Чому ми використовуємо RGB замість довжин хвиль для представлення кольорів?

Як відомо, колір конкретного променя світла залежить від його частоти (або довжини хвилі ). Крім того, чи не це інформація, яка вперше захоплюється цифровими камерами? Тоді чому ми використовуємо формати на зразок RGB (або CMYK , HSV тощо) для цифрового зображення кольорів?

Я думаю, що в попередніх відповідях є деякі помилки, тому ось, на мою думку, це правда. Довідка: Нобору Ота та Алан Р. Робертсон, колориметрія: основи та застосування (2005).

Джерело світла не повинно мати єдину частоту. Відбитий світло, який є більшістю того, що ми бачимо у світі, не повинен мати єдиної частоти. Натомість він має енергетичний спектр, тобто його енергетичний вміст як функцію частоти. Спектр можна виміряти за допомогою приладів, званих спектрофотометрами.

Як було виявлено в ХІХ столітті, люди бачать багато різних спектрів, що мають однаковий колір. Проводяться експерименти, в яких світло двох різних спектрів генерується за допомогою ламп і фільтрів, і люди запитують, чи це однаковий колір? За допомогою таких експериментів можна перевірити, що люди не бачать спектр, а лише його інтеграли з певними функціями зважування.

Цифрові камери фіксують реакцію на світло наборів фотодіодів, покритих різними фільтрами, а не на повний спектр, який ви б бачили на спектрофотометрі. Використовуються три або чотири різних типи фільтрів. Результат зберігається у вихідному файлі, який виводиться камерою, хоча багато людей підозрюють, що виробники камер «готуються» в більшій чи меншій мірі (датчики камери, безумовно, є власником). Фізіологічні відповіді можна наблизити, застосувавши матричне перетворення до необроблених даних.

Для зручності, замість використання наближень до фізіологічних відповідей, для назви кольорів використовуються інші типи трійки чисел, наприклад, Лабораторія, описана в https://en.wikipedia.org/wiki/Lab_color_space (але зверніть увагу на сторінку). Треба відрізняти трійки, які можуть виражати весь спектр оцінених фізіологічних відповідей від інших, як, наприклад, RGB, який не може. Останні використовуються, оскільки вони виражають кольори, які можуть відображати екрани комп'ютерів. Вони є результатом перетворень у таких трійках, як Лабораторія, або з необроблених даних. CMYK призначений для принтерів.

Завданням інженера-візуалізатора завжди було зафіксувати за допомогою камери вірне зображення зовнішнього світу та представити це зображення таким чином, щоб спостерігач бачив вірну картину життя. Цієї мети ніколи не було досягнуто. Насправді найкращі образи, зроблені сьогодні, - кволі. Якби цієї мети було досягнуто, вам знадобляться сонцезахисні окуляри, щоб зручно переглядати зображення сонячного світла.

Ви запитуєте, чому камери не фіксують весь промінь випромінюючої енергії, який створив візуальну реакцію людини. Чому сучасна камера містить лише три вузькі сегменти, які ми називаємо основними світлими кольорами - червоним, зеленим та синім?

Відповідь потрапляє в категорію того, як ми бачимо, а саме на візуальну реакцію людини. Протягом багатьох років було запропоновано багато теорій щодо того, як люди бачать колір. Поки всі не змогли дати задовільного пояснення кожному аспекту того, як ми бачимо кольори. Довжина хвилі охоплює діапазон від 400 до 700 мілімікрон. Не випадково атмосфера Землі прозора для цього діапазону.

Коли ми дивимось на джерело світла, ми не можемо виділити будь-яку конкретну довжину хвилі, якщо вона не представлена ​​окремо. Коли ми дивимось на джерело білого світла, ми не в змозі виділити і ідентифікувати будь-який конкретний колір. Наша комбінація очей / мозку інтерпретує колір світла, не аналізуючи, що складає суміш частот. Користуючись цим, вчені довели експериментальним шляхом, що змішуючи лише три кольори в різних пропорціях, можна отримати майже всі кольори. Іншими словами, представляючи людському оці різної інтенсивності, поєднання червоного, зеленого та синього кольорів може бути відтворено у більшості кольорів спектру, не точно, а близьке наближення. Це була робота Томаса Янга (британська 1773 - 1829) під назвою "Молода теорія кольорового бачення".

Спираючись на теорію Юнга, Джеймс Клерк Максвелл (британський 1831 - 1879) показав світові першу створену кольорову фотографію. У 1855 р. Він використав три проектори та наклав три зображення, спроектовані на одному екрані. Кожен проектор був обладнаний кольоровим фільтром. Три зображення були кожним із трьох світлих первинних кольорів, а саме: червоного, зеленого та синього. Прогнозовані зображення фільму були зроблені, зроблені трьома окремими фотографіями на трьох фрагментах чорно-білої плівки, кожна з яких оголена через один фільтр із трьох світлих прем'єр.

