Почему цветовые пространства не используют весь цветовой спектр?

sRGB — это цветовое пространство, разработанное HP и Microsoft в 1996 году. ЭЛТ-мониторы были широко распространены, и поэтому sRGB основывался на характеристиках возможностей этих мониторов. Хорошее описание истории и причин можно найти в sRGB: короткая история .

Координаты цветности и доступные цвета были выбраны исходя из того, что в то время могли производить люминофоры, используемые в ЭЛТ. Учтите, что ни отпечатки, ни TFT- или CRT-мониторы не могут воспроизвести полный спектр видимого света.

Программа на ПК или камере, которая хочет управлять монитором, будет использовать дискретные значения. Если вы используете большее цветовое пространство, шаги между разными цветами становятся грубыми, если вы не используете больший тип данных (пример: Adobe RGB с 8 битами). В то время как информация изображения в большем цветовом пространстве с большим типом данных использует больше памяти и требует большей вычислительной мощности (пример: Adobe RGB с 16 битами). Это цифровое значение будет преобразовано в аналоговый сигнал (обычно напряжение) на определенном этапе, а затем во что-то видимое (для ЭЛТ: фосфоресцирующий экран, возбуждаемый ускоренными электронами).

Разрешение для преобразования цифрового входа в аналоговый сигнал является дополнительным ограничением из-за стоимости, размера и технологии.

Поэтому установка sRGB на ЭЛТ-мониторы в то время позволяла получить хорошее разрешение между цветами при минимальных требованиях к оборудованию.

Диаграмма цветности CIE 1931 представляет все цвета, которые может видеть средний человеческий глаз. Но то, что эти цвета могут быть восприняты обычным человеческим глазом, не означает, что все технологии могут воспроизвести все возможные цвета, которые может видеть обычный глаз. Хотя ни одна трехцветная модель не может создать всю гамму человеческого восприятия цвета, различные цветовые модели RGB охватывают очень широкий диапазон большей части человеческого восприятия цвета.

Поймите, что на диаграмме, которую вы разместили, да и на любой диаграмме CIE, которая есть у вас на компьютере, это всего лишь модель. Фактические цвета на диаграмме за пределами диаграммы sRGB фактически представлены значением RGB в файле изображения. Но «чисто зеленый» в верхней части помеченной диаграммы sRGB на самом деле не является «чисто зеленым» sRGB (т. е. это не значение [R, G, B] равное [0,0, 1,0, 0,0]). Диаграмма представляет собой всего лишь модель, показывающую в рамках технологии, что включено/исключено в цветовых пространствах CIE и sRGB.

В частности, для sRGB он был разработан и стандартизирован для ЭЛТ-мониторов в середине 90-х годов. ЭЛТ производят цвет, излучая и комбинируя свет от трех разных люминофорных пушек (в частности, красного, зеленого и синего спектров). Без дополнительных люминофорных пушек с разными длинами волн такие ЭЛТ не могут излучать все цвета, которые может видеть человек.

Любое цветовое пространство, основанное на основных цветах RGB, будет описывать треугольник. Поскольку диаграмма CIE не является идеально треугольной, невозможно включить их все в треугольник без создания воображаемых цветов , которые физически не могут существовать. В частности, значения R, G, B, используемые в любом датчике или дисплее, должны находиться в пределах физических цветов. Обратите внимание, что это относится только к физическим устройствам, существуют цветовые пространства, которые используют воображаемые цвета для точек RGB, но они предназначены только для математических манипуляций.

Существуют и другие ограничения для точек RGB. Во-первых, лучше, если они достижимы с помощью современных экономичных технологий. Точки для sRGB были взяты из Rec. 709 , который определил диапазон, поддерживаемый HDTV в 1990 году. Во-вторых, слишком большое расстояние между точками приводит к проблемам с различением похожих цветов, когда ваше представление ограничено, например, 24 битами. Лучше иметь хорошее представление об обычных цветах, чем о цветах, которые почти никогда не видны.

Имея более трех основных цветов, можно было бы определить цветовое пространство, которое не является треугольным, что включало бы больше пространства CIE. Sony произвела датчик RGBE, который включал первичный элемент «Изумруд» где-то между синим и зеленым, но они использовали его только в одной камере, прежде чем отказаться от него. Мне не удалось найти никакой информации о координатах CIE фильтров, которые он использует, но вот предположение о том, какой может быть гамма:

Вы можете видеть, что он покрывает гораздо большую площадь, чем sRGB, хотя я использовал 3 основных цвета sRGB в качестве отправной точки. Трудно сказать наверняка, почему он так и не прижился, но можно догадаться. Поскольку весь мир программного обеспечения и печати основан на трех основных цветовых пространствах, цветовая гамма должна быть сжата в одно из них, и все преимущества RGBE теряются при переводе.

