Reprezentace barev v PC, RGB a barevný prostor
15.9.2006, Roman Pihan, článek
Nové technologie si žádají zcela nové poznatky a dovednosti. A tak i s nástupem digitální fototechniky je nutné převážně chemické dovednosti vyvolávání filmů a fotografií nahradit dovednostmi z oblasti počítačů PC. Mezi jednu ze základních znalostí patří to, jak počítače ukládají a zobrazují barvy.
Možná si řeknete, že vás to nemusí trápit. A budete mít nepochybně pravdu – vyfotografovat scénu můžete i bez znalostí barevných modelů, snadno jí na monitoru zobrazíte a snadno i vytisknete. Problém začíná v tom okamžiku, kdy vám záleží na dobrém zobrazení barev a/nebo chcete snímky editovat. Právě pokročilá editace je tvrdou zkouškou znalosti barevných modelů. Nejenom že se řada editačních nástrojů na ně přímo odvolává, ale necitlivými zásahy je možné napáchat i více škody než užitku.
Právě barevně syté a kontrastní obrázky jsou těžkou zkouškou pro používané barevné modely v PC které, možná pro laika překvapivě, mají celou řadu omezení.
V drtivé většině případů se v počítačích pro ukládání a representaci barev používá tzv. RGB model. RGB model není žádný nováček – je to princip masově používaný minimálně od vzniku barevné televize. RGB model je tzv. aditivní (přidávací) model. Ten vychází ze skutečnosti, že zhasnutý monitor je zcela černý a všechny barvy se vytváří rozsvěcováním (přidáváním) světel. Odtud tedy aditivní model.
V RGB modelu jsou světla tři a sice červená (Red), zelená (Green) a modrá (Blue). Odtud tedy název RGB. Plynulou regulací intenzity jednotlivých RGB světel svítících na stejné místo je možné dosáhnout různých barev daných jejich vzájemným mixováním. Pokud svítí všechny tři světla na maximum, barva místa kam svítí (tj. pixel) je bílá.
RGB model je tzv. aditivní model, kdy se světla přidávají až do bílé. Ve skutečnosti svítí všechna světla na jedno místo, posun je zde zobrazen pouze pro názornost jak se dají mixovat různé barvy.
V analogových televizích se síla svitu jednotlivých RGB složek ovládala analogově, nicméně podle očekávání se v digitální fotografii síla svitu jednotlivých RGB složek řídí digitálně a sice čísly. V 8 bitové barevné hloubce používané bez výjimky u fotografií uložených jako JPEG je nejmenší hodnotou 0 (barva nesvítí) a největší hodnotou (maximální svit barvy) hodnota 255. Je tak k dispozici celkem 256 diskrétních úrovní každé barvy.
K úplnému popisu barvy jednoho bodu (pixelu) je potom nutný soubor 3 čísel, které určují intenzitu složek RGB. Soubor (R=0, G=0, B=0) popisuje černou, (R=0, G=0, B=255) popisuje modrou, (R=127, G=127, B=127) šedou a (R=255, G=255, B=255) bílou. Celá fotografie je potom sada trojic RGB čísel kterých je přesně tolik, kolik má fotografie pixelů. Slušná řádka čísel, že?
Maximální červená, kterou dokáže zařízení zobrazit, je dána jeho červeným světlem svítícím na maximum. Podobně i druhé dvě barvy.
Různým mícháním RGB světel různé intenzity se dosahuje všech barev, které zařízení dokáže zobrazit.
Stejná hodnota RGB světel vždy kóduje šedou, od 0 (černá) až do 255 (bílá). Poloviční jas všech světel (127) potom kóduje tzv. 50% střední šedou.
