Введение
Цветные цифровые изображения состоят из пикселей, а пиксели – из комбинаций основных цветов, представленных последовательностью кодов. Канал в данном контексте – это изображение в оттенках серого того же размера, что и цветное изображение, состоящее только из одного из этих основных цветов. Например, изображение со стандартной цифровой камеры содержит красный, зеленый и синий каналы. Изображение в оттенках серого имеет только один канал. В географических информационных системах каналы часто называют растровыми слоями. Другое тесно связанное понятие – карты признаков, используемые в сверточных нейронных сетях.
Обзор
В цифровой среде изображение может состоять из любого количества традиционных основных цветов; в этом случае канал расширяется до изображения в оттенках серого, основанного на любом из таких традиционных основных цветов. По сути, канал – это любое изображение в оттенках серого того же размера, что и исходное изображение, и связанное с ним. "Канал" – общепринятый термин для обозначения определенного компонента изображения. Фактически, любой формат изображения может использовать любой алгоритм для внутреннего хранения данных. Например, GIF-изображения фактически ссылаются на цвет каждого пикселя по индексу, который указывает на таблицу, где хранятся три цветовых компонента. Однако, независимо от того, как конкретный формат хранит изображения, дискретные цветовые каналы всегда можно определить, если возможно отрисовать конечное цветное изображение. Понятие каналов выходит за пределы видимого спектра в мультиспектральной и гиперспектральной съемке. В этом контексте каждый канал соответствует диапазону длин волн и содержит спектроскопическую информацию. Каналы могут иметь различную ширину и охват. Существуют три основных типа каналов (или цветовые модели), каждый из которых обладает своими преимуществами и недостатками.
Изображения RGB
Изображение RGB имеет три канала: красный, зеленый и синий. Каналы RGB приблизительно соответствуют цветовым рецепторам в человеческом глазу и используются в компьютерных дисплеях и сканерах изображений. Если RGB-изображение имеет 24 бита (отраслевой стандарт на 2005 год), каждый канал содержит 8 бит для красного, зеленого и синего – иными словами, изображение состоит из трех отдельных изображений (по одному для каждого канала), где каждое изображение может хранить дискретные пиксели с обычными значениями яркости в диапазоне от 0 до 255. Если RGB-изображение имеет 48 бит (очень большая глубина цвета), каждый канал содержит 16 бит на пиксель, то есть 16 бит для красного, зеленого и синего на каждый пиксель.
Образец цвета RGB
Обратите внимание, как серые деревья имеют схожую яркость во всех каналах, красное платье значительно ярче в красном канале, чем в остальных двух, и как зеленая часть изображения отображается гораздо ярче в зеленом канале.
ЮВ
Изображения YUV представляют собой аффинное преобразование цветового пространства RGB, разработанное для телевидения. Канал Y приблизительно соответствует воспринимаемой яркости, а каналы U и V содержат информацию о цвете.
CMYK
Изображение CMYK имеет четыре канала: голубой, пурпурный, желтый и черный. CMYK — это стандарт для печати, где используется субтрактивная цветовая модель. 32-битное CMYK-изображение (отраслевой стандарт по состоянию на 2005 год) состоит из четырех 8-битных каналов: один для голубого, один для пурпурного, один для желтого и один для черного цвета. 64-битное хранение для CMYK-изображений (16 бит на канал) не распространено, поскольку CMYK обычно зависит от устройства, в то время как RGB является универсальным стандартом для хранения, независимого от устройства.
HSV
HSV, или цветовой тон, насыщенность, яркость, хранит информацию о цвете в трех каналах, как и RGB, но один канал отведён яркости (значению), а два других передают информацию о цвете. Канал яркости аналогичен (но не идентичен) чёрному каналу CMYK или его инверсии. HSV особенно полезен при видеокомпрессии с потерями, где потеря информации о цвете менее заметна для человеческого глаза.
КА Так
Альфа-канал хранит информацию о прозрачности: чем выше значение, тем более непрозрачным является пиксель. Ни одна камера или сканер не измеряет прозрачность, хотя физические объекты, безусловно, могут быть прозрачными, но альфа-канал чрезвычайно полезен для компоновки цифровых изображений. Технология хромакея (синего/зеленого экрана) предполагает съемку актеров на фоне однородного цвета, затем установку этого цвета в прозрачный и наложение актеров на другой фон. Форматы изображений GIF и PNG используют альфа-каналы в интернете для объединения изображений на веб-страницах, позволяя им выглядеть как объекты произвольной формы даже на неоднородном фоне.
Другие каналы
В 3D-компьютерной графике для дополнительного контроля над отрисовкой материала используется несколько каналов, например, для управления блеском и так далее.
Глубина битов
При оцифровке изображений цветовые каналы преобразуются в числовые значения. Поскольку изображения содержат тысячи пикселей, каждый из которых имеет несколько каналов, каналы обычно кодируются с использованием минимально возможного количества бит. Типичные значения – 8 бит на канал или 16 бит на канал. Индексированные цвета позволяют эффективно отказаться от отдельных каналов, например, сжав 3 канала до 8 или 16 бит (GIF).
Оптимизированные размеры каналов
Поскольку мозг не обязательно воспринимает различия в каждом цветовом канале в той же степени, что и в других, возможно, что выделение разного количества бит для каждого канала приведет к более оптимальному хранению данных. В частности, для RGB-изображений, более сильное сжатие синего канала и менее сильное – красного может оказаться предпочтительнее, чем выделение одинакового объема памяти для каждого канала. Такой "приоритетный" подход к сжатию обусловлен исследованиями, показывающими, что человеческая сетчатка использует красный канал для распознавания деталей, в меньшей степени – зеленый, а синий – для информации о фоне или окружающей среде. Среди прочих методов, видеокомпрессия с потерями использует цветовое субдискретизация (chroma subsampling) для уменьшения глубины цвета в цветовых каналах (тона и насыщенности), сохраняя при этом всю информацию о яркости (значение в модели HSV). 16-битный HiColor хранит красный и синий цвета в 5 битах, а зеленый – в 6 битах.