Обычно мы описываем цвет, говоря, что это оранжевый, вишневый или розовый. Сходите в магазин красок и возьмите образцы. Вы увидите зимне-белый, пламенно-красный и, возможно, леденцово-яблочно-красный. Такие имена не могут быть удовлетворительно классифицированы. Одной из первых и, возможно, лучших систем является система Манселла. Разработанный Альбертом Х. Манселлом, он организовал трехмерное твердое тело всех цветов, которое может быть представлено реальными образцами, изготовленными с использованием стабильных пигментов. Я думаю, это лучший метод.

Следующей была система CIE (Международная комиссия по освещению). Эксперименты по картированию цветовой реакции человеческого глаза начались в начале 1920-х годов. Студенты сопоставили цвета, которые представляли собой смеси трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Было обнаружено, что клетки в человеческом глазу, отвечающие за цветовое зрение, представляют собой триаду: одна пигментирована для получения красного, одна зеленого и одна синего цвета. Было обнаружено, что можно смешать эти три основных цвета и получить все цвета, которые люди могут видеть.

Однако наука не в состоянии создать совершенные фильтры или совершенные пигменты. В каждом случае мы немного промахиваемся. Система CIE использует воображаемые основные цвета. Их можно смешивать, чтобы получить все цвета, которые мы видим. Тот факт, что используются мнимые первичные цвета, не умаляет ценности системы. Возможно, вы будете тем, кто сделает идеальные цветовые фильтры и переделает задачу.

Система CIE определяет цвета с точки зрения количества каждого из трех основных цветов. Это сочетание цветов предназначено для обычного наблюдателя, так как были протестированы тысячи цветов, а результаты усреднены. График результатов представляет собой подковообразную границу, представляющую положение цветов с наибольшей насыщенностью. Это цвета спектра. Цветные области графика — это пределы насыщения, которые можно получить с помощью современных печатных красок. Рядом с центром находится точка освещения, предназначенная для условий дневного света.

Обратите внимание, что цвет, воспринимаемый с помощью системы Манселла, имеет трехмерную идентификацию: оттенок, яркость и насыщенность. Система CIE является двумерной. Прямая линия внизу представляет пурпурный и фиолетовый цвета максимальной насыщенности. Эти цвета не встречаются в спектре или радуге; их оттенки выражаются в виде длины волны. Я могу продолжать и продолжать, но, возможно, нам следует придерживаться Манселла.

Каждый пиксель на дисплее монитора имеет горизонтальное и вертикальное положение на экране. В этом положении находятся три «цвета» на цветном мониторе, интенсивность которых варьируется от 0% до 100%.

Если вы посмотрите на внешний край области фигуры, то увидите цвета, которые могут быть сформированы с использованием всех люминофоров, которые излучают свет с чистыми длинами волн при одинаковом визуальном восприятии интенсивности. В пределах области представлены представления «100%» интенсивности света, воспринимаемого (красным, синим и зеленым хромофорами) человеческого глаза при том же уровне визуальной интенсивности. Подумайте о том, чтобы провести линию между любыми двумя чистыми длинами волн и различной интенсивностью от 0 до 100% первого цвета и от 100% до 0% второго.

Люди с хорошим цветовым зрением имеют 3 различных «цветовых» рецептора. Таким образом, вы можете обмануть глаз, думая, что смеси трех «чистых» длин волн образуют много разных «цветов». В таком случае интенсивность света будет варьироваться от 0 до 100% для каждого из трех цветов.

Теперь внутренний треугольник имеет три точки, которые отмечают «эффективный цвет» (смесь цветов) конкретного люминофора, выбранного для монитора. (Люминофоры излучают не чистую длину волны света, а смесь цветов). Таким образом, выбранный красный люминофор ограничивает, насколько «красным» может быть «чисто красный цвет» на мониторе. Итак, зеленый и синий. Вы можете получить представление о смесях цветов, которые можно получить со 100% мощностью, используя трилинейные координаты.

