Введение
Цветовая модель, основанная на красном, зеленом и синем.
RGB цветовая модель — это аддитивная цветовая модель.
Основное назначение RGB цветовой модели — восприятие, представление и отображение изображений в электронных системах, таких как телевизоры и компьютеры, хотя она также используется в традиционной фотографии и цветном освещении. Еще до появления электроники RGB цветовая модель имела прочную теоретическую базу, основанную на восприятии цветов человеком. RGB — цветовая модель, зависимая от устройства: разные устройства по-разному воспринимают или воспроизводят одно и то же значение RGB, поскольку цветовые элементы (например, люминофоры или красители) и их реакция на отдельные уровни красного, зеленого и синего цветов варьируются от производителя к производителю или даже в одном и том же устройстве со временем. Таким образом, значение RGB не определяет один и тот же цвет на разных устройствах без управления цветом. Типичными устройствами ввода RGB являются цветные телевизоры и видеокамеры, сканеры изображений и цифровые фотоаппараты. Типичными устройствами вывода RGB являются телевизоры различных технологий (ЭЛТ, ЖКД, плазменные, OLED, квантовые точки и т. д.), компьютерные и мобильные дисплеи, видеопроекторы, многоцветные светодиодные дисплеи и большие экраны, такие как джамботроны. Цветные принтеры, напротив, не являются устройствами RGB, а используют вычитающую цветовую модель, обычно CMYK.
Цветы-адитивы
Чтобы сформировать цвет с помощью RGB, три световых луча (один красный, один зеленый и один синий) должны быть наложены друг на друга (например, путем излучения с черного экрана или отражения от белого экрана). Каждый из этих трех лучей называется компонентой этого цвета, и каждый из них может иметь произвольную интенсивность, от полностью выключенного до полностью включенного в смеси. Цветовая модель RGB является аддитивной в том смысле, что если световые лучи разного цвета (частоты) накладываются в пространстве, их световые спектры складываются, длина волны за длиной волны, формируя результирующий, общий спектр. Это принципиально противоположно вычитающей цветовой модели, особенно CMY, которая применяется к краскам, чернилам, красителям и другим веществам, цвет которых зависит от отражения определенных компонентов (частот) света, при котором мы их видим. В аддитивной модели, если полученный спектр, например, при наложении трех цветов, плоский, белый цвет воспринимается человеческим глазом при прямом попадании на сетчатку. Это резко контрастирует с вычитающей моделью, где воспринимаемый результирующий спектр – это то, что излучают отражающие поверхности, такие как окрашенные. Проще говоря, краситель фильтрует все цвета, кроме своего собственного; два смешанных красителя фильтруют все цвета, кроме общей цветовой составляющей между ними, например, зеленый как общая составляющая между желтым и голубым, красный как общая составляющая между пурпурным и желтым, и сине-фиолетовый как общая составляющая между пурпурным и голубым. Получается, что среди пурпурного, голубого и желтого нет общей цветовой составляющей, что приводит к спектру нулевой интенсивности, черному. Нулевая интенсивность для каждого компонента дает самый темный цвет (отсутствие света, считающийся черным), а полная интенсивность каждого – белый; качество этого белого зависит от природы первичных источников света, но при правильной балансировке результат – нейтральный белый, соответствующий белой точке системы. Когда интенсивность для всех компонентов одинакова, получается оттенок серого, темнее или светлее в зависимости от интенсивности. Когда интенсивность различается, получается цветной оттенок, более или менее насыщенный в зависимости от разницы между максимальной и минимальной интенсивностью используемых основных цветов. Когда один из компонентов имеет максимальную интенсивность, цвет является оттенком, близким к этому первичному цвету (красноватый, зеленоватый или синеватый), а когда два компонента имеют одинаковую максимальную интенсивность, цвет является оттенком вторичного цвета (оттенок голубого, пурпурного или желтого). Вторичный цвет образуется суммой двух основных цветов одинаковой интенсивности: голубой – это зеленый + синий, пурпурный – это синий + красный, а желтый – это красный + зеленый. Каждый вторичный цвет является дополнительным к одному из первичных: голубой дополнительный к красному, пурпурный – к зеленому, а желтый – к синему. Когда все основные цвета смешиваются в равных интенсивностях, получается белый. Сама цветовая модель RGB не определяет, что подразумевается под красным, зеленым и синим в колориметрическом смысле, поэтому результаты их смешивания не задаются как абсолютные, а относительно основных цветов. Когда точные хроматичности красного, зеленого и синего первичных цветов определены, цветовая модель становится абсолютным цветовым пространством, таким как sRGB или Adobe RGB; подробности см. в разделе «Цветовое пространство RGB».
