Dlaczego przestrzenie kolorów nie zajmują całego spektrum kolorów?

Spójrz na schemat chromatyczności CIE 1931 pokazany z gamą przestrzeni kolorów sRGB. Dlaczego niektóre kolory celowo są pomijane w przestrzeniach kolorów, jak pokazano poniżej? Dlaczego nie uwzględnić wszystkich kolorów?

sRGB to przestrzeń kolorów opracowana przez HP i Microsoft w 1996 roku. Monitory CRT były powszechne, dlatego sRGB opierało się na charakterystyce możliwości tych monitorów. Dobry opis historii i powodów można znaleźć tutaj .

Współrzędne chromatyczności i dostępne kolory wybrano na podstawie tego, co mogły wytworzyć luminofory stosowane w CRT. Weź pod uwagę, że ani wydruki, ani monitory TFT ani CRT nie mogą powielać pełnego spektrum światła widzialnego.

Program na komputerze lub kamerze, który chce kontrolować monitor, będzie korzystał z wartości dyskretnych. Jeśli używasz większej przestrzeni kolorów, kroki między różnymi kolorami stają się grubsze, chyba że użyjesz większego typu danych (Przykład: Adobe RGB z 8 bitami). Podczas gdy informacje o obrazie w większej przestrzeni kolorów z większym typem danych zużywa więcej pamięci i wymaga więcej mocy przetwarzania (przykład: Adobe RGB z 16 bitami). Ta wartość cyfrowa zostanie przekształcona w sygnał analogowy (zwykle napięcie) na pewnym etapie, a następnie w coś widocznego (dla CRT: ekran fosforyzujący wzbudzony przez przyspieszone elektrony).

Rozdzielczość konwersji sygnału cyfrowego na sygnał analogowy jest dodatkowym ograniczeniem ze względu na koszt, rozmiar i technologię.

Dlatego dopasowanie sRGB do monitorów CRT pozwoliło wtedy uzyskać dobrą rozdzielczość między kolorami przy jednoczesnym zminimalizowaniu wymagań sprzętowych.

Wykres chromatyczności CIE 1931 przedstawia wszystkie kolory, które widzi przeciętne ludzkie oko. Ale fakt, że te kolory są postrzegane przez przeciętne ludzkie oko, nie oznacza, że ​​wszystkie technologie mogą wytworzyć wszystkie możliwe kolory, które przeciętne oko może zobaczyć. Chociaż żaden model trójbodźca nie jest w stanie stworzyć całej gamy postrzegania kolorów przez ludzi, różne modele kolorów RGB pokrywają bardzo szeroki zakres większości postrzegania kolorów przez ludzi.

Uświadom sobie, że na opublikowanym diagramie, a nawet na każdym schemacie CIE, który masz na komputerze, jest to tylko model. Rzeczywiste kolory na schemacie poza schematem sRGB są w rzeczywistości reprezentowane przez wartość RGB w pliku obrazu. Ale „czysta zieleń” na górze oznaczonego diagramu sRGB nie jest tak naprawdę „czystą zielenią” sRGB (tj. Nie jest to wartość [R, G, B] wynosząca [0,0, 1,0, 0,0]). Schemat jest tylko modelem pokazującym, w granicach technologii, co jest zawarte / wyłączone w przestrzeniach kolorów CIE i sRGB.

W szczególności dla sRGB został zaprojektowany i ustandaryzowany, aby pomieścić monitory CRT w połowie lat 90-tych. Kineskopy wytwarzają kolory, emitując i łącząc światło z trzech różnych pistoletów fosforowych (szczególnie czerwonego, zielonego i niebieskiego widma). Brak dodatkowych pistoletów fosforowych o różnych długościach fal nie pozwala na emisję wszystkich kolorów, które ludzie mogą zobaczyć.

Kolor zazwyczaj opisujemy, mówiąc, że jest pomarańczowy, wiśniowy lub różowy. Idź do sklepu z farbami i podnieś próbki próbek. Zobaczysz zimową biel i czerwoną płomień, a może cukierkowo-czerwone jabłko. Nazwy takie jak te nie klasyfikują się w zadowalający sposób. Jednym z najwcześniejszych i być może najlepszych systemów jest system Munsell. Opracowany przez Alberta H. Munsella ułożył trójwymiarową bryłę wszystkich kolorów, którą można przedstawić za pomocą rzeczywistych próbek wykonanych przy użyciu stabilnych pigmentów. Myślę, że to najlepsza metoda.

