Данная статья является вступительной к серии статей, посвященных построению профайлов сканеров, мониторов и печатающих устройств.

Что такое цвет?

На вопрос: "Что такое цвет?" — чаще всего отвечают: "Цвет — это длина волны", "Цвет — это свойство поверхности", "Цвет — это спектральный состав электромагнитного излучения". Ответы эти неточны или, как минимум, неполны.

Рассмотрим их подробнее.

"Цвет — это длина волны" — но электромагнитное излучение с длиной волны, к примеру, 675 нМ в зависимости от интенсивности воспринимается либо как красно-коричневый, либо как алый цвет.

"Цвет — это свойство поверхности" — но серые стены домов, освещенные закатным солнцем, кажутся нам оранжевыми.

"Цвет — это спектральный состав электромагнитного излучения" - но электромагнитное излучение различного спектрального состава может восприниматься как один и тот же цвет.

Более того, когда мы в полной темноте ударимся о дверной косяк, в нашем сознании появится цветное изображение без всякого электромагнитного излучения. Во сне или в воспоминаниях также возникают самые настоящие цветовые ощущения.

Итак, ключевыми словами в исследовании данного вопроса являются: "восприниматься", "казаться", "выглядеть", "сознание", "ощущение". То есть никакого "цвета" не существует, если нет "сознания", если некому испытывать "ощущения". Исходя из этого мы даем такое определение:

Цвет — это ощущение, которое возникает в сознании человека при воздействии на его зрительный аппарат электромагнитного излучения с длиной волны в диапазоне от 380 до 760 нм. Эти ощущения могут быть вызваны и другими причинами: болезнь, удар, мысленная ассоциация, галлюцинации, и др.

Т.е. цвет — это, прежде всего, ощущение. "Цвет" не существует без наблюдателя. Цветовые ощущения могут существовать без объекта, но не могут существовать без субъекта. В нашей статье мы будем рассматривать, разумеется, ощущения, вызываемые только электромагнитным излучением видимой части спектра - светом.

Способность к цветоощущению возникла в процессе эволюции как реакция адаптации, как способ получения сведений об окружающем мире и способ ориентирования в нем. Каждый человек воспринимает цвета индивидуально, отлично от других людей. Однако у большей части людей цветовые ощущения очень схожи. Встречаются аномалии цветового зрения, при которых различается меньшее число цветов, чем обычно. Случаи полной цветовой слепоты, когда образы воспринимаются лишь ахроматически (бесцветно), очень редки.

Физической основой цветовосприятия является наличие специфических светочувствительных клеток в центральном участке сетчатки глаза (т.н. палочек и колбочек) с максимумами спектральной чувствительности в трех разных спектральных участках: красном, зелёном и синем. Огромную роль в цветовосприятии играет переработка сигнала, поступающего на сетчатку глаза, в коре головного мозга, в его затылочных долях. Мозг извлекает информацию об окружающем мире с КПД, недостижимым даже для самых современных компьютеров. Суть этих процессов, несмотря на наличие большого количества разнообразных теорий, непонятна, а сколько-нибудь серьезные, инструментальные измерения в коре головного мозга невозможны. Поэтому к человеческому цветовосприятию стоит относиться как к "черному ящику": на входе имеем свет определенного спектрального состава, на выходе — некое цветовое ощущение.

По мере социализации у человека росла потребность в передаче знаний и эмоций: наскальные рисунки, выполненные природной охрой и углем, несли различную информацию, необходимую для эффективной охоты, а заодно выражали азарт охотников. Позднее живопись стала нести религиозные знания и раскрывать эстетические переживания людей, а жизнь современного технологического общества немыслима без телевидения, цветной фотографии и полиграфии. Таким образом, еще в самом начале своего существования homo sapiens столкнулся с необходимостью воспроизведения и повторения цветовых ощущений, проблема эта остается и по сей день.

В основе всех способов цветовоспроизведения лежит принцип, о котором мы уже говорили:

Одинаковые цветовые ощущения могут быть вызваны светом различного спектрального состава.

Рисунок проиллюстрирует данный тезис.

Одинаковые цветовые ощущения могут быть вызваны светом различного спектрального состава.

Для того чтобы передать цвет зеленой травы или зерен кофе, нам не нужно воссоздавать сложный спектр отраженного от них света, достаточно подобрать спектр, который вызовет аналогичные цветовые ощущения. Чтобы цвет пятна на мониторе при визуализации изображения из файла и цвет такого же пятна, напечатанного офсетом, совпадали, нам нет необходимости добиваться невозможного: совпадения спектра излучения монитора и спектра отражения бумаги — необходимо только совпадение ощущений.

Человек может, глядя на бумагу и монитор (или исходный объект), сравнивать свои ощущения, добиваясь их идентичности, но компьютер работает только с числами. Значит, нам необходимо измерить цветовые ощущения.

Измерение цветовых ощущений. Цветовые координатные системы.

Исходя из определения цвета как ощущения, его измерения должны быть измерениями именно цветовых ощущений человека. Любые методы, не основанные на таких измерениях, — бессмысленны. Однако все люди воспринимают цвет немного по-разному. Что же, собственно, измерять?

