наложил три изображения, проецируемые на один экран. Каждый проектор был оснащен цветным фильтром. Каждое из трех изображений представляло собой один из трех основных цветов света, а именно: красный, зеленый и синий. Спроецированные пленочные изображения были сделаны путем съемки трех отдельных снимков на трех кусках черно-белой пленки, каждый из которых экспонировался через один фильтр из трех световых премьер.

С того дня в 1855 году было исследовано бесчисленное количество способов создания и отображения цветных изображений. Ранние цветные кинофильмы проецировали слабые цветные изображения, используя всего два цвета. Эдвин Лэнд (американец, 1909–1991), основатель Polaroid Corp., экспериментировал с созданием цветных изображений, используя только два основных цвета. Это осталось лабораторным любопытством. На данный момент самые точные цветные изображения получаются с использованием трех основных цветов. Однако один человек, Габбриэль Липпманн (Франция, 1845–1921), сделал прекрасные цветные изображения, охватывающие весь видимый световой спектр. Он разработал метод, в котором использовалась черно-белая пленка с зеркальной подложкой. Экспонирующий свет проникал через пленку, попадал на зеркало и отражался обратно в пленку. Таким образом, засветка производилась за два прохода экспонирующего света. Изображение, состоящее из серебра, расположено с интервалом, равным длине волны экспонирующего света. При просмотре пленка пропускала только свет, длина волны которого соответствовала длине волны экспонирующего света. Можно было видеть полноцветную картину, не содержащую ни красителя, ни пигмента. Уникальный и красивый процесс Липпмана остается непрактичным. Наши пленочные и цифровые камеры возвращаются к методу, используемому Максвеллом. Возможно, если вы будете изучать человеческое зрение и теорию цвета, может быть, именно вы продвинете нашу науку и получите первое действительно достоверное изображение. Наши пленочные и цифровые камеры возвращаются к методу, используемому Максвеллом. Возможно, если вы будете изучать человеческое зрение и теорию цвета, может быть, именно вы продвинете нашу науку и получите первое действительно достоверное изображение. Наши пленочные и цифровые камеры возвращаются к методу, используемому Максвеллом. Возможно, если вы будете изучать человеческое зрение и теорию цвета, может быть, именно вы продвинете нашу науку и получите первое действительно достоверное изображение.

Вы сказали,

это информация, которая сначала фиксируется цифровыми камерами.

Это неправильно. Сами по себе датчики большинства цифровых камер реагируют на широкий диапазон частот света, выходящий за пределы того, что человек может видеть в инфракрасном и ультрафиолетовом спектре. Поскольку датчики улавливают такой широкий спектр света, они являются ужасными дискриминаторами длин световых волн. То есть, грубо говоря, цифровые датчики видят в черно-белом цвете .

В большинстве датчиков камеры¹ для захвата цветов перед датчиком размещаются цветные фильтры, называемые массивом цветных фильтров (CFA). CFA превращает каждый пиксель сенсора (иногда называемый сенсором ) в датчик преимущественно красного, зеленого или синего света. Если бы вы рассматривали необработанные данные сенсора как черно-белое изображение, оно выглядело бы размытым, как полутоновое черно-белое изображение газетной бумаги. При большом увеличении отдельные пиксели изображения будут иметь вид шахматной доски.

Интерпретируя отдельные квадраты необработанных данных изображения как красные, зеленые или синие в зависимости от ситуации, вы увидите версию изображения со смешанными цветами, похожую на цветную полутоновую газетную статью.

^{Массив цветовых фильтров Байера, созданный пользователем Cburnett , Wikimedia Commons. CC BY-SA 3.0}

С помощью процесса, называемого демозаикой, либо при сохранении данных изображения в камере, либо при постобработке на компьютере массив данных о цвете с помощью вычислений объединяется для создания цветного изображения RGB с полным разрешением. В процессе демозаики значение RGB каждого пикселя вычисляется с помощью алгоритма, который учитывает не только значение пикселя, но и данные в соседних пикселях, окружающих его.

• См. также: Файлы RAW хранят 3 цвета на пиксель или только один?

Тогда почему мы используем формат RGB для цифрового представления цветов?

