Цветопередача

Оригинал: ExtremeTech
Перевод: Сергей Мильчаков, Дмитрий Чеканов

Различные устройства используют разные цветовые модели

Существует несколько подходов к описанию цветов, и каждый такой подход называется цветовой моделью. Например, вы можете присвоить определенный цвет сочетанию конкретного оттенка, насыщенности и яркости (модель HSB - hue, saturation, brightness - модель тон-насыщенность-яркость), или определенному сочетанию красного, зеленого и синего (RGB модель - модель красного-зеленого-синего), или сочетанию голубого, пурпурного и желтого (модель CMY), или сочетанию голубого, пурпурного, желтого и черного (модель CMYK).

Кроме определения самих цветов, каждая модель предполагает ещё деление каждого параметра на определенное количество градаций. В некоторых схемах таких градаций может быть сто. В других - 256. Такое число выбрано неслучайно - в цифровом мире оно более удобно - можно описать 256 градаций каждого цвета, описывая каждый цвет восемью битами, или одним байтом.

Все эти цветовые модели, и некоторые другие, широко используются для описания цвета как в программном обеспечении, так и в различных устройствах, таких как цифровые фотоаппараты, сканеры, мониторы и принтеры. К сожалению, исторически сложилось, что большинство из этих моделей зависят от устройств. То есть определение конкретного цвета относится лишь к определенному устройству. И это усложняет задачу безошибочной передачи информации о цвете.

Зависящие от устройств модели могут носить одинаковые названия, но они не будут при этом описывать под одним именем одинаковые цвета, если не брать во внимание совпадения. Например, некоторые принтеры работают по модели CMYK. (Не все. Некоторые принтеры могут использовать модель RGB и переводить эти цвета в CMYK модель.)

Предположим, вы определили цвет в программе как 120 частей синего, 75 частей пурпурного и 130 частей желтого. Затем распечатали это изображение на трех принтерах, каждый из которых использует зависящую от устройства модель CMY или CMYK. В итоге вы обнаружите, что полученные изображения совсем разные. А кроме всего прочего, ни одно из полученных изображений не будет соответствовать изображению на вашем мониторе.

Дело не в том, что принтер печатает неправильно, просто у каждого принтера своя собственная цветовая модель, пусть даже она имеет то же название, что и модель другого принтера. Итак, хотя мы и задали цвет, на каждом принтере он выводится по-своему.

Проблема становится серьезнее, когда необходимо перевести цвет из одной зависящей от устройства модели в другую подобную. Например, сканеры используют красные, зеленые и синие сенсоры, и представляют информацию о цвете в модели RGB. Поэтому, если вы отсканируете изображение и откроете его в программе для рисования, информация о цвете картинке определена в модели RGB. Если вы захотите распечатать это изображение на принтере, использующем, модель CMYK, вам придется по ходу дела переводить информацию о цвете.

Чтобы перевести цвет из одной модели в другую, ваше программное обеспечение должно сделать предположения относительно цветовой модели RGB, откуда оно будет переводить цвет, и относительно модели CMYK, куда будет осуществляться перевод. Если хотя бы одно из предположений окажется неправильным - а они редко оказываются правильными - цвета могут сдвинуться ещё больше, чем если бы вы просто переместили информацию о цвете из одной модели в другую вообще без преобразования.

Говоря о цветовых моделях, нельзя не отметить тот факт, что существуют модели, не зависящие от устройства - либо потому что они описывают цвет с точки зрения зрительной системы человека, или потому что они используют общепринятые эталоны. К числу первой категории относятся модели, разработанные или основанные на исследованиях Международной комиссии по освещению, МКО (Commission International d'Eclairage - CIE). Как правило, в именах этих моделей можно встретить символы CIE - например, модель CIE LAB, используемая в Photoshop, предназначена для профессионалов. Кроме того, она служит основой для цветовых профилей в цветных PostScript принтерах. (Так как, начиная с версии PostScript 2, она была внедрена в PostScript.) Тем не менее, в большинстве приложений эта модель не поддерживается.