Następny był System CIE (Międzynarodowa Komisja Oświetlenia). Eksperymenty dotyczące mapowania reakcji kolorów ludzkiego oka rozpoczęły się na początku lat dwudziestych. Uczniowie dopasowali kolory, które były mieszankami trzech jasnych kolorów podstawowych: czerwonego, zielonego i niebieskiego. Stwierdzono, że komórki ludzkiego oka odpowiedzialne za widzenie kolorów są triadami - jedna pigmentowana, aby otrzymać czerwony, jeden zielony i jeden niebieski. Stwierdzono, że można mieszać te trzy pierwotne kolory i tworzyć wszystkie kolory, które widzą ludzie.

Jednak nauka nie jest w stanie stworzyć idealnych filtrów ani doskonałych pigmentów. W każdym przypadku nieco brakuje nam znaku. System CIE wykorzystuje fikcyjne nazwy podstawowe. Można je mieszać w celu uzyskania wszystkich kolorów, które widzimy. Fakt, że używane są fikcyjne nazwy podstawowe, nie umniejsza wartości systemu. Być może to Ty stworzysz doskonałe filtry kolorów i powtórzysz zadanie.

System CIE określa kolory pod względem ilości każdego z trzech podstawowych. Ta mieszanka kolorów jest przeznaczona dla standardowego obserwatora, ponieważ tysiące zostały przetestowane, a wyniki uśrednione. Wykres wyników to granica w kształcie podkowy, która reprezentuje pozycję kolorów o najwyższym nasyceniu. To są kolory widma. Kolorowe obszary wykresu to granice nasycenia możliwe do uzyskania przy użyciu nowoczesnych farb drukarskich. W pobliżu centrum znajduje się punkt oświetleniowy, który jest przeznaczony do światła dziennego.

Zauważ, że kolor postrzegany za pomocą systemu Munsella ma trójwymiarową identyfikację: odcień, jasność i nasycenie. System CIE jest dwuwymiarowy. Linia prosta u dołu reprezentuje karmazynowy i purpurowy maksymalne nasycenie. Te kolory nie występują w widmie lub tęczy; ich odcienie są wyrażone jako długość fali. Mogę iść dalej, ale może powinniśmy trzymać się Munsella.

Każda przestrzeń kolorów oparta na kolorach podstawowych RGB opisuje trójkąt. Ponieważ schemat CIE nie jest idealnie trójkątny, niemożliwe jest umieszczenie wszystkich z nich w trójkącie bez tworzenia wyimaginowanych kolorów, które nie mogą istnieć fizycznie. W szczególności wartości R, G, B stosowane w dowolnym czujniku lub wyświetlaczu muszą mieścić się w fizycznych kolorach. Zauważ, że dotyczy to tylko urządzeń fizycznych, istnieją przestrzenie kolorów, które używają wyimaginowanych kolorów dla punktów RGB, ale służą wyłącznie do manipulacji matematycznych.

Istnieją również inne ograniczenia dotyczące punktów RGB. Po pierwsze, lepiej, jeśli można je osiągnąć dzięki opłacalnej obecnej technologii. Punkty za sRGB zostały zaczerpnięte z Rec. 709, który zdefiniował zakres obsługiwany przez telewizory HDTV w 1990 roku. Po drugie, zbyt duże odstępy między punktami prowadzą do problemów z rozróżnianiem podobnych kolorów, gdy reprezentacja jest ograniczona, np. Do 24 bitów. Lepiej mieć dobrą reprezentację wspólnych kolorów niż reprezentację kolorów, które prawie nigdy nie są widoczne.

Przy więcej niż 3 kolorach podstawowych możliwe byłoby zdefiniowanie przestrzeni kolorów, która nie jest trójkątna, co obejmowałoby więcej przestrzeni CIE. Sony wyprodukowało czujnik RGBE, który zawierał „Szmaragdowy” element podstawowy między niebieskim a zielonym, ale używał go tylko w jednym aparacie przed jego porzuceniem. Nie udało mi się znaleźć żadnych informacji o współrzędnych CIE filtrów, których używa, ale zgadnij, jaka może być gama:

Widać, że obejmuje on znacznie większy obszar niż sRGB, mimo że jako punkt wyjścia wykorzystałem 3 podstawowe sRGB. Trudno powiedzieć na pewno, dlaczego nigdy się nie przyłapał, ale możemy się domyślić. Ponieważ cały świat oprogramowania i drukowania opiera się na 3-podstawowych przestrzeniach kolorów, gamut musi zostać wciśnięty w jedną z nich, a wszelkie zalety RGBE zostaną utracone w tłumaczeniu.

