Vše o světle - 5. Barevné modely - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

23. února 2007, 00.00 | Z předchozích článků vyplynulo, že oko vnímá barvy na základě sond do tří míst spektra. Z tohoto faktu vycházejí i barevné modely, které nejsou nic jiného než modelování lidského vnímání barev. Pochopení barevných modelů sice příliš nepomůže na scéně fotografii vytvořit, odpoví ale na řadu otázek týkajících se formátů souborů s digitálními fotografiemi a je takřka nezbytné pro pokročilou editaci fotografií v editorech.

::Vše o světle - 1. Co je to světlo
::Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek
::Vše o světle – 3. Intenzita (jas) světla
::Vše o světle – 4. Barva světla
::Vše o světle - 5. Barevné modely
::Vše o světle - 6. Barevná harmonie a psychologie barev
::Vše o světle – 7. Barva předmětů a vyvážení bílé
::Vše o světle - 8. Kvalita světla
::Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů
::Vše o světle – 10. Správa barev (color management)
::Vše o světle - 11. Měření světla a expozice
::Vše o světle - 12. Kontrast
::Vše o světle – 13. Histogram
::Vše o světle – 14. EV hodnota

Mezi nejznámější barevný model patří asi model RGB. Je to proto, že v tomto modelu pracují digitální fotoaparáty a většina fotografií je v tomto modelu také uložena. I když populární JPEG používá pro svojí vnitřní potřebu trochu jiný model (YCbCr), navenek se pro běžného uživatele tváří také jako RGB. Asi druhý nejznámější model je model CMYK určený zejména pro tisky. I když jeho praktická verze se skládá ze 4 barev, tak čtvrtá barva (černá, blacK) se přidává jen pro praktické zlepšení podání tmavých odstínů. Modely HSB (někdy též HSV) a L*a*b nejsou již tak často používány pro praktické ukládání dat, ale jejich znalost a pochopení se hodí zejména pro editace snímků.

Barevný model RGB
Je to věc názoru, ale RGB je asi nejpřirozenější způsob jak vyjádřit to, co oko vidí. Velmi zjednodušeně říká, jak moc je drážděn červený (R-Red) receptor oka, jak moc je drážděn zelený (G-Green) a jak moc modrý (B-Blue). Sada 3 čísel RGB potom určuje jak barvu, tak i intenzitu světla. K úplné spokojenosti je třeba ještě doplnit minimální hodnoty (v počítačích nejčastěji 0), které budou odpovídat nulovému dráždění receptoru, a maximální hodnoty, nad které je již senzor zcela oslepen a dále nevidí. Tato horní hodnota se v digitální fotografii používá obvykle 255, někdy též 4 095. Dále je třeba se shodnout na přesných barvách jednotlivých RGB složek, případně na definici bílého bodu či gamma a nic již nebrání k záznamu barev v RGB modelu.

RGB model lze skvěle zobrazit jako krychli, kde jednotlivé x,y,z osy odpovídají modrému, červenému a zelenému světlu. Na úhlopříčce krychle je potom stav, kdy všechna tři světla svítí na maximum, tedy vytvoří bílou (RGB=255,255,255).

Shrneme-li to, RGB model udává sílu původního světla rozloženého na sílu jeho 3 barevných kanálů RGB. Stejnou barvu lze tedy snadno obnovit, pokud zajistíme 3 světla přesných barev červená, zelená a modrá a jejich sílu zregulujeme podle RGB hodnot (např. 0 nesvítí, 255 svítí naplno). Jejich vzájemným složením je obnovena původní barva - proto se RGB model nazývá často aditivní model. Hodí se tedy pro zařízení, které do tmavého podkladu světla přidávají, a tím vytvářejí barvy. Přidají-li se všechna 3 světla naplno, vytvoří se bílá. Taková zařízení jsou zejména televize či monitory.

RGB model je aditivní model, tedy založený na přidávání RGB světel na tmavou (nesvítící) podložku (typicky klasický monitor či televize). Přidáním všech světel naplno se vytvoří bílá.