Физические принципы выбора красного, зеленого и синего
Выбор основных цветов обусловлен физиологией человеческого глаза; хорошие первичные цвета – это стимулы, которые максимально увеличивают разницу между реакциями колбочковых клеток сетчатки человека на свет различной длины волны, тем самым формируя широкую цветовую гамму. Три нормальных типа светочувствительных фоторецепторных клеток в человеческом глазу (колбочки) наиболее чувствительны к желтому (длинноволновому или L), зеленому (средневолновому или M) и фиолетовому (коротковолновому или S) свету (пиковые длины волн приблизительно 570 нм, 540 нм и 440 нм соответственно). Для воспроизведения цветной фотографии требовалось три согласованные проекции на экран в темной комнате. Аддитивная модель RGB и ее варианты, такие как оранжево-зелено-фиолетовый, также использовались в цветных пластинах Autochrome Lumière и других технологиях экранных пластин, таких как цветной экран Жоли и процесс Паже в начале двадцатого века. Цветную фотографию, основанную на трех отдельных пластинах, использовали и другие пионеры, например, русский Сергей Прокудин-Горский в период с 1909 по 1915 год. Эти методы применялись примерно до 1960 года с использованием дорогостоящего и чрезвычайно сложного трехцветного процесса карбро-автотипии. При их использовании, отпечатки с трех негативов получали с помощью красителей или пигментов, используя комплементарную модель CMY, просто применяя негативы отфильтрованных снимков: инверсия красного дает циановую пластину и так далее.
Телевидение
До появления практического электронного телевидения, в России уже в 1889 году были запатентованы механически сканируемые цветные системы. Пионер цветного телевидения Джон Логи Бэрд продемонстрировал первую в мире цветовую передачу RGB в 1928 году, а также первую в мире цветовую трансляцию в 1938 году в Лондоне. В его экспериментах сканирование и отображение осуществлялись механически с помощью вращающихся цветных колёс. В 1940 году Columbia Broadcasting System (CBS) начала экспериментальную последовательную цветовую систему RGB. Изображения сканировались электрически, но система всё ещё использовала движущуюся часть: прозрачное RGB-колесо, вращающееся с частотой более 1200 оборотов в минуту синхронно с вертикальным сканированием. Камера и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ) были монохромными. Цвет обеспечивался цветными колёсами в камере и приемнике. В последнее время цветные колёса использовались в телевизионных приемниках с последовательной полевой проекцией на основе монохромного DLP-проектора Texas Instruments. Современная технология RGB-маски для цветных ЭЛТ-дисплеев была запатентована Вернером Флехсигом в Германии в 1938 году.
Персональные компьютеры
Персональные компьютеры конца 1970-х и начала 1980-х годов, такие как Apple II и VIC 20, использовали композитное видео. Commodore 64 и 8-битные компьютеры Atari использовали производные от S Video. В 1981 году компания IBM представила 16-цветную палитру (четыре бита – по одному биту на красный, зеленый, синий и яркость) с помощью Color Graphics Adapter (CGA) для своего IBM PC, которая позже была улучшена с помощью Enhanced Graphics Adapter (EGA) в 1984 году. Первым производителем видеокарты с отображением истинных цветов для ПК (TARGA) была компания Truevision в 1987 году, но RGB стала популярной только с появлением Video Graphics Array (VGA) в 1987 году, главным образом благодаря аналоговым сигналам в соединении между адаптером и монитором, которые обеспечивали очень широкий диапазон цветов RGB. Фактически, пришлось подождать еще несколько лет, поскольку оригинальные карты VGA использовали палитру, как и EGA, хотя и с большей гибкостью, но благодаря аналоговым разъемам VGA более поздние варианты VGA (производимые различными производителями под неофициальным названием Super VGA) в конечном итоге поддерживали отображение истинных цветов. В 1992 году в журналах активно рекламировалось оборудование Super VGA с поддержкой истинных цветов.