Każdy piksel na monitorze ma poziomą i pionową pozycję na ekranie. W tej pozycji znajdują się trzy „kolory” na kolorowym monitorze, które różnią się intensywnością od 0% do 100%.

Jeśli spojrzysz na zewnętrzną krawędź obszaru figury, zobaczysz kolory, które można by utworzyć za pomocą wszystkich luminoforów, które emitowały światło o czystych długościach fal, przy takim samym postrzeganiu intensywności wizualnej. W obrębie regionu znajdują się reprezentacje „100%” intensywności światła postrzeganego przez (czerwony, niebieski i zielony chromofor) oka ludzkiego przy tym samym poziomie intensywności widzenia. Pomyśl o narysowaniu linii między dowolnymi dwiema czystymi długościami fali i zmienną intensywnością od 0-100% pierwszego koloru i 100% -0% dla drugiego.

Ludzie z dobrym widzeniem kolorów mają 3 różne receptory „kolorowe”. Możesz więc oszukać oko, myśląc, że mieszanka trzech „czystych” długości fal tworzy wiele różnych „kolorów”. W takim przypadku intensywność światła zmienia się w zakresie od 0 do 100% dla każdego z trzech kolorów.

Teraz wewnętrzny trójkąt ma trzy punkty, które oznaczają „efektywny kolor” (mieszankę kolorów) konkretnego luminoforu wybranego dla monitora. (Luminofory nie emitują czystej długości fali światła, ale mieszankę kolorów). Wybrany czerwony luminofor ogranicza, jak „czerwony” może być „czysty czerwony kolor” na monitorze. Tak więc dla zielonego i niebieskiego. Można uzyskać wrażenie mieszanin kolorów, które można uzyskać przy 100% mocy za pomocą współrzędnych trójliniowych.

Aby uzyskać współrzędne trójliniowe, najpierw narysuj traingle między trzema wybranymi luminoforami. Następnie narysuj prostopadłą linię od każdego wierzchołka wewnętrznego trójkąta do przeciwnej strony. Wierzchołek trójkąta ma intensywność 100%, a przecięcie linii z podstawą tworzy intensywność 0%. Wykonanie tego dla wszystkich trzech wierzchołków spowoduje, że trzy linie spotkają się w każdym punkcie wewnętrznym w trójkącie. Jeśli każda linia ma 100 podziałów, na planszy będzie 10 000 punktów. Ponadto intensywność czerwonego / zielonego / niebieskiego w każdym punkcie sumuje się do 100%.

Zauważ, że rogi trójkąta zbliżają się do „czystego” koloru wierzchołka. Wzdłuż boków trójkątów występuje wyraźne przejście podczas przechodzenia z zewnątrz trójkąta do wewnątrz. ze względu na różne mieszanie kolorów.

mattdm wskazał, że należy również wziąć pod uwagę ogólną „moc” piksela. Jeśli wszystkie trzy luminofory mają intensywność 0%, kolor byłby czarny. Jeśli wszystkie trzy intensywności kolorów wynoszą 100%, kolor powinien być zbliżony do białego. Aby uzyskać biel, oczywiście trzy luminofory muszą być starannie wybrane.

Istnieją przestrzenie urządzeń i przestrzenie kolorów niezależne od urządzenia. sRGB to niezależna od urządzenia przestrzeń kolorów stworzona przez kobietę w HP jako przestrzeń do standaryzacji CRT już za dnia. Chris Cox z Adobe stworzył Adobe 1998. a Kevin Spaulding z Eastman Kodak stworzył przestrzenie kolorów RIMM i ROMM, z których RIMM jest używany jako ProPhoto RGB. Ta przestrzeń faktycznie pokrywa diagram XYZ, ale jest dla nas korzystna tylko wtedy, gdy gama naszych drukarek jest bliska objętości. (Większość wysokiej klasy Epsonów z dobrym błyszczącym papierem zbliża się do Pro Photo RGB)

Prawdziwym problemem jest końcowe użycie obrazu. Powyższe profile przestrzeni kolorów są modelami matematycznymi dla urządzeń, a nie rzeczywistych urządzeń. Korzyścią z tego jest to, że mają równoodległe obiekty podstawowe, a przekształcenia obrazów zawartych w tych przestrzeniach są stosunkowo dobrze zachowane.