В начале 30-х годов прошлого века Международная Комиссия по освещению (CIE — Communication Internationale de l`Eclairage) предприняла в этой связи масштабную акцию, профинансированную компаниями — производителями красок. Фирмы были заинтересованы в том, чтобы выработать стандарты, позволяющие добиться удобства и оперативности в работе, а также повысить качество своей продукции.

Для измерения цветовых ощущений был проведен эксперимент, упрощенное описание которого мы приводим ниже.

Комиссия CIE ввела в обиход понятие "стандартный наблюдатель" (standard observer): окончательные данные измерений были получены за счет усреднения результатов эксперимента, проведенного в строго определенных условиях с большим числом наблюдателей. Поэтому результаты эти не дают точного представления о свойствах цветового зрения каждого конкретного человека, а относятся к т.н. среднему стандартному колориметрическому наблюдателю.

На экран проецировались два световых пятна в непосредственной близости друг от друга. Первое пятно получали путем пропускания белого света через стеклянную призму. В результате белый свет раскладывался на спектральные составляющие. Большую часть из них закрывала непрозрачная шторка, и только интересующая исследователей часть спектра оставалась видимой на экране. Таким образом, первое пятно представляло собой спектрально-чистый цвет.

Второе пятно создавалось тремя потоками белого света, идущими через т.н. зональные фильтры — фильтры, пропускающие свет только в определенных зонах видимого спектра. В эксперименте CIE были использованы фильтры, пропускающие свет на участках с длинами волн: 700,0 Нм (красный), 546,1 Нм (зеленый) и 435,8 Нм (синий). Таким образом, второе пятно образовывалось за счет смешивания трех лучей: красного, зеленого и синего. В эксперименте данные три цвета носили название основных цветов.

Перед наблюдателем ставилась задача: вращая ручки регуляторов яркости трех основных цветов, добиться визуального совпадения цвета образованного ими пятна с цветом спектрально-чистого пятна.

Когда наблюдатель говорил, что добился максимального цветового совпадения пятен, лаборант фиксировал в журнале значения позиций трех регуляторов.

Сумма яркостей трех основных цветов, совпадающая с белым цветом, была принята за единицу. Для каждого измеряемого цвета в журнал заносились не абсолютные значения позиций регуляторов, а доля яркости каждого компонента по отношению к его доле в образовании белого.

1 — уравнивающий цвет на экране; 2 — уравниваемый цвет на экране; 3 — разделительная перегородка; 4 — источники белого света с фильтрами; 5 — регуляторы яркости; 6 — источник белого света: 7 — призма; 8 — шторка; 9 — поле, которое видит наблюдатель.

1 — уравнивающий цвет на экране; 2 — уравниваемый цвет на экране; 3 — разделительная перегородка; 4 — источники белого света с фильтрами; 5 — регуляторы яркости; 6 — источник белого света: 7 — призма; 8 — шторка; 9 — поле, которое видит наблюдатель; 10 — зеркала, перенаправляющие световые потоки.

В процессе исследования выяснилось, что большую часть чистых спектральных цветов не удается воспроизвести описанным способом. Но перед исследователями и не стояла задача именно воспроизведения спектрально-чистых цветов при помощи трех лучей. Стояла задача измерения цветовых ощущений, то есть необходимо было найти для каждого видимого спектрально-чистого цвета уникальное числовое значение, точнее — уникальную комбинацию трех числовых значений.

Поэтому исследователи могли позволить себе небольшую хитрость: в случае, когда уравнять спектрально-чистый цвет не удавалось, к нему добавляли некоторое количество основного цвета (чаще красного), перенаправляя луч со смесевого пятна на спектрально-чистое пятно. Спектрально-чистый цвет "загрязнялся", но это уже позволяло уравнять цветовые ощущения от обоих пятен, и для "непокорного" спектрально-чистого цвета удавалось найти определенную комбинацию числовых значений. Правда, в данном случае она содержала отрицательные величины, которые возникали из-за того, что один (иногда два) основных цвета "вычитались" из общей смеси и добавлялись к спектрально-чистому цвету.

Таким образом, при усреднении результатов экспериментов с большим числом наблюдателей, были измерены цветовые ощущения, вызываемые спектрально-чистыми цветами, расположенными на всем протяжении видимого спектра: от фиолетового до красного.

Особый акцент сделаем на том, что данный эксперимент не является измерением спектральной чувствительности клеток сетчатки глаза, как многие думают, а является косвенным измерением цветовых ощущений человека, возникающих от спектрально-чистых цветов различной длины волны. Напомним, что при исследовании цветовых ощущений прямые измерения, то есть измерения в коре головного мозга человека, невозможны по сей день.

В экспериментах CIE были получены числовые значения, соответствующие определенным цветовым ощущениям, т.е. цветовые ощущения были измерены.

Коль скоро каждому цветовому ощущению от монохроматического излучения определенной длины волны соответствуют три строго определенных числа, то не составит труда разместить эти числа в трехмерной системе координат. Такая трехмерная система координат будет представлять собой физиологическую цветовую координатную систему — ФЦКС, или, сокращенно, — ЦКС.