Мы используем трехцветную цветовую модель, потому что именно так люди воспринимают цвета. Из статьи Wikipedia'a Trichromacy ,

Теория трихроматического цвета возникла в 18 веке, когда Томас Янг предположил, что цветовое зрение является результатом работы трех разных фоторецепторных клеток. Позже Герман фон Гельмгольц расширил идеи Янга, используя эксперименты по сопоставлению цветов, которые показали, что людям с нормальным зрением требуется три длины волны для создания нормального диапазона цветов.

Таким образом, мы создаем камеры, которые фиксируют то, что мы можем видеть, примерно так же, как мы видим . Например, для типичной фотографии, цель которой — запечатлеть и воспроизвести то, что мы видим, нет особого смысла также захватывать инфракрасные и ультрафиолетовые волны.

• См. Также: Все ли цвета можно описать с помощью RGB?

1. Не все датчики используют CFA. Датчик Foveon X3 , используемый в цифровых зеркальных фотокамерах Sigma и беззеркальных камерах, основан на том факте, что свет с разной длиной волны проникает в кремний на разную глубину. Каждый пиксель датчика X3 представляет собой набор фотодиодов, определяющих красный, зеленый и синий цвета. Поскольку каждый пиксель действительно является датчиком RGB, для датчиков Foveon не требуется демозаика.

   Leica M Monochrom — это дорогая черно - белая камера, на матрице которой нет CFA. Поскольку фильтрация входящего света отсутствует, камера более чувствительна к свету (согласно Leica, 100%, или 1 стоп, более чувствительна).

Камеры и дисплеи работают в RGB потому, что так работает наша сетчатка .

Поскольку наши глаза кодируют цвета с помощью этих компонентов (RGB), это очень удобная система (хотя, конечно, не единственная) для кодирования не только чистых длин волн (которые формируют более или менее детерминированную комбинацию отклика сетчатки для каждого хроматического компонента). , но и смешанные цвета.

Обоснование было бы таким: «Если любая цветовая комбинация может быть доставлена ​​в мозг только как комбинация трех компонентов, я могу обмануть зрительную систему, представив только заданную комбинацию этих изолированных, чистых компонентов (через RGB-дисплей) и позволить визуальному восприятию». система декодирует их, как будто они настоящие.

Интересно отметить, что, поскольку мы являемся трихроматами, большинство цветовых систем трехмерны по своей природе (Lab, HSV, YCbCr, YUV и т. д.) не из-за внутренних физических свойств цвета , а из-за самого способа наша зрительная система работает.

Попытка ответить просто:

• На практике мы не можем получить достаточно информации, чтобы хранить полную разбивку, по частоте, всех различных длин волн света, даже в пределах видимого спектра. С помощью RGB мы можем описать цвет пикселя, используя всего три числа. Если бы мы собирали весь частотный спектр света, для каждого отдельного пикселя потребовалось бы не 3 числа, а график данных. Передача и хранение данных будут огромными.

• Нашим глазам это не нужно. Наши глаза не просто видят три отдельные длины волн, вместо этого каждый из наших «красных», «зеленых» и «синих» рецепторов улавливает частично перекрывающиеся диапазоны света:

  

  Перекрытие позволяет нашему мозгу интерпретировать относительную силу сигналов как различные цвета между основными цветами, поэтому наша система зрения уже довольно хорошо приближается к фактической длине волны, учитывая только относительную силу сигнала трех основных цветов. Цветовая модель RGB адекватно воспроизводит тот же уровень информации.

Есть две взаимодействующие причины.

Причина (1) заключается в том, что глаз (обычно) получает несколько длин волн света из любой заданной точки [так сказать]. Белый свет, например, на самом деле [как правило] представляет собой смесь множества различных длин волн; нет "белой" длины волны. Точно так же пурпурный (в наши дни его часто называют «розовым» (через «ярко-розовый»)) представляет собой смесь красного и синего, но без зеленого (из-за чего он кажется белым). Точно так же, что-то, что выглядит зеленым, может иметь немного лайма и немного голубого компонента.

Причина (2) заключается в том, что человеческий глаз работает в режиме RGB — у него есть датчики красного, зеленого и синего цветов.

Таким образом, объединяя (1) и (2): чтобы заставить человеческий мозг интерпретировать световые сигналы так же, как он интерпретировал бы исходные сигналы, они должны быть закодированы в его терминах.