Ко второй категории относится получающая широкое распространение модель sRGB, поддерживаемая в Windows. Однако конвертирование цветовой информации из зависимой от устройств модели в независимую модель, все равно, требует предположений, в результате которых могут возникнуть ошибки. Существует два способа устранения ошибок при передаче информации о цвете. Можно либо все аппаратное и программное обеспечение должно использовать независимую от устройства модель, либо они должны поставляться с таблицами для перевода цвета - известными как профили - они позволят программному обеспечению перевести информацию о цвете с устройства без каких-либо предположений.

Несколько слов о профилях ICC, sRGB и scRGB

Профили ICC, sRGB и scRGB являются взаимодополняющими инструментами для решения однотипных задач в различных условиях. Можно провести аналогию с ножами - нож для очистки овощей, острый столовый нож, наконец, хлебный нож - всё это режущий инструмент, но используется он по-разному. В двух словах, профили ICC предназначены для профессионалов, sRGB - для обыкновенных пользователей, а scRGB - для более искушенных пользователей. Конечно же, характеристики профилей этим не ограничиваются.

Исторически так сложилось, что профессионалы работают в области типографии, фотографии и проводят допечатную подготовку информации. Так сложилось, что именно в этих областях от цифровой фотографии и графики требуется максимально точная цветопередача. Обычно устройства калибруются с помощью замкнутой калибровки - одна единица оборудования калибруются с помощью другой - при этом используются схемы управления цветом, разработанные специально для каждого продукта. Скажем, если бы вам, как фотографу, пришлось бы иметь дело с двумя различными сервисными центрами, вам бы пришлось по отдельности производить замкнутые калибровки для работы с каждым из этих центров. Профили ICC предоставляют стандартный подход к управлению цветом, востребованный профессионалами.

Международное сообщество проблемы цветопередачи (ICC) было сформировано в 1993 году как консорциум ColorSync, которым заправляла всем знакомая компания Apple Computer. Кроме того, к консорциум входили Sun, SGI, Microsoft, Adobe, Agfa и Kodak. Основной целью этого образования было определение стандарта для управления цветом. Для этого сначала было определено аппаратно-независимое цветовое пространство (profile connection space - PCS), с помощью которого явно определялись соответствующие параметры описываемых цветов. Пространство описывало идеальное изображение, распечатанное на совершенной бумаге (non-selective diffuser) чернилами с большим динамическим диапазоном и широкой цветовой гаммой. Изображения исследовались на стандартном стенде ANSI PH-2.30, освещенном D50 - эквивалентом дневного света температурой 5000 градусов.

После определения пространства, стало возможным определить профиль для каждого устройства в этом пространстве. Пространство предоставляет все необходимое для работы с цветом. Профиль описывает цвет для любого устройства вывода информации (сканера, камеры, принтера или монитора) в виде соотношения с тем пространством, и позволяет преобразовывать цвет к этому пространству и из него.

Добавив информацию о профиле в файл с изображением, можно описать, что именно означает информация о цвете в данном файле. При имеющемся профиле, программа или операционная система, поддерживающая профили ICC может связать цвета одного устройства с цветами другого. Другими словами, данное пространство служит эффективной основой для универсальных преобразований цветов.

Примерно так функционируют профили ICC. Важно понимать, что реалии профилей ICC небезоблачны. Скажем только, что и у ICC профилей есть ограничения. В частности, пространство не определяет всех параметров, которые в идеале необходимо определить. Некоторые параметры определены неоднозначно. Большинство этих ограничений не имеют прямого отношения к нашему повествованию. Вы можете ознакомиться с этими вопросами по данному адресу. Там вы найдете документацию и отчеты достижений ICC. Отметим, что профили ICC вовсе не совершенны. Многие профессионалы и различные службы, особенно те, которые пользуются принтерами CMYK, отдают предпочтение старым, проверенным методам, возникшим задолго до профилей ICC.

Профили ICC поддерживаются и в операционных системах Apple Macintosh (посредством ColorSync 2 и следующих), и в Microsoft Windows 98 и далее (посредством ICM 2.0, ICM 1.0 в Windows 95 также поддерживала профили ICC, только с некоторыми ограничениями). Отметим, что эта операционная система не занимается управлением цветов автоматически. Она только позволяет вам использовать профили ICC.