Измерение цветовых ощущений человека является конечным результатом эксперимента CIE и положено в основу всей современной колориметрии - науки о цветовых измерениях. Физиологическая цветовая координатная система, полученная в результате экспериментов CIE, носит название "CIE RGB".

Цветовых координат физически не существует, но тем не менее они математически реальны: если провести аналогичные измерения с достаточно большим числом наблюдателей, мы получим те же результаты.

Найти цветовые координаты — это значит найти численное выражение цветового ощущения, то есть измерить цвет.

Напомним, что в эксперименте CIE существенную часть чистых спектральных цветов уравнять не удалось (исследователи были вынуждены прибегнуть к сознательному "загрязнению" чистых цветов основными цветами), в результате чего в цветовой координатной системе CIE RGB некоторые цвета имеют отрицательные координаты. Последнее создает большие неудобства при математических расчетах. Поэтому, вскоре после возникновения CIE RGB, была предложена другая цветовая координатная система, полученная принудительным математическим пересчетом из исходной CIE RGB. Эта система получила название CIE XYZ (по трем координатным осям — XYZ). ЦКС CIE XYZ не имеет отрицательных значений и обладает рядом положительных свойств, упрощающих вычисления.

Имея значения цветовых координат для спектрально-чистых цветов, можно вычислить цветовые координаты и для цветовых ощущений, вызываемых светом сложного спектрального состава.

Эти вычисления основаны на экспериментально установленном законе смешения цветов, согласно которому цветовые координаты (ЦК) цвета смеси равны суммам соответствующих координат смешиваемых цветов. Цвет сложного излучения представляют в виде суммы чистых спектральных цветов, соответствующих его монохроматическим составляющим (с учётом их интенсивности). Затем для каждой такой составляющей находят цветовые координаты. Координаты всех спектральных монохроматических составляющих складываются. Три числа, полученные в результате этого сложения, являются цветовыми координатами исходного сложного света.

Здесь приведены так называемые "кривые сложения" и формулы расчета цветовых координат.

На рисунке показана фигура, приблизительно описывающая цветовое пространство человека в ЦКС L*a*b*.	На рисунке показан цветовой охват офсетного печатного станка внутри цветового пространства человека (ЦКС L*a*b*)

Графически цветовые координаты всех цветовых ощущений, которые может испытывать человек, будут представлять собой некую объемную фигуру в пространстве данной ЦКС. Эту фигуру можно назвать пространством цветовых ощущений человека или цветовым пространством человека.

Кошки, птицы и все другие животные, обладающие цветовыми ощущениями, безусловно, имеют свое цветовое пространство, но мы ничего о нем не знаем, т.к. исследования, подобного описанному в данной главе, с ними никто не проводил.

Цветовое пространство человека не заполняет собою весь объем той или иной координатной системы. Об этом следует помнить.

В этом месте было бы методологически верно поместить иллюстрацию, объемно демонстрирующую цветовое пространство человека в ЦКС XYZ, но у нас нет такой технической возможности. Однако, благодаря программе ProfileMaker 4, есть возможность показать цветовое пространство человека в ЦКС L*a*b*, о которой мы будем говорить ниже.

В отношении цветовоспроизводящих аппаратов, заметим, что нельзя говорить о цветовом пространстве сканера, принтера или офсетного печатного станка: они не испытывают ощущений, а могут только регистрировать или воспроизводить различные спектры, вызывающие цветовые ощущения в определенной ограниченной части цветового пространства человека. Эта часть цветового пространства человека называется цветовым охватом данного аппарата.

Когда возникает необходимость продемонстрировать цветовой охват того или иного устройства (показывается всегда в сравнении с цветовым охватом человеческого зрения), прибегают к еще одной координатной системе — xyY. ЦКС xyY получена из ЦКС XYZ путем простого математического пересчета: x = X/(X+Y+Z); y = Y/(X+Y+Z); Y = Y

Проекция цветового пространства человека в ЦКС xyY на плоскость xy и цветовой охват идеального RGB устройства.

Оси "x" и "y" — это оси цветности, а ось "Y" — ось светлоты. На диаграммах принято изображать не сам охват, а его проекцию на плоскость "xy". Так удобнее, поскольку, с одной стороны, создание пространственных диаграмм — довольное хлопотное дело, с другой стороны - восприятие пространственной иллюстрации также затруднено. (Однако такое упрощение иногда приводит к ошибкам, о чем мы скажем в дальнейшем.)

Системы XYZ и xyY получили широкое распространение. К сожалению, они не отражают цветоразличительных свойств зрения, т.е. одинаковые расстояния в ЦКС CIE XYZ и на графике цветностей х у в различных его частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между соответствующими цветами при одинаковой яркости. Из-за этого мы вынуждены говорить о неравномерности (нелинейности) цветовых координатных систем. Цветоразличительные свойства зрения минимальны на периферии цветового охвата человека (в зоне насыщенных цветов) и максимальны в области нулевых цветностей (серых тонов).

Понятно и оправданно стремление ученых создать зрительно однородное цветовое пространство, однако полностью решить эту задачу не удается. Наибольшее распространение получила ЦКС CIE L*a*b*, рассчитываемая из CIE XYZ по сложным эмпирическим формулам, которыми мы не стали усложнять данный текст. Просим читателя лишь всегда помнить о том, что ЦКС L*a*b* получена путем пересчета из ЦКС XYZ, то есть является, в конечном итоге, производной CIE RGB.