Например, если (наоборот) оригинал был (то, что человек воспринимал бы) белым светом, но он был закодирован с использованием, скажем, фиолетового и красного датчиков — только двух — репродукция казалась бы человеческому глазу пурпурной. Точно так же, но более тонко или точно… белый свет, который был смесью полного спектра цветов… если бы он был закодирован с использованием, скажем, фиолетового, желтого и красного датчиков… это воспроизведение показалось бы человеческому глазу не чисто белым – как (навскидку) желтовато-белый. И наоборот, воображаемому инопланетянину [и, возможно, какому-то реальному животному] с теми же сенсорами (а именно, фиолетовым, желтым и красным) в глазу он показался бы чисто белым.

Точно так же… если бы оригинал был белым, то есть смесью полного спектра цветов, тогда человеческий глаз, воспринимающий это, закодировал бы это только в терминах красного, зеленого и синего… а репродукция, использующая только красный, зеленый а синий (в тех же пропорциях) показался бы человеческому восприятию чисто белым — дело в том, что информация теряется в обоих случаях, но конечный результат кажется идеальным, потому что потери соответствуют. К сожалению, они будут точно соответствовать только в том случае, если кривые чувствительности датчиков [RGB] в камере точно такие же, как у датчиков [RGB] в человеческом глазу [отметим, что каждый датчик активируется диапазоном цветов] — если, например, , цвет лайма активировал каждый из красных, зеленых и синих датчиков точно в одинаковой степени в двух случаях.

Краткий ответ: поскольку длина волны — это одно значение, а весь диапазон воспринимаемых нами цветов не может быть представлен одним значением, точно так же, как размеры прямоугольного твердого тела не могут быть представлены одним измерением.

Продолжая аналогию, можно указать объем твердого тела, но существует множество различных твердых тел с одинаковым объемом.

RGB, CMY, HLS и т. д. — все используют три «размера», потому что теперь вам нужно адекватно описать цвета, как их видят люди.

Длина волны соответствует оттенку в системе HLS, но она не может сказать вам яркость или насыщенность.

Re «Кроме того, разве это ([длина волны]) информация, которая сначала фиксируется цифровыми камерами?» , нет, это не так.

Как отмечали другие, цифровые камеры улавливают относительную интенсивность красного, зеленого и синего цветов. (А некоторые использовали по крайней мере один дополнительный цвет, чтобы улучшить различение критической области красного и зеленого.) Прямое измерение частоты падающего света было бы намного сложнее. У нас просто нет дешевых датчиков, которые могли бы это сделать, и уж точно не тех, которые мы могли бы сделать в сети из нескольких миллионов таких датчиков. И нам по- прежнему нужен способ для камеры измерять яркость и насыщенность.

Вкратце: Гораздо проще обнаружить свет на трех широких участках спектра, чем точно анализировать частоту. Кроме того, более простой детектор означает, что он может быть меньше. И третья причина: цветовое пространство RGB имитирует принципы работы человеческого глаза.

Как доказал Макс Планк, каждое горячее тело излучает излучение с различной частотой. Он предположил и доказал, что энергия излучается вспышками, называемыми фотонами, а не непрерывно, как предполагалось ранее. И с того дня физика никогда не была прежней. Единственным исключением является идеальный ЛАЗЕР/МАЗЕР, который излучает излучение только одной частоты, а разряды (неоновые полосы,...) излучают излучение с несколькими изолированными частотами.

Распределение интенсивностей по частотам называется спектром. Точно так же и детекторы имеют свои спектры, в данном случае это распределение отклика детектора на излучение нормированной интенсивности.

Как уже отмечалось, белый свет является белым, потому что наши глаза эволюционно откалиброваны, чтобы видеть солнечный свет в диапазоне от дальнего инфракрасного до ультрафиолетового как белый. Листья, например, зеленые, потому что они поглощают все частоты, кроме той части, которую мы воспринимаем как зеленую.

Конечно, есть детекторы, которые могут собирать спектры и извлекать информацию. Они используются в оптической эмиссионной спектроскопии, рентгеновской дифракции и флуоресцентных методах, где химический состав или микроструктура оцениваются по спектрам. Для фотографии это перебор; за исключением астрофотографии, где мы хотим оценить «химический» состав, но изображения «переводятся» в искусственные цвета. Эти детекторы могут быть точными и огромными или маленькими, но неточными, и вам потребуется гораздо больше вычислительной мощности для их анализа.