Любой сканер, камера, монитор или принтер могут поставляться с профилями ICC. Те устройства, которые поставляются с профилями, могут устанавливать их когда вы устанавливаете драйверы. Если же вам попалось устройство без профиля ICC, вы можете установить профиль самостоятельно. Профиль можно найти на веб-сайте компании. Чтобы установить профиль в любую версию Windows, достаточно щелкнуть правой кнопкой по профилю и выбрать пункт "Установить профиль". После этого файл скопируется в папку Windows/System/Color, и добавится запись в реестр. Затем откройте диалоговое окно Свойства для устройства, откройте вкладку Управление Цветом, нажмите кнопку Добавить. Профессионалы в любом случае должны регулярно обновлять профили, поставляемые с устройством или найденные в Интернете - ведь они приблизительны. Каждое конкретное устройство отличается от другого устройства этой же модели. Например, некоторые принтеры могут день ото дня изменять цвет под воздействием температуры и влаги. И уж тем более, большинство принтеров меняют цвет после смены чернил. Подобным образом изменяются и цвета, воспроизводимые мониторами - мониторы из одной серии могут показывать различные цвета.

Поэтому для профессионального управления цветом необходимо после создания профиля для конкретного устройства регулярно восстанавливать его. Процедура восстановления практически сводится к замкнутой калибровке. Разница в том, что вместо калибровки одного устройства относительно другого, вы калибруете все устройства относительно единого стандарта - пространства ICC профиля.

Хотя некоторые устройства, включая профессиональные сканеры, поставляются со своими инструментами для создания профилей ICC, легче от этого не становится. Большинство устройств, все же, поставляется без инструментов, что означает, либо вы должны приобрести себе такой пакет инструментов (включая калибровочное программное обеспечение и колориметр или фотоспектрометр) и научиться пользоваться этим пакетом, либо заплатить кому-то ещё, чтобы он выполнил за вас эту работу.

В итоге, чтобы вы могли воспользоваться профилями ICC, ваши программы должны их поддерживать. Назовем API, поддерживающие эти профили: в среде Windows - это ICM, в среде Macintosh - это ColorSync. Чтобы программы могли работать с профилями, они должны уметь взаимодействовать с API. Кроме того, вашей программе необходимо указать, чтобы она пользовалась именно той схемой управления цветом, которая используется в операционной системе, а не какой-либо другой, альтернативной. Также необходимо проверить, поддерживает ли данная программа профили ICC, и если поддерживает - узнать, каков механизм использования этих профилей.

Все вышесказанное сводится к тому, что профили ICC являются усовершенствованной формой традиционного управления цветом, предназначенной для гуру. Ведь именно им необходимо поддерживать правильность цвета, начиная со стадии разработки продукции вплоть до её выпуска. Тем не менее, этот подход требует слишком больших усилий от большинства пользователей, профили не поддерживаются большинством программ. Ещё одна сложность для потребителей заключается в том, что данные о профилях могут быть встроены лишь только в пять различных типов файлов (BMP, JPG, PNG, TIF, EPS и PICT от Apple). Да и то, при встраивании этих данных в файл, размер файла может сильно увеличиться. Рассмотрим стандарт sRGB, разработанный компаниями Microsoft и Hewlett-Packard для повседневного использования в качестве альтернативы профилям ICC. На сегодняшний момент этот стандарт служит цветовым пространством для HTML, CSS, SMIL и других веб-стандартов. Стандарт утвержден Международной Электротехнической комиссией (International Electrotechnical Commission -IEC) в IEC 61966-2-1, и был опубликован в октябре 1999 года. Этим подразумевается, что данная схема управления цветом достаточно хороша для любых нужд. Процитируем сайт стандарта www.srgb.com "Цель данного стандарта - обеспечить решение для 80% всех нужд". И что самое важное, подразумевается, что каждый пользователь получит свою выгоду от использования этого стандарта, и при этом вовсе не обязательно быть экспертом по цвету или создавать и управлять профилями ICC.