Хорошо сбалансированная структура ЦКС L*a*b* основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов "красный/зеленый" и "желтый/синий" можно воспользоваться одними и теми же осями.

В ЦКС CIE L*a*b*, величина L* обозначает светлоту (Luminance, Light), a* - величину красной/зеленой составляющей, b* - величину желтой/синей составляющей. "Звездочки" означают разработку системы специалистами CIE, поскольку существует ряд малоиспользуемых Lab-ов, отличающихся от CIE L*a*b* по масштабу.

ЦКС CIE L*a*b* наиболее широко применяется для всех математических расчетов, производимых компьютерами при работе с цветом. Кроме того, при цветокоррекции цифровых изображений кривые L*a*b* дают пользователю комплект возможностей, дополняющих традиционный инструментарий растровых редакторов.

На данном рисунке показана ЦКС L*a*b* в двух разных графических представлениях. Второй вариант слегка наклонен.

Но даже и в ЦКС L*a*b* неравномерность восприятия при переходе от серого (центральная ось) к насыщенным цветам (периферия) достигает 6 крат. Т.е. в насыщенных цветах изменение цветности на 5 единиц будет практически незаметным, а в цветах, близких к серым, изменение на одну единицу будет бросаться в глаза.

В описании эксперимента CIE было сказано: "За единицу принимается количество основных цветов, уравнивающее белый цвет". Из этого следует, что как сама цветовая координатная система CIE RGB, так и все ее множественные математические производные будут зависеть от выбора т.н. "опорного белого цвета".

Действительно, как мы уже говорили, цветовые ощущения, возникающие у нас, зависят не только от свойств поверхности, но и от спектрального состава света, освещающего эту поверхность ("серые" стены на закате).

Становится очевидной необходимость стандартизации цветовых координатных систем в зависимости от спектрального состава опорного белого света. CIE приняла несколько стандартов источников белого света. Два из них положены в основу работы цветовоспроизводящих компьютерных систем: стандарты D50 и D65. Цифры 50 и 65 указывают на цветовую температуру источников белого света, соответственно, 5000°К и 6500°К.

Помимо L*a*b* D50 и L*a*b* D65 существуют: L*a*b* D55, L*a*b* D75, Hunter-Lab (названа по фамилии разработчика). Эти ЦКС используются редко.

Еще одна из широко употребляемых ЦКС — это CIE LCH (LSH), в конечном итоге, также являющаяся производной ЦКС XYZ. В отличие от предыдущих прямоугольных координатных систем здесь используются цилиндрические координаты: Светлота (Lightness), Насыщенность (Chroma /Saturation/), и угол поворота — Цветовой тон (Hue).

По оси светлоты (Lightness), так же, как и в L*a*b*, значения меняются от 0 до 100. К плоскости цветности относятся насыщенность и цветовой тон (угол поворота). Насыщенность — это линейная координата, показывающая степень удаления точки от оси светлоты. Меняется в диапазоне значений от 0 до 100. Чем ближе к 100, тем насыщеннее цвет. Цветовой тон — угловая координата. Меняется в диапазоне от -180 до +180. Многие программы одновременно поддерживают как указанные значения, так и значения, меняющиеся от 0 до 360.

Здесь приведены некоторые формулы преобразований между различными ЦКС в привычном виде. По этой ссылке содержатся те-же формулы, но в большем разнообразии и в записи, понятной программистам.

Если исследовать множество сложных спектров (то есть сложных смесевых цветов), обнаружится, что разные спектры иногда вызывают одно и то же цветовое ощущение. Этот же вывод следует из анализа формул расчета цветовых координат для сложного света: зная спектральный состав света, можно рассчитать его цветовые координаты, но обратное вычисление невозможно: по цветовым координатам нельзя однозначно определить спектральный состав света, вызвавший цветовое ощущение с этими координатами. Это замечательное свойство цветовосприятия человека позволяет нам добиваться одного и того же цветового ощущения (скажем, при репродуцировании оригиналов), не утруждая себя долгим и трудным подбором света идентичного спектрального состава. Воспроизводя нужный нам цвет, мы подбираем лишь спектр с нужными цветовыми координатами и тем самым добиваемся нужного ощущения.

Можно добиваться совпадения цветовых ощущений, не добиваясь при этом идентичности спектров. Равенство цветовых координат означает равенство цветовых ощущений.

Выше мы повторили рисунок, данный в предыдущей главе, но добавили к нему цветовую координатную систему L*a*b* с точками, координаты которых соответствуют свету данного спектрального состава.

В цветовых координатных системах различие цветовых ощущений может быть представлено как расстояние между двумя точками в цветовой координатной системе. Общеупотребительным является определение разницы цвета в ЦКС L*a*b*. Эта величина называется "дельта Е" и характеризует величину несовпадения двух цветов.

Величина дельта E (dE) является критерием точности цветовоспроизведения, но из-за неравномерности цветовых координатных систем к ней следует относиться с осторожностью.