Z RGB modelu potom vyplývají jednoduchá a vcelku logická fakta:
Z RGB obrazu je snadno možné vyrobit černobílou fotografii. Stačí převést všechny barvy na stupně šedé, přičemž šedé (barevně neutrální) jsou ty barvy, které mají všechny tři RGB složky stejné. Nabízí se tak jednoduchá metoda:
Tím jsme každému pixelu fotografie přiřadili jeho absolutní jas neboli jsme zprůměrovali barevné složky a tak máme pro každý pixel jen jedno číslo v rozsahu 0-255 označující jeho absolutní jas. Lidské oko však není stejně citlivé na všechny barvy. Na modrou je mnohem méně citlivé než např. na zelenou nebo žlutou. Souvisí to s barvou světla z našeho slunce a „konstrukcí“ sítnice. Proto absolutní jas nemá příliš velký smysl (oko to prostě vidí jinak) a proto se často používá tzv. subjektivní jas, který je definován jako:
V praxi se používají i varianty tohoto vzorce s mírně jinými čísly, ale pro běžnou praxi je to zanedbatelné.
Příklad:
Subjektivní vnímání jasu velmi dobře znají grafici, kteří musí tento fakt brát do úvahy při práci s textem aby zajistili jeho dobrou čitelnost. Subjektivní jas se uplatní i v reklamě, kde je možné zdůraznit či potlačit jednotlivé faktory. A měli by ho znát i fotografové, protože jim umožní pracovat s kontrastem scény případně vytvářet pěkné černobílé fotografie.
Pokud na chvíli zapomeneme na jas a zaměříme se jen na barvy, potom je nutné znova připomenou skutečnost, že limit zobrazení barev je dán použitými světly RGB. Žádný monitor nedokáže zobrazit červenější barvu, než je jeho červené světlo. V analogových obrazovkách byla barva a jas každého základního RGB světla dána použitými fosfory na stínítku obrazovky. Moderní LCD displeje dosahují sice obrazu technicky odlišnou cestou, ale výsledek je zcela stejný.
Tři základní RGB světla je tak možné umístit do diagramu všech možných barev (tzv. barevný diagram) a označit tak trojúhelníkovou plochu, která označuje realizovatelné barvy pro konkrétní zařízení. Tomu se říká gamut (barevný prostor) zařízení. Vrcholy trojúhelníka jsou dány použitými světla (fosfory) a barvy mimo tento trojúhelník jsou daným zařízením nerealizovatelné (jsou mimo gamut). Např. zelená mimo tento trojúhelník se zobrazí jako nejbližší zelená na obvodu trojúhelníka.
Gamut RGB zařízení lze zobrazit jako trojúhelník uvnitř barevného diagramu. Barvy mimo tento trojúhelník jsou nezobrazitelné a převedou se na nejbližší barvu na obvodu trojúhelníka na cestě k bílé. Na obrázku je typický gamut běžného monitoru.
Různá zařízení mají různá RGB světla a tak jejich gamuty „nesedí“. Téměř vždy tak dochází k převodu barev a barevným posuvům. Stejně tak různé fotoaparáty sondují světlo v různých RGB bodech a tak mají rozdílné podání barev. Nicméně drtivá většina zařízení standardně používá tzv. sRGB prostor (standard RGB), což je standard pro Windows. Ten má definován jak RGB světla, tak polohu bílého bodu i další parametry.
Největší barevné posuny ale vnikají při převodu do barevného modelu CMYK, což je model používaný tiskárnami. Tomu se ale budeme věnovat někdy příště.
Podobné barevně syté obrázky s jemnými přechody (obloha) jsou často po vytištění zklamáním, protože tiskárny mají výrazně menší gamut než RGB a mají potíže s jemnými a světlými barvami.
Právě barevně syté a kontrastní obrázky jsou těžkou zkouškou pro používané barevné modely v PC které, možná pro laika překvapivě, mají celou řadu omezení.