Человеческий глаз, или любой другой глаз, не тот случай. Мы не видим ни химического состава, ни состояния связи объекта. В глазу есть четыре разных «детектора»:

• бесцветные: они наиболее чувствительны и работают на всех видимых частотах. Без них вы бы ничего не увидели ночью.
• красные: они наиболее чувствительны в области низких частот. Вот почему горячие вещи сначала светятся красным.
• зеленые: они наиболее чувствительны в высокочастотных областях. Вот почему горячие предметы при дальнейшем нагревании меняют цвет с красного на желтый.
• блюз: они наиболее чувствительны в области высоких частот. Вот почему нагретые вещи светятся белым при нагревании гораздо сильнее. Если бы вы могли нагревать их все больше и больше, они начали бы светиться голубым.

Если мы посмотрим на радугу, CD или DVD, то увидим, что цвета меняются от красного к фиолетовому. Лучи света для данной части радуги в основном имеют одну пертикулярную частоту. Инфракрасные лучи невидимы для наших глаз и не возбуждают ни одну клетку сетчатки. При увеличении частоты лучи начинают возбуждать только красные «клетки», и цвет ic воспринимается как красный. При увеличении частоты лучи возбуждают в основном «красные клетки» и немного «зеленые», и цвет воспринимается как оранжевый. Желтые лучи еще больше возбуждают "зеленых"...

Датчики в камерах, CCD или CMOS, возбуждаются световыми лучами любой частоты, чтобы сделать снимок, который наши глаза увидят в виде цвета, мы просто имитируем человеческий глаз - мы используем, например, фильтр Байеса. Он состоит из трех цветных фильтров со спектрами пропускания, намеренно подобными типам клеток нашей сетчатки.

Свет, отраженный от желтой бумаги, освещенной Солнцем, полностью выходит из «красного» (100%), полностью из «зеленого» (100%) и немного из «синего» (5%), так что вы видите его желтым. Если его сфотографировать, то подобное, скажем так, возбуждение снимается камерой. Когда вы смотрите на изображение на экране, экран посылает вам 100 красных фотонов, 100 зеленых фотонов и 5 синих фотонов в течение очень короткого периода времени. Уровни возбуждения вашей сетчатки будут аналогичны возбуждению, вызванному непосредственным наблюдением, и вы увидите фотографию желтой бумаги.

Есть еще одна проблема, которую необходимо решить, если мы хотим воспроизвести цвета. При использовании цветового пространства RGB нам нужно только три типа источников света на пиксель. У нас может быть три цветных фильтра (так работают ЖК-дисплеи), у нас может быть три типа светодиодов (это используют светодиодные и OLED-панели), у нас может быть три типа люминофоров (это использовалось ЭЛТ). Если вы хотите полностью воспроизвести цвет, вам потребуется бесконечное количество фильтров/источников на пиксель. Если вы хотите использовать упрощение цвета информации к частоте, это тоже не поможет.

Вы также можете попытаться воспроизвести цвет по его температуре. Я предполагаю, что вы сможете воспроизводить только красно-оранжево-желто-белые цвета, и вам придется нагревать каждый пиксель до температуры около 3000 К.

И во всех этих теоретических случаях ваши глаза по-прежнему будут переводить фактически истинный цвет в его сигналы RGB и передавать его в ваш мозг.

Еще одна проблема, которую необходимо решить, заключается в том, как хранить данные? Обычное 18-мегапиксельное RGB-изображение состоит из трех матриц размером 5184x3456 ячеек, каждая точка имеет размер 8 бит. Это означает 51 МБ несжатого файла на изображение. Если мы хотим сохранить полные спектры для каждого пикселя, скажем, в 8-битном разрешении, это будет übermatrix 5184x3456x256, что приведет к несжатому файлу размером 4 ГиБ. Это означает хранение интенсивностей 256 различных частот в диапазоне 430–770 ТГц, что означает разрешение интервала 1,3 ТГц на канал.

Совершенно не стоит усилий, если можно так сказать...