Если цветовоспроизводящее устройство устойчиво воссоздает цвета оригинала с dE, не превышающей 1, считается, что это устройство высшего класса.

Устройства среднего класса даже при самой тщательной настройке не могут обеспечить dE меньшую 2, что неизбежно проявляется в заметных цветовых отличиях между нейтральными (а также близкими к нейтральным) областями копии и оригинала. В насыщенных цветах dE=2-3 достаточна для адекватного цветовоспроизведения.

Желающие получить более полное представление о математической части различных ЦКС могут найти этот материал в Большой Советской Энциклопедии, 3-е изд., 1969-1978 гг., или по адресу: http://www.realcolor.ru/lib/bse/color_measure.shtml. Мы не во всем согласны с авторами статьи в БСЭ, в ней встречаются досадные ошибки, но, по нашему мнению, это наиболее полное и цельное изложение материала на русском языке, посвященное вопросу цветовых измерений.

Воспроизведение цветовых ощущений. Цветовые модели RGB, CMY и CMYK

Как мы уже говорили, человечество очень давно решает проблему воспроизведения цветовых ощущений. Смешивая природные красители, люди интуитивно добивались того, чтобы спектральный состав света, отраженный от изображения, вызывал соответствующее цветовое ощущение. Художники создали целые интуитивные системы, в которых цветовые ощущения вызывались смешением большого числа базовых красок.

Со временем ученые выяснили, что подавляющее большинство цветов можно передать, создавая спектр отражения из трех базовых красителей. Это могут быть или красный, зеленый и синий, или голубой, пурпурный и желтый. Вообще говоря, это может быть любая тройка спектрально-чистых цветов, при условии, что каждый из них не может быть представлен в виде суммы каких-либо количеств двух других цветов из тройки. (Однако, как мы видели, в экспериментах CIE далеко не все цвета удалось воспроизвести.)

Задача состоит в том, чтобы с помощью базовых спектральных цветов смоделировать некий спектр, который вызовет определенное, необходимое нам, цветовое ощущение. Поэтому при воспроизведении цвета мы говорим о цветовых моделях.

В практике цветовоспроизведения используются две широко известных модели цветовоспроизведения: RGB и CMY, подробное описание которых не входит в нашу задачу.

В модели RGB используются цвета Red (красный), Green (зеленый), Blue (синий), а в модели CMY — Cyan (голубой), Magenta (пурпурный), Yellow (желтый).

Необходимо четко различать цветовые модели и цветовые координатные системы: в первом случае речь идет о способе воспроизведения цветовых ощущений, а во втором — об измерении этих ощущений.

Аппаратов, моделирующих спектры на основе ЦКС XYZ, L*a*b* или LCH, не существует, поскольку для RGB-, CMY-, CMYK-устройств (или устройств, работающих на основе других цветовых моделей) не проводилось масштабных измерений, подобных измерениям CIE. Поэтому эти цветовые модели нельзя назвать физиологическими цветовыми координатными системами.

Нельзя сказать: "Мы перевели изображение из цветовой модели RGB в цветовую модель CIE L*a*b*". В действительности мы определили для значений модели RGB, реализованной в данном конкретном аппарате, цветовые координаты в цветовой координатной системе CIE L*a*b*.

Устройства, работающие по модели RGB, — это, в основном, аппараты, в которых свечение точек вызывается электронной атакой люминофоров (телевизоры, мониторы) или приложением того или иного потенциала к жидким кристаллам, обладающим специфическими свойствами. При этом качество люминофоров и жидких кристаллов невысоко, все они различаются по своим спектральным свойствам и, к тому же, меняют эти свойства с течением времени. Кроме того, результат цветовоспроизведения зависит от работы управляющей электроники и программного обеспечения.

При помощи конкретного аппарата мы можем вызвать только ограниченную часть цветовых ощущений (цветовой охват аппарата) и только приблизительно можем предположить, какой цвет мы увидим. Ни о каких строгих расчетах цветовых координат не может быть и речи.

Еще хуже обстоит дело с реализацией цветовой модели CMY при воспроизведении изображения на бумаге или иной поверхности. В этом случае используется свойство веществ поглощать большую часть компонент спектра, отражая желаемую компоненту с заданной длиной волны. Эти вещества являются пигментами (красителями). Принтеры, печатные станки и другие аппараты, использующие красители, воспроизводят цвет путем переноса красок, в определенном соотношении, на поверхность запечатываемого материала.

В фотографии цвет воспроизводится за счет избирательной активации слоев фотоматериалов экспонирующим устройством, когда краситель в процессе проявления образуется из субкомпонент, заложенных в слои этого материала.

В состав фотоматериалов входят дорогостоящие красители, по качеству сопоставимые с качеством люминофоров и примерно с тем же набором недостатков, к которому добавляется еще и нестабильность химической обработки. Но подобные дорогостоящие красители не могут применяться в массовом полиграфическом производстве, а относительно дешевые офсетные краски совершенно не в состоянии при смешивании воспроизвести цвета, близкие к черному, что не дает возможности полностью реализовать идею модели CMY в печатном производстве.