Bohužel sám model RGB nemá žádnou přesnou specifikaci svých základních barev - červené, zelené a modré - a tak vzniklo více RGB modelů. Nejznámější a nejrozšířenější je asi varianta sRGB, která je standardem Windows. Tam jsou definovány jak přesné základní barvy RGB, tak bílý bod i gamma. Barevný model sRGB je praktický zejména proto, že odpovídá reálným možnostem zobrazení většiny monitorů, a používá se proto masově i na Internetu.

RGB obraz a jeho tři RGB složky. Světlá obloha se skládá ze všech RGB složek (všechny jsou poměrně světlé), červený květ má jen složku červenou a pole se skládá ze zelené a trochy červené (je tedy ve skutečnosti nažloutlé). Modrá složka v barvě pole i květu téměř chybí (je hodně tmavá).

Jiným zástupcem RGB modelu je AdobeRGB model, který byl vytvořen firmou Adobe v roce 1998. Používá mírně odlišné základní barvy a díky tomu obsáhne větší rozsah barev než model sRGB, zejména v barvě zeleno-modré. Jeho nevýhodou ale je, že většina běžných monitorů ho již nedokáže zobrazit. Existuje i celá řada dalších RGB modelů, které se však v digitální fotografii používají jen výjimečně.

Barevný model CMYK
Každý fotograf, který svoji práci nekončí u obrazovky monitoru, řešil a řeší problém, jak své fotografie nejlépe vytisknout. Jenže ouha - i když vychytá rozumnou věrnost barev, tak při převodu fotografií na papír často fotografie ztratí svoji krásu, zejména brilanci barev. Příčinou je právě zcela odlišný způsob tvorby barev na papíře a na monitoru.

CMY model (tedy bez černé barvy) je teoreticky inversní k modelu RGB. Lze ho tedy popsat stejnou krychlí, ale s výchozím bodem v bílé barvě (vpravo nahoře) a s inkousty doplňkovými k barvám RGB, tedy CMY. V praxi se ale používá i černá barva a také reálné inkousty mají jinou barvu než přesné doplňkové barvy k RGB.

Zatímco zhasnutý monitor je černý a barvy se vytvářejí postupným přidáváním barev RGB (proto model RGB je aditivní a pro monitory přímo určený), tak papír je bílý a tedy odráží teoreticky všechno světlo, které na něj dopadá. Všech možných barev je tedy třeba dosáhnout jinak, a sice krytím bílého papíru inkousty - tedy subtraktivní (odčítací) metodou. Použitím inkoustů s barvami azurová (C-Cyan), purpurová (M-Magenta) a žlutá (Y-Yellow) se podobného efektu dá dosáhnout.

CMYK model je subtraktivní model, tedy založený na odčítání RGB barev při odrazu bílého světla od inkoustů. Přidáním všech inkoustů naplno se vytvoří černá barva, neboli všechno světlo je pohlceno.

Azurová je doplňková barva k červené, a proto bude odrážet všechno světlo vyjma červeného. Podobně purpurová je doplňková k zelené a žlutá k modré. Pomocí CMY barev je tak možné řízeně "ubírat" RGB světlo, a tak docílit barev jaksi opačně - ubíráním z bílé. A to je princip modelu CMYK, kde čtvrtá černá barva (K-blacK) je přidána jen pro snazší realizaci tmavých barev. Teoreticky není vůbec nutná, prakticky je ale obtížné vytvořit tak ideální inkousty, aby jejich smícháním vznikla opravdu černá nehledě na ekonomické hledisko.

Stejný obrázek, tentokrát ale rozložený na CMYK barvy. Černá barva jednak pomáhá vytvářet tmavší odstíny, ale také výrazně snižuje spotřebu CMY inkoustů.

Když tedy pošlete fotografii do minilabu, oni si převod z RGB na CMYK zajistí sami. Avšak barvy na monitoru budou vypadat jinak než barvy na papíře. Řada právě jasných, sytých a zářivých barev dosažitelných v RGB je v reálném modelu CMYK nedosažitelná a může být zdrojem zklamání. Řada lepších fotoeditorů proto nabízí možnost zobrazit hrubý náhled, jak bude fotografie v CMYK vypadat. Jeden příklad za všechny - jasná a zářivá bílá dosažitelná na monitoru rozsvícením jeho RGB kanálů naplno odpovídá v modelu CMYK čistému papíru. Kvalita výsledné papírové fotografie je tedy na kvalitě papíru velmi závislá!