RGB и дисплеи
Одним из распространенных применений цветовой модели RGB является отображение цветов на электронно-лучевой трубке (ЭЛТ), жидкокристаллическом дисплее (LCD), плазменном дисплее или органическом светодиодном дисплее (OLED), таком как телевизор, монитор компьютера или большой экран. Каждый пиксель на экране формируется за счет управления тремя небольшими, очень близко расположенными, но все же разделенными источниками света RGB. На обычном расстоянии просмотра отдельные источники неразличимы, и глаз воспринимает это как сплошной цвет. Все пиксели, расположенные вместе на прямоугольной поверхности экрана, составляют цветное изображение. При цифровой обработке изображения каждый пиксель может быть представлен в памяти компьютера или аппаратном интерфейсе (например, графической карте) в виде двоичных значений для красного, зеленого и синего цветовых компонентов. При правильной настройке эти значения преобразуются в интенсивности или напряжения с помощью гамма-коррекции для компенсации внутренней нелинейности некоторых устройств, чтобы на дисплее воспроизводились желаемые уровни яркости. Quattron, разработанный Sharp, использует цветовую модель RGB и добавляет желтый в качестве субпикселя, что, как утверждается, позволяет увеличить количество доступных цветов.
Видеоэлектроника
RGB также является термином, обозначающим тип компонентного видеосигнала, используемого в индустрии видеоэлектроники. Он состоит из трех сигналов – красного, зеленого и синего – передаваемых по трем отдельным кабелям или контактам. Форматы RGB-сигналов часто основаны на модифицированных версиях стандартов RS 170 и RS 343 для монохромного видео. Этот тип видеосигнала широко распространен в Европе, так как это сигнал наилучшего качества, который можно передать через стандартный разъем SCART. Этот сигнал известен как RGBS (также существуют 4 кабеля с разъемами BNC/RCA), но он напрямую совместим с RGBHV, используемым для компьютерных мониторов (обычно передается по 15-контактным кабелям с 15-контактными D-sub или 5 BNC-коннекторами), который передает отдельные сигналы горизонтальной и вертикальной синхронизации. За пределами Европы RGB не пользуется большой популярностью как формат видеосигнала; в большинстве неевропейских регионов его место занимает S-Video. Однако почти все компьютерные мониторы во всем мире используют RGB.
Нелинейность
В классических ЭЛТ-устройствах яркость данной точки на флуоресцентном экране, вызванная воздействием ускоренных электронов, не пропорциональна напряжениям, подаваемым на управляющие сетки электронных пушек, а является функцией, близкой к степенной, от этого напряжения. Степень этого отклонения известна как гамма-значение, которое является показателем степени в степенной функции, точно описывающей такое поведение. Линейная зависимость соответствует гамма-значению 1.0, однако фактические нелинейности ЭЛТ обычно имеют гамма-значение в диапазоне от 2.0 до 2.5. Аналогично, интенсивность выходного сигнала на телевизионных и компьютерных дисплеях не пропорциональна напрямую приложенным электрическим сигналам R, G и B (или значениям данных файла, управляющим ими через цифро-аналоговые преобразователи). На типичном стандартном ЭЛТ-дисплее с гаммой 2.2, входное значение RGB (0.5, 0.5, 0.5) выдает лишь около 22% максимальной яркости (1.0, 1.0, 1.0), а не 50%. Для получения корректного отображения применяется гамма-коррекция при кодировании данных изображения, а также, возможно, дополнительные коррекции в процессе калибровки цвета устройства. Гамма влияет как на черно-белое, так и на цветное телевидение. В стандартном цветном телевидении передаваемые сигналы подвергаются гамма-коррекции.
RGB и камеры
В цветных телевизорах и видеокамерах, произведенных до 1990-х годов, входящий свет разделялся призмами и фильтрами на три основных цвета RGB, направляя каждый цвет в отдельную видеокамерную трубку (или трубку формирования изображения). Эти трубки являлись типом катодной трубки, что не следует путать с кинескопами в ЭЛТ-дисплеях. С появлением коммерчески доступной технологии приборов с зарядовой связью (ПЗС) в 1980-х годах, в первую очередь, трубки формирования изображения были заменены этим типом сенсора. Позже была применена электроника с более высокой степенью интеграции (в основном компанией Sony), упрощающая и даже устраняющая промежуточную оптику, что позволило уменьшить размер домашних видеокамер и в конечном итоге привело к разработке полноценных видеокамер. Современные веб-камеры и мобильные телефоны с камерами представляют собой наиболее миниатюрные коммерческие реализации этой технологии. Фотографические цифровые камеры, использующие CMOS или ПЗС-матрицу, часто работают с некоторыми вариациями RGB-модели. В фильтре Байера количество детекторов зеленого цвета вдвое превышает количество детекторов красного и синего (соотношение 1:2:1) для достижения более высокого разрешения яркости, чем разрешения цветности. Матрица имеет сетку красных, зеленых и синих детекторов, расположенных следующим образом: первый ряд – RGRGRGRG, следующий – GBGBGBGB, и эта последовательность повторяется в последующих рядах. Для каждого цветового канала недостающие пиксели восстанавливаются путем интерполяции в процессе демозаики, чтобы сформировать полное изображение. Также использовались другие процессы для преобразования измерений RGB, полученных камерой, в стандартное RGB-цветовое пространство, такое как sRGB.