Чтобы получить трилинейные координаты, сначала нарисуйте треугольник между тремя выбранными люминофорами. Затем проведите перпендикулярную линию от каждой вершины внутреннего треугольника к противоположной стороне. Вершина треугольника имеет интенсивность 100%, а пересечение линии с основанием образует интенсивность 0%. Выполнение этого для всех трех вершин приведет к трем линиям, встречающимся в каждой внутренней точке внутри треугольника. Если каждая линия имеет 100 делений, то в сетке будет 10 000 точек. Кроме того, интенсивность красного/зеленого/синего в каждой точке будет равна 100%.

Обратите внимание, что углы треугольника приближаются к «чистому» цвету вершины. По сторонам треугольников имеется отчетливый переход при переходе снаружи треугольника внутрь. из-за разного смешения цветов.

mattdm указал, что вам также необходимо учитывать общую «мощность» пикселя. Если все три люминофора имеют интенсивность 0%, то цвет будет черным. Если все три интенсивности цвета равны 100%, то цвет должен быть близок к белому. Конечно, чтобы получить белый цвет, три люминофора должны быть выбраны разумно.

Существуют пространства устройств и независимые от устройств цветовые пространства. sRGB — это независимое от устройства цветовое пространство, созданное дамой из HP как пространство для стандартизации ЭЛТ. Крис Кокс из Adobe создал Adobe 1998 г., а Кевин Сполдинг из Eastman Kodak создал цветовые пространства RIMM и ROMM, из которых RIMM используется как ProPhoto RGB. Это пространство на самом деле покрывает диаграмму XYZ, но полезно для нас, фотографов, только в том случае, если гамма нашего принтера близка по объему. (Большинство высококачественных принтеров Epson с хорошей глянцевой бумагой приближаются к Pro Photo RGB)

Настоящая проблема заключается в конечном использовании изображения. Приведенные выше профили цветового пространства являются математическими моделями устройств, а не реальными устройствами. Преимущество в том, что они имеют равноудаленные основные цвета, и преобразования изображений, содержащихся в этих пространствах, относительно хорошо себя ведут.

Наличие цветовых пространств, которые не являются пространствами устройств и не содержат шума, который имеют гаммы устройств. Это обеспечивает преобразования фактического пространства устройства, такого как монитор на вашем компьютере или принтер, которые являются предсказуемыми и более точными от устройства к устройству. Таким образом, контейнерные площади — это путь к качеству.

Теперь, чтобы ответить на ваш вопрос «Почему бы просто не включить все цвета?» Ну, мы можем, если мы используем ProPhoto RGB, но то, что у нас есть, это значения RGB (0-255), присвоенные значениям Lab, которые немного больше, чем sRGB (цветовое пространство Интернета), поэтому изображение будет выглядеть неправильно, если вы публикуете файлы ProPhoto RGB в Интернете. Таким образом, изображения, которые на самом деле должны выглядеть так, как мы хотим, должны быть преобразованы в выходное пространство, на которое ссылаются. В Интернете это происходит в вашем браузере. Если у вас есть монитор высокого класса, это происходит потому, что на вашем компьютере есть известный профиль монитора для рендеринга цветов в новом пространстве Lab.

Частично это связано с эффективностью кодирования данных (без потери битов/точности), частично с историческими причинами и некоторыми практическими соображениями.

Есть некоторые цветовые пространства, которые охватывают все «видимые» цвета, но мы обычно не используем их для изображений/видео. Например, эта диаграмма в вашем вопросе показывает цвета в пространстве CIE 1931 XYZ, которое представляет собой цветовое пространство, охватывающее все цвета, видимые человеку (согласно его психологической модели).

Однако CIE XYZ не является цветовым пространством, которое обычно используется для фактического представления цветовых данных , скажем, в изображении или видео. Преобразование обратно в пространство RGB является относительно сложным, оно будет тратить много битов точности на пространство за пределами диапазона цветов, которые могут воспроизводить большинство мониторов или датчиков, которые могут видеть, даже цвета за пределами пространства, которое могут видеть люди. Математические операции, которые легко вычислить в пространстве RGB, будут очень сложными в чем-то вроде CIE XYZ, и во всех практических случаях в любом случае потребуется промежуточное преобразование.