Поэтому полиграфистами была выработана практическая цветовая модель CMYK, в которой к трем основным компонентам — голубому, пурпурному и желтому — добавлен еще и черный (в полиграфии было принято называть его ключевым цветом — key color — отсюда литера "К"). Низкое качество красителей обуславливает небольшой цветовой охват CMYK, поэтому для увеличения цветового охвата печатающих устройств были созданы другие цветовые модели. В одной из наиболее распространенных моделей к компонентам CMYK добавляются еще Orange и Green. Эта модель получила название Hexachrome.

В цветных струйных принтерах для преодоления свойственных им недостатков, в частности, плохого воспроизведения светлых тонов изображения, могут использоваться цветовые модели, количество базовых красителей в которых доходит до восьми, но наибольшее распространение сегодня получила модель Photoink: Cyan, LightCyan (светло-голубой), Magenta, LightMagenta (светло-пурпурный), Yellow, Black.

За время существования офсетного способа печати по модели CMYK было выработано большое количество всевозможных стандартов и способов инструментальных измерений, но все они замкнуты в рамках данной цветовой модели и данного способа печати.

Хороший печатник, имеющий большой опыт работы в офсете, может предвидеть, какое цветовое ощущение мы получим в результате сочетания различных плотностей базовых красителей, а с помощью денситометрического контроля отпечатать весь тираж без значительных цветовых отклонений. Но если перевести его на другую печатную машину, ему понадобится немалое время для привыкания к ее особенностям, так как, несмотря на стандартизацию, разные печатные машины формируют несколько разное цветовое ощущение при одних и тех же исходных аппаратных данных.

Поясним. Если двум разным высококлассным офсетным печатным машинам дана команда запечатать голубым 35% площади, пурпурным 70%, желтым 95% и черным 5% (С=35; M=70; Y=95; K=5), то цвет в результате получится неодинаковым. А если то же задание дать принтеру, флексографской печатной машине или даже офсетному станку не самого высокого класса, то мы получим принципиально разные цветовые ощущения. Кроме того, большое значение имеет поверхность, на которой производится печать: результаты цветовоспроизведения на различных материалах могут кардинально различаться.

Поэтому, когда в файле мы видим данные: С=35; M=70; Y=95; K=5, мы не можем сказать, какому цвету они соответствуют. Для того чтобы узнать это, нам необходимо знать, какой аппарат будет выполнять печать.

Если это будет офсетный печатный станок, работающий по Евростандарту или другому общепринятому стандарту печати, то в специальных таблицах мы можем увидеть этот цвет и узнать его цветовые координаты (но только приблизительно, без учета бумаги).

Если это будет принтер, флексографская машина или другое нестандартизированное устройство, то, основываясь на опыте работы с этими аппаратами, мы можем представить себе, каким будет цветовое ощущение, но его цветовые координаты останутся неизвестны. Общепринятое выражение "цвет со значением C35 M70 Y95 K5" неверно по определению, поскольку данная комбинация плотностей красок на разных устройствах воспроизводит разные цвета, то есть точки с разными цветовыми координатами в цветовом пространстве человека. Иногда эти точки оказываются близки друг к другу, цвета довольно похожи, но все равно разные.

Сами по себе данные С=35; M=70; Y=95; K=5 мало что говорят нам о цвете. Мы только можем сказать, что в большинстве случаев это будет какой-то красноватый оттенок, но на разных аппаратах он получится по-разному.

Похожую картину мы наблюдаем и с цветовой моделью RGB. В системе RGB, конечно, существует идеальная модель, для которой мы можем рассчитать цветовые координаты, но какой цвет мы увидим на конкретном, далеком от идеала аппарате, мы не знаем. К примеру, на разных мониторах значения в файле R=145, G=100, B=50 вызовут разные цветовые ощущения, и понятно только то, что это будет красноватый оттенок.

Данные RGB и CMYK являются аппаратными данными, мало что говорящими о цветовых ощущениях без привязки к конкретному аппарату.

Чтобы добиться совпадения цветов, полученных на разных аппаратах и с помощью разных цветовых моделей, у нас есть только один количественный способ — добиться равенства их цветовых координат. Но определение цветовых координат из аппаратных данных RGB и CMYK невозможно без учета особенностей данного конкретного устройства.

В устройствах оцифровки изображений (цветорегистрирующих устройствах) - сканерах и цифровых фотокамерах — приемники, чувствительные к различным участкам спектра, фиксируют интенсивность излучения на этих участках. Цветовая модель будет определяться цветными фильтрами или цветными источниками света, применяемыми в конкретных аппаратах. Для сканеров это чаще всего RGB, а для цифровых фотокамер (ЦФК) — модели RGBG, CMYG (или другие). Только в последнее время появились матрицы, работающие по обычной RGB-цветовой модели.

Как и цветовоспроизводящие устройства, устройства оцифровки далеки от совершенства. Данные, полученные с помощью сканеров и ЦФК, не дают возможности вычислить цветовые координаты точек исходного изображения, т.е. они тоже являются не данными о цвете, как многие думают, а массивом аппаратных данных.

Определение цветовых координат для аппаратных данных конкретных цветовоспроизводящих устройств. Профайл устройства.

Под цветовоспроизводящим устройством понимается не только сам аппарат, но и весь комплекс факторов, которые могут повлиять на цветовоспроизведение.