RGB model
V drtivé většině případů se v počítačích pro ukládání a representaci barev používá tzv. RGB model. RGB model není žádný nováček – je to princip masově používaný minimálně od vzniku barevné televize. RGB model je tzv. aditivní (přidávací) model. Ten vychází ze skutečnosti, že zhasnutý monitor je zcela černý a všechny barvy se vytváří rozsvěcováním (přidáváním) světel. Odtud tedy aditivní model.
V RGB modelu jsou světla tři a sice červená (Red), zelená (Green) a modrá (Blue). Odtud tedy název RGB. Plynulou regulací intenzity jednotlivých RGB světel svítících na stejné místo je možné dosáhnout různých barev daných jejich vzájemným mixováním. Pokud svítí všechny tři světla na maximum, barva místa kam svítí (tj. pixel) je bílá.
RGB model je tzv. aditivní model, kdy se světla přidávají až do bílé. Ve skutečnosti svítí všechna světla na jedno místo, posun je zde zobrazen pouze pro názornost jak se dají mixovat různé barvy.
V analogových televizích se síla svitu jednotlivých RGB složek ovládala analogově, nicméně podle očekávání se v digitální fotografii síla svitu jednotlivých RGB složek řídí digitálně a sice čísly. V 8 bitové barevné hloubce používané bez výjimky u fotografií uložených jako JPEG je nejmenší hodnotou 0 (barva nesvítí) a největší hodnotou (maximální svit barvy) hodnota 255. Je tak k dispozici celkem 256 diskrétních úrovní každé barvy.
K úplnému popisu barvy jednoho bodu (pixelu) je potom nutný soubor 3 čísel, které určují intenzitu složek RGB. Soubor (R=0, G=0, B=0) popisuje černou, (R=0, G=0, B=255) popisuje modrou, (R=127, G=127, B=127) šedou a (R=255, G=255, B=255) bílou. Celá fotografie je potom sada trojic RGB čísel kterých je přesně tolik, kolik má fotografie pixelů. Slušná řádka čísel, že?
Maximální červená, kterou dokáže zařízení zobrazit, je dána jeho červeným světlem svítícím na maximum. Podobně i druhé dvě barvy.
Různým mícháním RGB světel různé intenzity se dosahuje všech barev, které zařízení dokáže zobrazit.
Stejná hodnota RGB světel vždy kóduje šedou, od 0 (černá) až do 255 (bílá). Poloviční jas všech světel (127) potom kóduje tzv. 50% střední šedou.
Z RGB modelu potom vyplývají jednoduchá a vcelku logická fakta:
- Nejčernější možná barva je tvořena podložkou zařízení (monitoru)
- Nejčervenější barva je tvořena použitým červeným světlem - červenější barvy nikdy nelze dosáhnout
- Podobně jsou na tom barvy zelená a modrá
- Přesnost (barevná neutrálnost) bílé barvy je tvořena přesností vyvážení jednotlivých RGB složek, jinak má bílá barevný nádech
- Kritická je lineárnost nárůstu svitu jednotlivých RGB světel (schody by měly být stále stejně velké). Změna o 1 stupeň např. z čísla 5 na 6 by měla míst stejnou velikost jako z čísla 210 na 211. Právě tento požadavek je velmi těžce realizovatelný a označuje se jako gamma.
Jas (Brightness)
Z RGB obrazu je snadno možné vyrobit černobílou fotografii. Stačí převést všechny barvy na stupně šedé, přičemž šedé (barevně neutrální) jsou ty barvy, které mají všechny tři RGB složky stejné. Nabízí se tak jednoduchá metoda:
Jas (nová hodnota R, G i B) = ( R+B+G ) / 3 = 1/3*R+1/3*G +1/3*B
Tím jsme každému pixelu fotografie přiřadili jeho absolutní jas neboli jsme zprůměrovali barevné složky a tak máme pro každý pixel jen jedno číslo v rozsahu 0-255 označující jeho absolutní jas. Lidské oko však není stejně citlivé na všechny barvy. Na modrou je mnohem méně citlivé než např. na zelenou nebo žlutou. Souvisí to s barvou světla z našeho slunce a „konstrukcí“ sítnice. Proto absolutní jas nemá příliš velký smysl (oko to prostě vidí jinak) a proto se často používá tzv. subjektivní jas, který je definován jako:
Subjektivní jas = 0.3*R + 0.59*G + 0.11*B
V praxi se používají i varianty tohoto vzorce s mírně jinými čísly, ale pro běžnou praxi je to zanedbatelné.