З того дня 1855 року було досліджено незліченну кількість способів виготовлення та відображення кольорових картин. Ранні кольорові кінофільми проектуються слабкими кольоровими зображеннями, використовуючи лише два кольори. Едвін Ленд (американський 1909 - 1991), засновник Polaroid Corp. експериментував із створенням кольорових зображень, використовуючи лише два основних кольори. Це залишилося лабораторною цікавістю. Поки найвірніші кольорові зображення зроблені за допомогою трьох кольорових праймеріз. Однак одна людина, Габбріель Ліппманн (франц. 1845 - 1921), створила прекрасні кольорові зображення, що охопили весь візуальний спектр світла. Він розробив метод, який використовував чорно-білу плівку з дзеркальною підкладкою. Випромінюване світло проникало у плівку, потрапляло в дзеркало і відбивалося назад у плівку. Таким чином, експозиція робилася через два транзити випромінюваного світла. Зображення складається із срібла, розташованого з інтервалом, рівним довжині хвилі випромінюваного світла. Під час перегляду фільм дозволяв пропускати лише світло, який відповідав довжині хвилі випромінюваного світла. Можна було побачити повнокольорове зображення, яке не містило барвника пігменту. Унікальний і красивий, процес Lippmann залишається непрактичним. Наші кіно- та цифрові камери повертаються до методу, який застосовує Максвелл. Можливо, якщо ви вивчите людський зір і теорію кольорів, можливо, ви будете тим, хто просуває нашу науку і отримає перший по-справжньому вірний образ. Наші кіно- та цифрові камери повертаються до методу, який застосовує Максвелл. Можливо, якщо ви вивчите людський зір і теорію кольорів, можливо, ви будете тим, хто просуває нашу науку і отримає перший по-справжньому вірний образ. Наші кіно- та цифрові камери повертаються до методу, який застосовує Максвелл. Можливо, якщо ви вивчите людський зір і теорію кольорів, можливо, ви будете тим, хто просуває нашу науку і отримає перший по-справжньому вірний образ.

Ти сказав,

це інформація, яку спочатку захоплюють цифрові камери.

Це не правильно. Самі по собі датчики на більшості цифрових камер реагують на широку смугу частот світла, поза межами того, що людина може бачити в інфрачервоному та ультрафіолетовому спектрах. Оскільки датчики захоплюють такий широкий спектр світла, вони є жахливими дискримінаторами світлових довжин хвиль. Тобто, грубо кажучи, цифрові датчики бачать чорно-білі .

Для більшості датчиків камери¹, щоб захопити кольори, перед датчиком розміщуються кольорові фільтри, які називаються масивом кольорових фільтрів (CFA). КФА перетворює кожен піксель датчика (іноді званий sensel ) в першу чергу червоного, зеленого або синього світла датчика. Якщо ви бачите необроблені дані датчика як чорно-біле зображення, вони виглядають бляклими, дещо схожими на напівтоноване чорно-біле зображення газети. Збільшення масштабу, окремі пікселі зображення матимуть вигляд, схожий на шашку.

Інтерпретуючи окремі квадрати необроблених даних зображення як червоні, зелені або сині, якщо це доречно, ви побачите кольорову версію зображення, подібну до кольорової напівтонованої статті газетного паперу.

^{Масив кольорових фільтрів Bayer, користувач Cburnett , Wikimedia Commons. CC BY-SA 3.0}

Завдяки процесу, який називається демозаціненням, або під час збереження даних зображень у камері, або під час обробки на комп'ютері, масив кольорових даних обчислюється комбіновано для створення кольорового зображення RGB з повною роздільною здатністю. У процесі демонстрації оцінювання значення RGB кожного пікселя обчислюється алгоритмом, який враховує не тільки значення пікселя, але й дані в сусідніх пікселях, що оточують його.

• Дивіться також: Файли RAW зберігають 3 кольори на піксель або лише один?

Тоді чому ми використовуємо формат RGB для цифрового зображення кольорів?

Ми використовуємо трихромну кольорову модель, оскільки саме так люди сприймають кольори. З статті Wikipedia'a про трихроматі ,

Теорія трихроматичних кольорів почалася у 18 столітті, коли Томас Янг запропонував, що кольорове бачення є результатом трьох різних фоторецепторних клітин. Пізніше Герман фон Гельмгольц розширив ідеї Юнга, використовуючи експерименти зі відповідності кольорів, які показали, що людям із нормальним зором потрібні три довжини хвилі для створення нормальної гами кольорів.

Таким чином, ми створюємо камери, які фіксують те, що ми можемо бачити, дещо подібним до того, як ми бачимо . Наприклад, для типової фотографії, яка має на меті зафіксувати та відтворити побачене, мало сенсу також фіксувати інфрачервоні та ультрафіолетові довжини хвиль.

• Дивіться також: Чи можна описати всі кольори за допомогою RGB?

1. Не всі датчики використовують CFA. Х3 Foveon датчик, який використовується Sigma дзеркалок і бездзеркальних камер, грунтується на тому факті , що різні довжини хвиль світла , що проникає кремнію на різних глибинах. Кожен піксель на датчику X3 являє собою стек фотодіодів, що виявляють червоний, зелений та синій кольори. Оскільки кожен піксель справді є RGB-датчиком, для датчиків Foveon не потрібно знімати зйомку.