Для монитора (помимо яркости, контраста и цветности фосфоров) - это цветовая температура белой точки, другие параметры настройки управляющей электроники, видеокарта и ее программное обеспечение.

Для принтера — это свойства запечатываемого материала, свойства красок, система программного управления (драйвер принтера или самостоятельный RIP).

Для офсетного печатного станка — это еще и аппараты и программное обеспечение для получения печатных форм. И так далее.

Под устройством оцифровки изображений понимается также вся совокупность факторов: оптическая система, цветорегистрирующие свойства ПЗС-линейки или ПЗС-матрицы, программное обеспечение и т.д. Со сканерами больших проблем не возникает: это достаточно стабильные устройства, у которых мало переменных параметров. Но с цифровыми фотоаппаратами дело обстоит гораздо хуже: освещение фотографируемой сцены также является параметром данного цветорегистрирующего устройства.

Поскольку математически учесть все факторы, влияющие на цветовоспроизведение, невозможно, поступают так: спектрофотометром промеряют некоторое количество разноцветных патчей (цветных прямоугольников), получившихся при воспроизведении различных стандартных аппаратных данных: RGB-данных для мониторов и CMYK-данных для печатающих устройств.

Спектрофотометр замеряет т.н. спектральные данные, то есть количество световой энергии, отраженной от патча (в случае монитора — излучаемой), сразу во многих интервалах, расположенных вдоль всего видимого спектра. В результате получается сложный набор данных — серия величин, которые визуально интерпретируются в виде кривой спектрального распределения.

По спектральным данным программное обеспечение спектрофотометра вычисляет цветовые координаты конкретного патча, которые соответствуют конкретному соотношению RGB- (CMYK-) аппаратных данных. Что нам и требуется. Информация фиксируется в специальном файле текстового формата.

Текстовый файл, содержащий в себе информацию о цветовых координатах промеренных патчей, называется "файл цветового соответствия" (color reference file) для данного аппарата.

Для устройств печати используют стандартный набор патчей, представленный в виде т.н. тест-карты.

При настройке монитора программное обеспечение спектрофотометра последовательно выдает на экран цветовые пятна, создаваемые заранее известным соотношением яркостей свечения люминофоров.

В отношении устройств оцифровки изображений применяется следующая схема: оцифровывается стандартное изображение (мишень), содержащее цветные патчи с заранее определенными цветовыми координатами. После оцифровки мишени в полученном файле изображения определяется то, какое соотношение аппаратных данных соответствует этим заранее известным цветовым координатам.

Стандартное тестовое изображение, предназначенное для устройств оцифровки, называется Input Target. В настоящее время используется восьмая версия данной мишени — IT-8.

Поскольку набор стандартных патчей для каждого типа устройств ограничен (для сканеров 287 патчей, для мониторов 16-32, для печатающих устройств, как правило, 840), а в задачу устройства входит воспроизведение всех координат цветового пространства человека, прибегают к методу интерполяции. Это значит, что аппаратные данные, которые должны воспроизвести цвет, отличающийся от цветов тест-карты (а таковых подавляющее большинство), математически рассчитываются при помощи специальных программ. Понятно, что чем больше промеров сделано, тем точнее будут данные, полученные интерполяцией.

Специальные программы анализируют файл цветового соответствия (reference), выполняют математический расчет аппаратных данных для воспроизведения промежуточных цветов и снабжают файл дополнительной информацией, необходимой для работы графических редакторов.

Результатом работы является новый файл, имеющий расширение ICM (ICC). Этот файл носит название профайла(color profile) данного устройства, а сам процесс спектральных измерений и построения профайла носит название характеризации устройства.

Какую же информацию несет в себе полноценный профайл устройства?

Полноценный профайл устройства содержит:

• указание на то, какая цветовая координатная система должна использоваться CMM (Color Management Module) графического редактора при работе с этим профайлом — т.н. Profile Connection Space (PCS);
• цветовые координаты белой точки устройства, и, иногда, чёрной точки;
• цветовые координаты осветителя;
• таблицы (от 2 до 6) преобразования наборов значений плотностей красок (для печатающих устройств) или степени свечения люминофоров (для аддитивных устройств) в ЦКС PCS и обратно;
• таблицы компенсации градационных искажений устройства;
• таблицы предискажений входных данных, служащие для увеличения точности преобразования (чаще всего не используются, то-есть таблица — просто линейная функция);
• ряд других служебных данных.

Полную информацию о содержимом того или иного профайла можно получить при помощи программной утилиты "ICC Profile Inspector", бесплатно распространяемой в Интернете сотрудниками www.color.org.

Итак:

Профайл устройства — это подробное описание цветовоспроизводящих свойств данного устройства, зафиксированное в файле с расширением ICM (ICC).

Если у нас есть описание цветовоспроизводящих свойств устройства (профайл), то аппаратным данным легко могут быть поставлены в соответствие цветовые координаты (цветовые ощущения). Любому сочетанию значений RGB (CMYK) данного устройства однозначно соответствуют определенные цветовые координаты.

Например, аппаратным данным С= 71; M= 46; Y= 95; K= 34 для принтера Epson 1290, заправленного стандартным картриджем и бумагой Premium Semigloss Photo paper, работающего через РИП Harlequin, соответствует цветовое ощущение с координатами L= 47 ; a= -18; b= 35 (цвет хаки).