Вспомните, когда вы отдаете пленку на проявку, вы же не указываете, как именно надо её проявлять, не указываете, каким образом нужно корректировать цвет. При этом вы получаете, в общем-то, приемлемое качество цвета. Стандарт sRGB и предназначен для такого рода управления цветом на компьютере, где пользователям не приходилось бы ни о чем задумываться. Ранее таких технологий не существовало. Тем не менее, сегодня вы можете сделать несколько снимков цифровой камерой формата sRGB, или отсканировать какое-то изображение на sRGB-сканере, а затем распечатать это изображения на принтере без каких-либо корректировок, при этом результат будет вполне соответствовать действительности.

Это не означает, что цветопередача совершенна, это не означает даже того, что цвета окажутся теми же, скажем, при распечатке на другом sRGB-принтере. Но эти отклонения будут в пределах разумного. Быть может, вы раньше не замечали, но всё это относится и к обычной фотографии. Если одну и ту же пленку отдать в разные центры, или даже в тот же, только днем позже, вы увидите разницу в цветах на полученных фотографиях. Цвета на обеих будут вполне правильными, но разными.

Важно понимать, что стандарт sRGB не составляет конкуренцию профилям ICC, а лишь дополняет эти профили. Скажем, в Windows 98 и более поздних версиях Windows, в случае отсутствия определенного ICC профиля для какого-либо устройства, профилем по умолчанию становится sRGB. В таблице ниже показано, как взаимодействуют эти схемы. (Таблица относится только к Windows).

Iccsrgbsolution.gif (переведи табличку то, и сделай ее в тексте)

Чаще всего Windows не доступны ни исходные профили, ни профили назначения, в этом случае она просто воспринимает изображения в формате sRGB. Так, например, картинка на веб-странице просматривается именно в формате sRGB, фотографии снимаются и распечатываются в формате sRGB. При этом ни вам, ни вашей операционной системе не нужно производить коррекцию цветов. Вам даже не нужна программа, поддерживающая профили ICC. Но скажем, когда у вас есть принтер с определенным профилем ICC, установленным во время установки драйверов, и вы используете программу, поддерживающую профили ICC, программа может заставить операционную систему перевести только что сделанную цифровую фотографию из схемы sRGB в эквивалентные цвета вашего принтера.

Отметим, что в отличие от Windows, в операционной системе Macintosh вам придется явным образом задавать sRGB профили для каждого sRGB устройства. Необходимо указывать, чтобы операционная система использовала именно этот профиль. Кроме того, заметьте, что в операционной системе по умолчанию профиль sRGB не устанавливается. Чтобы заставить компьютер работать с профилем sRGB, вам необходима программа, поддерживающая профили ICC. Самые главные претензии к sRGB - к встроенным в профиль цветам и к цветовой гамме.

Для профиля sRGB была определена гамма 2.2. Такой выбор обусловлен частично тем, что она позволяла равномерно распределять градации серого. (именно так, как воспринимает цвет человек). Выбор хорош ещё и потому, что обычно мониторы персональных компьютеров тоже пользуются этой гаммой. Однако компьютеры Apple Macintosh используют в своих мониторах гамму 1.8 (что в принципе правильно, хотя излишне упрощено). Именно поэтому на таких мониторах изображения sRGB кажутся темнее, чем надо. Единственное приемлемое решение этой проблемы - это изменение sRGB файла или устройства с помощью ColorSync, создание профиля ICC, соответствующего sRGB, и использование его как любого другого ICC профиля.

Критики sRGB указывают также на тот факт, что цветовая гамма (все цвета, которые способна определить эта схема) значительно меньше гаммы, воспринимаемой человеком. Ниже как раз представлены треугольник (обозначающий sRGB гамму) и уже знакомая вам подкова, представляющая вам все видимые человеческим глазом цвета.

Сторонники sRGB признают ограничения, но указывают на то, что sRGB гамма близка к стандартной гамме большинства мониторов, она также включает в себя большинство цветов, доступных для многих принтеров, поставляемых с компьютерами, поэтому считается, что при просмотре изображений на мониторе или распечатке на принтере потерь цветовой информации практически не происходит. Даже поборники sRGB признают, что до совершенства ещё далеко, и стандарту есть куда развиваться. Существует большой пробел между теми небольшими затратами, требующимися от потребителей, не желающих ничего знать об управлении цветами, и теми высокими требованиями профессионалов, которым важно уметь управлять цветами и периодически исправлять ICC профили.