RGB и сканеры
В вычислительной технике сканер изображений – это устройство, которое оптически сканирует изображения (печатный текст, рукописный текст или объект) и преобразует их в цифровое изображение, которое передается на компьютер. Существуют различные типы сканеров, включая планшетные, барабанные и пленочные, и большинство из них поддерживают цветную модель RGB. Их можно рассматривать как преемников ранних устройств ввода для телефотографии, способных передавать последовательные линии сканирования в виде аналоговых сигналов амплитудной модуляции по стандартным телефонным линиям на соответствующие приемники; такие системы использовались в прессе с 1920-х по середину 1990-х годов. Цветные телефотографии передавались как три последовательных изображения, отфильтрованных по каналам RGB. Современные сканеры обычно используют ПЗС-матрицу (CCD) или контактный датчик изображения (CIS) в качестве сенсора, в то время как старые барабанные сканеры использовали фотоэлектронный умножитель. Ранние цветные пленочные сканеры использовали галогеновую лампу и трехцветное фильтровое колесо, что требовало трех экспозиций для сканирования одного цветного изображения. Из-за проблем с нагревом, в частности, риска повреждения сканируемой пленки, эта технология впоследствии была заменена на не нагревающиеся источники света, такие как цветные светодиоды.
Глубина цвета
Цветовая модель RGB — один из наиболее распространенных способов кодирования цвета в вычислительной технике, и существует несколько различных цифровых представлений. Основной характеристикой всех из них является квантование возможных значений для каждого компонента (технически – выборки) путем использования только целых чисел в определенном диапазоне, обычно от 0 до некоторой степени двойки минус один (2n - 1), чтобы уместить их в определенные битовые группировки. Часто встречаются кодировки 1, 2, 4, 5, 8 и 16 бит на цветовой канал; общее количество бит, используемых для представления цвета RGB, обычно называют глубиной цвета.
Геометрическое изображение
Поскольку цвета обычно определяются тремя компонентами, не только в модели RGB, но и в других цветовых моделях, таких как CIELAB и Y'UV, и других, то трехмерный объем описывается путем представления значений компонентов как обычных декартовых координат в евклидовом пространстве. Для модели RGB это представляется кубом, использующим неотрицательные значения в диапазоне от 0 до 1, где черный цвет соответствует началу координат в вершине (0, 0, 0), а значения интенсивности возрастают вдоль трех осей до белого цвета в вершине (1, 1, 1), диагонально противоположной черному. RGB-тройка (r, g, b) представляет собой трехмерную координату точки данного цвета внутри куба, на его гранях или вдоль его ребер. Такой подход позволяет вычислять цветовое сходство двух заданных цветов RGB, просто рассчитывая расстояние между ними: чем меньше расстояние, тем выше сходство. Вычисления для цветов, выходящих за пределы цветового охвата, также могут быть выполнены таким образом.
Управление цветами
Правильное воспроизведение цветов, особенно в профессиональной среде, требует управления цветом всех устройств, задействованных в производственном процессе, многие из которых используют RGB. Управление цветом обеспечивает ряд прозрачных преобразований между цветовыми пространствами, независимыми от устройств (sRGB, XYZ, L*a*b*).
Модель RGB и связь формата luminancechrominance
Все форматы яркости и цветности, используемые в различных телевизионных и видеостандартах, таких как YIQ для NTSC, YUV для PAL, YDBDR для SECAM и YPBPR для компонентного видео, используют сигналы цветоразностных составляющих, посредством которых цветные изображения RGB могут быть закодированы для вещания/записи и впоследствии снова декодированы в RGB для отображения. Эти промежуточные форматы были необходимы для обеспечения совместимости с ранее существовавшими черно-белыми телевизионными форматами. Кроме того, эти сигналы цветоразностных составляющих требуют меньшей полосы пропускания данных по сравнению с полными RGB-сигналами. Аналогично, современные высокоэффективные схемы сжатия данных цифровых цветных изображений, такие как JPEG и MPEG, хранят RGB-изображения внутри в формате YCbCr, цифровом формате яркости и цветности, основанном на YPBPR. Использование YCbCr также позволяет компьютерам выполнять с потерями субдискретизацию каналов цветности (обычно до соотношений 4:2:2 или 4:1:1), что уменьшает итоговый размер файла.