Barevný model HSB (někdy HSV)
Pro některé situace, zejména pro některé případy práce ve fotoeditoru, je výhodný model HSB (HSV). Jeho přínos je v tom, že odpovídá lidskému vnímání (popisu) barev. Zatímco RGB či CMYK jsou modely založené na míchání barev, HSV model definuje barvy přirozeným způsobem pro člověka a tedy odpovídá na přirozené otázky:  Jaká je to barva? Jak je sytá? Jak je světlá či jak je tmavá? Je tedy velmi intuitivní a pro některé případy velmi názorný.

Barevný model HSB  používá podobně jako model RGB také 3 veličiny pro popis barvy, dává jim ale jiný význam:

• Odstín barvy (Hue, H) popisuje vlastní čistou barvu (tedy např. červená, zelená, modrá). Asi nepřekvapí, že pro popis barvy se používá úhel na barevném kole - tedy rozsah 0-360°. Dohodou se za úhel 0° považuje červená, 120° odpovídá zelené a 240° modré a 360° opět červené, protože jsme objeli kruh kolem dokola.
• Sytost či saturace barvy (Saturation, S) popisuje, jak moc je barva "čistá" tedy bez přimíchání bílé (šedé). Čím více má v sobě barva bílé (šedé), tím více totiž její čistota tedy sytost klesá. Udává se v procentech přičemž sytost 100 % znamená jen čistou barvu, sytost 50 % znamená poloviční příměs bílé (šedé) a sytost 0 % potom znamená jen odstín šedé (od bílé po černou) tedy již zcela bez barvy.
• Jas (Brightness, B - někdy též Value, V) popisuje jas barvy v rozsahu 0-100 %

Odstín barvy (Hue) se v modelu HSB určuje úhlem na barevném kole. Na příkladu je uvedena barva v úhlu 30° - tedy oranžová.

 

Jas (Brightness či Value) a sytost (Saturation) doplňuje odstín (Hue) na úplný popis. Sytost říká, kolik je přimícháno bílé (šedé) a jas říká její světlost.

Není příliš typické ukládat fotografie v modelu HSB a editory to obvykle ani nenabízejí. Model HSB se však dobře uplatní při editaci fotografií případně při grafických návrzích. Je v celku obvyklé zadávat pomocí modelu HSB barvy, obrázky pomocí modelu HSB přebarvovat a ovládat sytost jejich barev. Není asi překvapením, že pokud se sytost celého obrázku (tedy všech bodů fotografie) nastaví na 0 %, obrázek přejde do své černobílé podoby.

Vcelku známé okno Adobe Photoshopu pro změnu odstínu, sytosti a světlosti fotografií (Crtl+U). Odstín se zadává úhlem, v daném příkladě jsou všechny body snímku barevně posunuty o -60°, což naznačuje vzájemný posun barevných lišt dole (viz červená). Purpurová se tak stane modrou, azurová zelenou atd.

Barevný model Lab (často též L*a*b)
Barevný model Lab (zcela přesně podle definice CIE 1976 L*a*b) je poněkud zvláštní model, který byl navržen tak, aby byl zcela nezávislý na zařízení. To umožňuje ho používat jako barevný model referenční a například Photoshop používá model Lab  jako pomocný při převodu z jednoho barevného režimu do jiného. Vedle toho Photoshop umí v modelu Lab i pracovat a snímky v modelu Lab i ukládat.

Model Lab používá opět 3 složky pro popis barvy s významem:

• Světlost (Lightness, L), která v rozsahu 0 až 100 popisuje světlost bodu. 0 znamená černý bod, 100 znamená bílý bod.
• Složka barvy a, která popisuje barvu bodu ve směru od zeleno-modré (záporné hodnoty) po červeno-purpurovou (kladné hodnoty). Například Photoshop umožňuje zadávat hodnoty od -128 do +127.
• Složka barvy b, která popisuje barvu bodu ve směru od modro-purpurové (záporné hodnoty) po zeleno-žluto-červenou (kladné hodnoty).

Barevný model Lab se skládá z jasové složky zcela oddělené od barev a dvou barevných složek, které popisují barvu bodu.