Цветовое пространство RGB значительно упрощает определенные операции. Мониторы и экраны изначально используют цветовые пространства RGB. Если вы используете цветовое пространство RGB, потому что ваш выходной носитель по своей сути основан на RGB, изначально имеет смысл использовать цветовое пространство, которое равно или близко соответствует красному, зеленому и синему основным цветам, которые может воспроизвести ваш выходной носитель. В прошлом цветные мониторы использовали люминофоры, которые давали одинаковые основные цвета красного, зеленого и синего, так что пространство RGB было просто «стандартным» цветовым пространством. Мониторы не все одинаковы, и это становится все более очевидным, и поэтому изобретение независимого от устройства цветового пространства — хорошая идея: sRGB — наиболее распространенное независимое от устройства пространство, и оно близко соответствует типичным красным, зеленым и синим основным цветам эпохи ЭЛТ-мониторов. sRGB стал стандартом де-факто для мониторов, телевизоров (rec 601 и rec 709,

Таким образом, часть популярности sRGB заключается в его закреплении во всех этих областях. Что касается цветовых пространств и даже пространств RGB, то они очень ограничены, поэтому вы получаете Adobe RGB, ProPhoto и другие пространства RGB с расширенными гаммами. Кодирование в них становится чуть менее эффективным, что в некоторых случаях требует использования более 8 бит на канал, но они охватывают более широкую гамму, которую могут обеспечить новые мониторы и технологии отображения, и удовлетворяют потребность в «рабочем цветовом пространстве». , где ваше входное и выходное цветовое пространство может различаться в зависимости от устройства, поэтому вы также можете использовать промежуточное пространство с действительно широкой гаммой, чтобы конвертировать между ними с минимальными потерями. ProPhoto RGB часто используется как «рабочее» цветовое пространство, потому что оно «достаточно широкое». превосходить почти любое цветовое пространство устройства, которое вы можете практически вообразить, может охватывать почти все видимые цвета (согласно CIE 1931), за исключением некоторых сверхглубоких зеленых и фиолетовых (опять же, они далеко за пределами того, что могут мониторы или другие устройства). display), но в результате это довольно неэффективно для кодирования, поскольку многие координаты просто не используются, потому что они выходят за пределы диапазона видимых цветов. Интересно, что его основные цвета (т. е. красный, зеленый и синий) являются «воображаемыми» — невозможно создать излучатель или датчик с основными цветами ProPhoto RGB, потому что его основные цвета — это невозможные цвета — они существуют только математически, как способ передачи цветов. в другие помещения или из них. может охватывать почти все видимые цвета (согласно CIE 1931), за исключением некоторых сверхглубоких зеленых и фиолетовых (опять же, они далеко за пределами того, что могут отображать мониторы или другие устройства), но в результате это довольно неэффективно для кодирования, при этом многие координаты просто не используются, потому что они выходят за пределы диапазона видимых цветов. Интересно, что его основные цвета (т. е. красный, зеленый и синий) являются «воображаемыми» — невозможно создать излучатель или датчик с основными цветами ProPhoto RGB, потому что его основные цвета — это невозможные цвета — они существуют только математически, как способ передачи цветов. в другие помещения или из них. может охватывать почти все видимые цвета (согласно CIE 1931), за исключением некоторых сверхглубоких зеленых и фиолетовых (опять же, они далеко за пределами того, что могут отображать мониторы или другие устройства), но в результате это довольно неэффективно для кодирования, при этом многие координаты просто не используются, потому что они выходят за пределы диапазона видимых цветов. Интересно, что его основные цвета (т. е. красный, зеленый и синий) являются «воображаемыми» — невозможно создать излучатель или датчик с основными цветами ProPhoto RGB, потому что его основные цвета — это невозможные цвета — они существуют только математически, как способ передачи цветов. в другие помещения или из них. при этом многие координаты просто не используются, потому что они выходят за пределы диапазона видимых цветов. Интересно, что его основные цвета (т. е. красный, зеленый и синий) являются «воображаемыми» — невозможно создать излучатель или датчик с основными цветами ProPhoto RGB, потому что его основные цвета — это невозможные цвета — они существуют только математически, как способ передачи цветов. в другие помещения или из них. при этом многие координаты просто не используются, потому что они выходят за пределы диапазона видимых цветов. Интересно, что его основные цвета (т. е. красный, зеленый и синий) являются «воображаемыми» — невозможно создать излучатель или датчик с основными цветами ProPhoto RGB, потому что его основные цвета — это невозможные цвета — они существуют только математически, как способ передачи цветов. в другие помещения или из них.

Меньшие цветовые пространства предназначены для:

• ограниченная передача изображения. Использование меньшего цветового пространства улучшит точность цветопередачи по сравнению с огромным полным цветовым пространством при одинаковой глубине цвета для обоих
• предварительно визуализированные изображения, готовые для просмотра на целевом оборудовании, которые не будут преобразовываться перед передачей