Данным R= 91; G= 150; B= 23 для принтера Epson 1290, заправленного стандартным картриджем и бумагой Premium Semigloss Photo paper, работающего через стандартный RGB-драйвер, соответствует то же цветовое ощущение с теми же цветовыми координатами: L= 47 ; a= -18; b= 35.

Данным С= 69; M= 39; Y= 62; K= 9 для офсетного печатного станка RYOBI 522-HX, заправленного мелованной бумагой и евростандартными красками, соответствуют те же координаты L= 47 ; a= -18; b= 35.

Данным С= 53; M= 22; Y=73 ; K= 2 для флексографской печатной машины ARSOMA EM-280, заправленной полуглянцевой бумагой Fasson и красками AkzoNobel, соответствуют те же координаты L= 47 ; a= -18; b= 35.

Данным R= 104; G= 146; B= 70 для монитора Mitsubishi Diamontron 2020U с цветовой температурой белой точки 5500°K, соответствуют те же координаты L= 47 ; a= -18; b= 35.

Данным R= 102; G= 131; B= 48 для монитора LG Flatron 795FT с цветовой температурой белой точки 5500°K, соответствуют те же координаты L= 47 ; a= -18; b= 35.

Несмотря на то, что аппаратные данные совершенно разные, и даже цветовые модели разные, на выходе будет одно и то же цветовое ощущение, один и тот же цвет. Подчеркнем, что в нашем примере речь идет о конкретных аппаратах с конкретными настройками.

С другой стороны, соответствие цветовых координат аппаратным данным конкретных устройств неоднозначно. Нам зачастую необходимо подменить цвета, которые устройство не в состоянии воспроизвести, поскольку цветовые координаты этих цветов находятся вне цветового охвата устройства. Соответствие цветовых координат компонентам цветовой модели RGB (CMYK) зависит от способа подмены (об этом мы будем говорить в следующей главе).

Если в файле с цифровым изображением кроме RGB- (CMYK-) данных записан еще и профайл устройства, с помощью которого мы воспроизводили (оцифровывали) изображение, то это означает, что мы уже имеем в файле не просто аппаратные данные, а данные о цвете.

Основываясь на данных о цвете, модуль-интерпретатор профайлов (CMM) может вычислить аппаратные данные для другого устройства (имея его профайл), а устройство в точности воспроизведет исходные цвета, при условии, что они не выходят за границы его цветового охвата. Рассмотрим вопрос подробнее.

Сначала, с помощью профайла, записанного в файле изображения, для RGB- (CMYK-) данных файла определяются соответствующие цветовые координаты:

RGB (или CMYK)=>L*a*b*

Потом, уже с помощью профайла воспроизводящего устройства (и в соответствии с выбранной схемой подмены внеохватных цветов), вычисляется соответствие значений RGB (CMYK) для этих цветовых координат.

L*a*b*=> R`G`B` (или C`M`Y`K`)

Значок => означает не просто "переход", а "определение с помощью профайла данного конкретного устройства".

Если все цвета изображения лежат внутри цветовых охватов всех этих устройств, мы на всех цветовоспроизводящих устройствах увидим одни и те же цвета, совпадающие с цветом оригинала.

Все эти преобразования будут называться конверсией "profile to profile" (RGB to R`G`B`, или RGB to CMYK, или CMYK to C`M`Y`K`, или CMYK to RGB). По сути, происходит переопределение аппаратных данных, предназначенных для одного устройства, в аппаратные данные другого устройства. Но все эти конверсии проходят только через вычисление цветовых координат в той или иной ЦКС. Выбор конкретной ЦКС определен в профайле как Profile Connection Space (PCS).

Для большинства профайлов PCS — это L*a*b*, но иногда встречаются профайлы, для которых PCS — это XYZ. К таковым относятся, например, профайлы мониторов, создаваемые утилитой Adobe Gamma.

Все расчеты цвета в компьютере производятся только путем определения цветовых координат при помощи профайлов устройств!

Встречаются случаи, когда аппаратным данным одного устройства поставлены в прямое соответствие данные другого устройства, но это значит только то, что первоначально они все равно были определены через цветовые координаты.

Для цветовых моделей, отличных от RGB и CMYK, профайлы создаются точно так же: определяются цветовые координаты для некоторых сочетаний значений аппаратных данных.

Напомним еще раз важное положение:

Если изменить хотя бы один из параметров цветовоспроизводящего устройства, например, скорректировать цветовую температуру белой точки монитора, заменить глянцевую бумагу в принтере на матовую или в офсете поменять мелованную бумагу на газетную, — у нас появится совершенно новое устройство. Оно уже по-другому будет воспроизводить аппаратные данные из файла, и следовательно, потребуется новое описание его цветовоспроизводящих свойств, т.е. создание нового профайла.

То, что аппарат стоит на том же месте, корпус его того же цвета, затрачены те же деньги на его приобретение и внешне все по-прежнему, ничего не означает, — в нашем распоряжении появилось новое цветовоспроизводящее устройство, требующее построения нового профайла.