Posiadanie przestrzeni kolorów, które nie są przestrzeniami urządzeń i nie zawierają hałasu powodowanego przez gamę urządzeń. Zapewnia to przekształcenia w rzeczywistą przestrzeń urządzenia, taką jak monitor komputera lub drukarki, które są zarówno przewidywalne, jak i dokładniejsze w zależności od urządzenia. Przestrzenie kontenerowe są więc drogą do jakości.

Teraz, aby odpowiedzieć na pytanie „Dlaczego nie uwzględnić wszystkich kolorów?” Cóż, możemy, jeśli użyjemy ProPhoto RGB, ale wtedy mamy wartości RGB (0-255) przypisane do wartości Lab, które są nieco większe niż sRGB (przestrzeń kolorów w Internecie), więc obraz nie będzie wyglądał dobrze, jeśli publikujesz pliki ProPhoto RGB w Internecie. Tak więc obrazy, które muszą wyglądać tak, jak chcemy, muszą być konwertowane na umieszczoną przestrzeń odniesienia. W Internecie, co dzieje się w przeglądarce. Jeśli masz monitor wysokiej klasy, co się dzieje, ponieważ komputer ma znany profil monitora do renderowania kolorów w nowej przestrzeni laboratoryjnej.

Byłoby to częściowo związane z wydajnością kodowania danych (bez marnowania bitów / precyzji), częściowo z przyczyn historycznych i niektórych praktycznych względów.

Istnieje kilka przestrzeni kolorów, które pokrywają wszystkie „widoczne” kolory, ale normalnie nie używalibyśmy ich do zdjęć / filmów. Na przykład ta tabela w twoim pytaniu pokazuje kolory w przestrzeni XYZ CIE 1931, która jest przestrzenią kolorów obejmującą wszystkie kolory widoczne dla ludzi (zgodnie z jej modelem psychologicznym).

Jednak CIE XYZ nie jest przestrzenią kolorów, która normalnie byłaby używana do rzeczywistego przedstawienia danych kolorów , powiedzmy na obrazie lub wideo. Konwersja z powrotem do przestrzeni RGB jest względnie złożona, zmarnowałaby wiele kawałków precyzji na przestrzeni poza zakresem kolorów, które może wygenerować większość monitorów lub czujników, nawet kolory poza przestrzenią, którą widzą ludzie. Operacje matematyczne, które można łatwo obliczyć w przestrzeni RGB, byłyby bardzo złożone w czymś takim jak CIE XYZ i we wszystkich praktycznych aspektach wymagałyby pośredniej konwersji.

Przestrzeń kolorów RGB znacznie ułatwia pewne operacje. Monitory i ekrany natywnie używają przestrzeni kolorów RGB. Jeśli używasz przestrzeni kolorów RGB, ponieważ twój nośnik wyjściowy jest z natury oparty na RGB, początkowo sensowne jest użycie przestrzeni kolorów, która jest równa lub ściśle odpowiada czerwonym, zielonym i niebieskim podstawowym barwom podstawowym, które może zrobić Twój nośnik wyjściowy. W przeszłości kolorowe monitory używały luminoforów, które wytwarzały podobne kolory podstawowe czerwony, zielony i niebieski, tak więc przestrzeń RGB tylko dlatego, że „standardowa” przestrzeń kolorów. Monitory nie są jednakowe, coraz bardziej, dlatego wynalezienie przestrzeni kolorów niezależnej od urządzenia jest dobrym pomysłem: sRGB jest najczęstszą przestrzenią niezależną od urządzenia i ściśle pasuje do typowych czerwonych, zielonych i niebieskich barw podstawowych z epoki monitorów CRT. sRGB stał się de facto standardem dla monitorów, telewizorów (rec 601 i rec 709,