Velkou výhodou modelu Lab je vedle jeho nezávislosti na zařízení i skutečnost, že jeho gamut je největší (má tedy nejširší rozsah zaznamenatelných barev) a dále naprosté oddělení jasové složky L od barevných složek a, b. To umožňuje realizovat i některé speciální efekty při editaci.

Praktické využití Lab modelu
Na změny jasu je lidské oko mnohem citlivější než na změny barev. Převede-li se obrázek do Lab modelu, nabízí se některé editace provádět pouze v jasovém kanále L a naopak některé pouze v barevných kanálech a,b. Poměrně známý trik je proto doostřit pouze L kanál, čímž se obrázek sice doostří, ale zcela bez současného zdůraznění barevného šumu, jak je běžné při RGB doostření. Naopak rozostřením kanálů a,b je možné účinně potlačit barevný šum s tím, že díky absenci rozostření v kanálu L oko toto rozostření vůbec nevnímá. Podobně na modelu Lab je založena celá řada dalších metod editace či zvláštních efektů.

Převod mezi jednotlivými modely
V principu není žádný problém převést obrázek uložený např. v modelu RGB na stejný obrázek uložený v jiném modelu (např. Lab). Jedná se o matematický přepočet nejčastěji 3 čísel, které definují barvu každého bodu. Jinými slovy - místo 3 čísel typu RGB u každého bodu (pixelu) budou v novém modelu opět 3 čísla, ale s významem Lab.

Při praktickém převodu vždy nastane malá ztráta kvality. Jednak různé modely mají obvykle různé gamuty a jednak nutnost zaokrouhlování na celá čísla v reálné 8 bitové representaci provede malé posuny. Posuny způsobené zaokrouhlováním jsou ale prakticky nepostřehnutelné.

Poněkud složitější je situace při převodu RGB či Lab do CMYK. Využití čtvrté barvy (blacK) dělá převod nejednoznačný a lze tedy převést RGB na CMYK mnoha různými způsoby. V praxi se potom volí způsob, který nejlépe vyhovuje konkrétnímu tiskovému zařízení.

Zadávání barev v Adobe Photoshopu
I když většina fotografů bude běžně pracovat v sRGB (dokonce i tehdy, když o tomto faktu nebude mít ani ponětí), je užitečné ostatní modely znát. Například zadat konkrétní barvu v Adobe Photoshopu je možné mnoha způsoby, které přímo reflektují barevný model.

Zadání barvy v Adobe Photoshopu je možné 5 způsoby: V modelu HSB (modře), v modelu RGB (červeně), v modelu Lab (zeleně), v modelu CMYK (fialově) a jako číslo webové barvy (žlutě). Hodnoty je možné zadat buď číselně nebo i graficky, kdy vždy jeden údaj z trojice je nutné označit puntíkem a jeho možné hodnoty se potom objeví v liště (1), kde se vizuálně vybere jeho požadovaná hodnota. Ostatní dva údaje se potom zadávají ve čtverci jako souřadnice (2) a (3). CMYK a webové barvy je možné zadat jen číselně.

Adobe Photoshop se dá použít i jako barevná kalkulačka, u které můžete zadat barvu jakýmkoliv z povolených způsobů a ihned vidíte její representaci i v ostatních modelech.

Bezpečné barvy pro web
Z historických důvodů se v řadě editorů objevuje volba "Barvy bezpečné pro web". To neznamená, že existují nějaké "nebezpečné barvy", ale jen a pouze prostý fakt, že starší PC monitory byly schopné zobrazit jen sadu 256 barev. Pokud by tedy např. webová grafika byla navržena s vyšším počtem barev, řada barev by se na starších monitorech slila a byla nerozlišitelná. Proto i Photoshop umožňuje zaškrtnutím volby "Pouze webové barvy" omezit výběr barev na ty, které jsou pro staré PC monitory zobrazitelné. Dnes již ale tento problém téměř nehrozí.

Zaškrtnutím volby "Pouze webové barvy" se omezí výběr barev na 256 odstínů bezpečných pro staré monitory a PC. Dnes již tento problém nehrozí, volba je ale nadále užitečná, když chcete vybírat barvy jen opravdu hrubě.