Ответ компании Microsoft - scRGB (ранее известный как sRGB64). Этот стандарт будет встроен в интерфейс графических устройств GDI+, который будет дополнением к существующему в Windows XP интерфейсу GDI. Стандарт scRGB определен в IEC 61966-2-2 и предназначен для заполнения бреши между гибкой системой управления цветом, существующей в профилях ICC и более ограниченной по своим возможностям схемой sRGB. Так как в основу нового стандарта положена схема sRGB, он очень похож на sRGB. В нем те же основные цвета. Среди преимуществ - scRGB предоставляет более широкую гамму цветов, а 64-битного кодирования с шестнадцатью битами на канал вполне достаточно, чтобы определить 65000 градаций каждого цвета вместо 256 градаций, доступных в sRGB, где на канал выделяется 8 бит.

Заметьте, что цветовая гамма scRGB не только намного больше гаммы sRGB, но также и больше цветовой гаммы, видимой человеческим глазом. Ниже на цветовом графике показано различие между этими гаммами. Кроме того, это изображение есть вид сверху на трехмерное представление гаммы sRGB внутри scRGB.

В отличие от sRGB, новый формат позволяет принимать отрицательные значения, и значения больше 1,0, что дает значительные негласные преимущества при обработке цвета. При работе с информацией о цвете, большинство приложений отбрасывают все значения, ниже нуля (черный цвет) и все значения, больше единицы (белый в градациях серого, или полностью насыщенный цвет).

После такой обработки пропадает значительная часть информации. Чтобы не терять эту информацию - для многократной отмены, например, программам приходится хранить целиком все промежуточные изображения. Позволив приложениям отслеживать значения ниже черного и выше белого, новый формат позволяет приложениям сохранять информацию о цвете без использования большого объема памяти для хранения промежуточных изображений.

Более того, информация будет доступной и при последующей обработке или связывании его с другими устройствами, имеющими более широкую цветовую гамму, нежели представлена в информации о цвете в данном конкретном изображении. А так как форматом обрабатываются значения больше 1,0 формат обладает большей цветовой гаммой по сравнению с sRGB даже не смотря на одинаковые базовые цвета. (При максимальном значении, равным 1,0 гаммы просто будут совпадать. Значения выше 1,0 являются основой расширенной гаммы.)

Компания Microsoft разрабатывала эту схему с тем, чтобы обеспечить ту же простоту в использовании, что обаспечивает sRGB. Для того чтобы воспользоваться новым форматом, не приходится прикладывать практически никаких усилий. Тем не менее, для нормальной работы потребуется большая производительность системы. Поэтому новый формат может нормально работать далеко не на всех системах. Так как пока устройства ещё не поддерживают формат scRGB, мы можем только предполагать, как всё это скажется на реальном мире.

Ниже представлен список литературы по проблемам цвета, цветовосприятия, цифровому цвету и зрительной системе человека.

• Bride M. Whelan
  Color Harmony 2, A Guide to Creative Color Combinations
  (Rockport Publishers, 1994)
• M. David Stone
  The Underground Guide to Color Printers
  (Addison-Wesley, 1996)
• Richard Jackson, Lindsay MacDonald, and Ken Freeman
  Computer Generated Colour, A Practical Guide to Presentation and Display
  (John Wiley & Sons, 1994)
• Robert G. Gann, Ph.D
  Desktop Scanners
  (Prentice Hall, 1999)
• Charles A. Poynton, Poynton's Colour FAQ
• Peter K. Kaiser
  Радость зрительного восприятия
• Компания Adobe располагает большим количеством материалов о цвете и об управлении цветом. Некоторые относятся только к продуктам компании. Наиболее общая информация здесь:
  Теория цвета применительно к персональным компьютерам,
  Цветовые модели
• Веб-сайт международного консорциума (International Color Consortium - ICC)
  http://www.color.org