Tak więc częścią popularności sRGB jest jej umocnienie we wszystkich tych obszarach. Jeśli chodzi o przestrzenie kolorów, a nawet same przestrzenie RGB, jest to bardzo ograniczone, więc otrzymujesz Adobe RGB, ProPhoto i inne przestrzenie RGB z rozszerzonymi gamami. Kodowanie w nich staje się nieco mniej wydajne, w niektórych przypadkach wymaga użycia więcej niż 8 bitów na kanał, ale obejmują one szerszą gamę, którą mogą zrobić nowe monitory i technologie wyświetlania, i zaspokajają potrzebę „działającej przestrzeni kolorów” , gdzie twoja wejściowa i wyjściowa przestrzeń kolorów może się różnić w zależności od urządzenia, więc równie dobrze możesz użyć przestrzeni pośredniej o naprawdę szerokiej gamie, aby można było konwertować między nimi przy minimalnej stracie. ProPhoto RGB, często używany jako „działająca” przestrzeń kolorów, ponieważ jest „wystarczająco szeroka” aby przekroczyć niemal dowolną przestrzeń kolorów, jaką można sobie wyobrazić, może pokryć prawie wszystkie widoczne kolory (zgodnie z CIE 1931), z wyjątkiem niektórych bardzo głębokich zieleni i fiołków (znowu, są one daleko poza tym, co mogą monitorować lub inne urządzenia display), ale w rezultacie kodowanie jest dość nieefektywne, a wiele współrzędnych po prostu nie jest wykorzystywanych, ponieważ nie mieszczą się w zakresie widocznych kolorów. Co ciekawe, jego podstawowe (tj. Czerwony, zielony i niebieski) są „urojone” - niemożliwe jest wytworzenie emitera lub czujnika z podstawowymi ProPhoto RGB, ponieważ jego pierwotne kolory są niemożliwe - istnieją tylko matematycznie, jako sposób na przeniesienie kolorów do lub z innych przestrzeni. może pokryć prawie wszystkie widoczne kolory (zgodnie z CIE 1931), z wyjątkiem niektórych bardzo głębokich zieleni i fiołków (znowu, są one daleko poza tym, co mogą wyświetlać monitory lub inne urządzenia), ale w rezultacie kodowanie jest dość nieefektywne, z wieloma współrzędnymi po prostu nieużywanymi, ponieważ wykraczają poza zakres widocznych kolorów. Co ciekawe, jego podstawowe (tj. Czerwony, zielony i niebieski) są „urojone” - niemożliwe jest wytworzenie emitera lub czujnika z podstawowymi ProPhoto RGB, ponieważ jego podstawowe kolory są niemożliwe - istnieją tylko matematycznie, jako sposób na przeniesienie kolorów do lub z innych przestrzeni. może pokryć prawie wszystkie widoczne kolory (zgodnie z CIE 1931), z wyjątkiem niektórych bardzo głębokich zieleni i fiołków (znowu, są one daleko poza tym, co mogą wyświetlać monitory lub inne urządzenia), ale w rezultacie kodowanie jest dość nieefektywne, z wieloma współrzędnymi po prostu nieużywanymi, ponieważ wykraczają poza zakres widocznych kolorów. Co ciekawe, jego podstawowe (tj. Czerwony, zielony i niebieski) są „urojone” - niemożliwe jest wytworzenie emitera lub czujnika z podstawowymi ProPhoto RGB, ponieważ jego podstawowe kolory są niemożliwe - istnieją tylko matematycznie, jako sposób na przeniesienie kolorów do lub z innych przestrzeni. z wieloma współrzędnymi po prostu nieużywanymi, ponieważ wykraczają poza zakres widocznych kolorów. Co ciekawe, jego podstawowe (tj. Czerwony, zielony i niebieski) są „urojone” - niemożliwe jest wytworzenie emitera lub czujnika z podstawowymi ProPhoto RGB, ponieważ jego podstawowe kolory są niemożliwe - istnieją tylko matematycznie, jako sposób na przeniesienie kolorów do lub z innych przestrzeni. z wieloma współrzędnymi po prostu nieużywanymi, ponieważ wykraczają poza zakres widocznych kolorów. Co ciekawe, jego podstawowe (tj. Czerwony, zielony i niebieski) są „urojone” - niemożliwe jest wytworzenie emitera lub czujnika z podstawowymi ProPhoto RGB, ponieważ jego podstawowe kolory są niemożliwe - istnieją tylko matematycznie, jako sposób na przeniesienie kolorów do lub z innych przestrzeni.

Mniejsze przestrzenie kolorów służą do:

• ograniczona transmisja obrazu. Korzystanie z mniejszej przestrzeni kolorów poprawi dokładność kolorów w porównaniu z ogromną pełną przestrzenią kolorów, biorąc pod uwagę tę samą głębię kolorów dla obu
• wstępnie renderowane obrazy, gotowe do oglądania na docelowym sprzęcie, który nie zastosuje żadnych konwersji przed przesłaniem