Příklad:
- RGB barva (130, 50, 210) má subjektivní jas (130*0.3) + (50*0.59) + (210*0.11) = 92
- Ale RGB barva (50, 210, 130) se stejnými hodnotami jen přehozenými v jednotlivých kanálech má subjektivní jas (50*0.3) + (210*0.59) + (130*0.11) = 153 !
Subjektivní vnímání jasu velmi dobře znají grafici, kteří musí tento fakt brát do úvahy při práci s textem aby zajistili jeho dobrou čitelnost. Subjektivní jas se uplatní i v reklamě, kde je možné zdůraznit či potlačit jednotlivé faktory. A měli by ho znát i fotografové, protože jim umožní pracovat s kontrastem scény případně vytvářet pěkné černobílé fotografie.
Červená | Zelená | Modrá |
Červená+zelená | Červená+modrá | Zelená+modrá |
Všimněte si, jak špatně jsou na bílém pozadí čitelné barvy se zelenou složkou, i když v každém řádku tabulky je absolutní jas zcela stejný. Zelenou totiž lidské oko vnímá mnohem citlivěji (jasněji) než ostatní barvy.
Gamut, barevný prostor
Pokud na chvíli zapomeneme na jas a zaměříme se jen na barvy, potom je nutné znova připomenou skutečnost, že limit zobrazení barev je dán použitými světly RGB. Žádný monitor nedokáže zobrazit červenější barvu, než je jeho červené světlo. V analogových obrazovkách byla barva a jas každého základního RGB světla dána použitými fosfory na stínítku obrazovky. Moderní LCD displeje dosahují sice obrazu technicky odlišnou cestou, ale výsledek je zcela stejný.
Tři základní RGB světla je tak možné umístit do diagramu všech možných barev (tzv. barevný diagram) a označit tak trojúhelníkovou plochu, která označuje realizovatelné barvy pro konkrétní zařízení. Tomu se říká gamut (barevný prostor) zařízení. Vrcholy trojúhelníka jsou dány použitými světla (fosfory) a barvy mimo tento trojúhelník jsou daným zařízením nerealizovatelné (jsou mimo gamut). Např. zelená mimo tento trojúhelník se zobrazí jako nejbližší zelená na obvodu trojúhelníka.
Gamut RGB zařízení lze zobrazit jako trojúhelník uvnitř barevného diagramu. Barvy mimo tento trojúhelník jsou nezobrazitelné a převedou se na nejbližší barvu na obvodu trojúhelníka na cestě k bílé. Na obrázku je typický gamut běžného monitoru.
Závěr
Různá zařízení mají různá RGB světla a tak jejich gamuty „nesedí“. Téměř vždy tak dochází k převodu barev a barevným posuvům. Stejně tak různé fotoaparáty sondují světlo v různých RGB bodech a tak mají rozdílné podání barev. Nicméně drtivá většina zařízení standardně používá tzv. sRGB prostor (standard RGB), což je standard pro Windows. Ten má definován jak RGB světla, tak polohu bílého bodu i další parametry.
Největší barevné posuny ale vnikají při převodu do barevného modelu CMYK, což je model používaný tiskárnami. Tomu se ale budeme věnovat někdy příště.
Podobné barevně syté obrázky s jemnými přechody (obloha) jsou často po vytištění zklamáním, protože tiskárny mají výrazně menší gamut než RGB a mají potíže s jemnými a světlými barvami.
-50.webp)