   Leica М Monochrom є дорогою чорно-білої тільки камерою , яка не має CFA на датчику. Оскільки відсутня фільтрація вхідного світла, камера більш чутлива до світла (згідно Leica, 100% або 1 стоп, більш чутлива).

Причина, що камери та дисплеї працюють у RGB, полягає в тому, що наші сітківки працюють саме так .

Оскільки наші очі кодують кольори з цими компонентами (RGB), це дуже зручна система (хоча точно не єдина) для кодування не тільки чистої довжини хвилі (яка утворює більш-менш детерміновану комбінацію реакції сітківки для кожного хроматичного компонента) , але і змішаних кольорів.

Обґрунтуванням було б "якщо будь-яке поєднання кольорів може бути доставлене до мозку лише у вигляді комбінації трьох компонентів, я можу обдурити зорову систему, подавши лише задану комбінацію цих ізольованих, чистих компонентів (через RGB-дисплей) і дозволити візуальному система декодує їх так, ніби вони справжня річ.

Цікаво відзначити, що, оскільки ми тріхромати, більшість кольорових систем мають тривимірний характер (лабораторія, HSV, YCbCr, YUV тощо), не через властивих фізичних властивостей кольору , а замість того, що саме працює наша візуальна система.

Спроба відповісти просто:

• Ми практично не можемо зафіксувати достатню кількість інформації для зберігання повного розбиття частоти за частотою всіх різних довжин хвиль світла, навіть у межах видимого спектру. За допомогою RGB ми можемо описати колір пікселя, використовуючи лише три числа. Якби ми захоплювали весь спектр частоти світла, для кожного пікселя потрібно було б не 3 числа, а графік даних. Передача та зберігання даних були б величезними.

• Нашим очам це не потрібно. Наші очі не просто бачать три довжини однієї хвилі, але замість цього кожен наш "червоний", "зелений" і "синій" рецептори захоплюють частково перекриваються діапазони світла:

  

  Перекриття дозволяє нашому мозку інтерпретувати відносні сили сигналів як різні кольори між праймерізами, тому наша система зору вже досить добре наближає фактичну довжину хвилі, даючи лише відносну силу сигналу трьох праймеріз. Кольорова модель RGB адекватно відтворює цей самий рівень інформації.

Є дві взаємодіючі причини.

Причина (1) полягає в тому, що око (як правило) отримує кілька довжин хвиль світла з будь-якої заданої точки [так би мовити]. Наприклад, біле світло - це фактично [як правило] суміш багатьох різноманітних довжин хвиль; немає "білої" довжини хвилі. Аналогічно, пурпурова (сьогодні її часто називають "рожевою" (через "гарячу рожеву")) - це суміш червоного та синього, але без зеленого (що могло б виглядати білим). Так само знову-таки, щось, що з’являється зеленим кольором, може містити вапно та деякі коричневі компоненти.

Причина (2) полягає в тому, що RGB - це так, як працює людське око - у нього червоні, зелені та сині датчики.

Таким чином, поєднуючи (1) і (2): щоб змусити людський мозок інтерпретувати світлові сигнали так само, як і інтерпретувати вихідні сигнали, вони повинні бути закодовані в його термінах.

Наприклад, якби (навпаки) оригінал був (тим, що людина сприймав би) білим світлом, але він був закодований за допомогою, скажімо, фіолетових та червоних датчиків - лише два - відтворення видалося б людському оці як пурпурне. Аналогічно, але більш тонко або тонко… біле світло, що представляє собою суміш повного спектру кольорів… якби це кодувалося за допомогою, скажімо, фіолетових, жовтих та червоних датчиків… це відтворення здавалося б для людського ока як не чисто біле - as (offhand) жовто-іш-біле. І навпаки, він би виглядав як чисто білий уявний інопланетянин (і, можливо, якась справжня тварина) з тими ж датчиками (а саме фіолетовим, жовтим та червоним) у його оці.

Таким же чином… якби оригінал був білим - тобто сумішшю повного діапазону кольорів - тоді людське око, сприймаючи це, кодувало б це з точки зору лише червоного, зеленого та синього… та відтворення з використанням лише червоного, зеленого і блакитний (в однакових пропорціях) здасться людському сприйняттю чисто білим - справа в тому, що інформація втрачається в обох випадках, але кінцевий результат видається ідеальним, оскільки втрати відповідають. На жаль, вони точно відповідають лише у тому випадку, якщо датчики [RGB] у камері мають криві чутливості точно такі ж, як датчики [RGB] у людському оці [зазначаючи, що кожен датчик активується діапазоном кольорів] - якщо, наприклад, , колір вапна активував кожен червоний, зелений і синій датчики точно однаковою кількістю в двох випадках.

tl; dr: Виявити світло на трьох широких частинах спектрів набагато простіше, ніж точно аналізувати частоту. Також простіший детектор означає, що він може бути меншим. І третя причина: кольоровий простір RGB наслідує принципи дії людського ока.

Як довів Макс Планк, кожне гаряче тіло випромінює випромінювання з різними частотами. Він висунув і довів, що енергія випромінюється в сплесках, званих фотонами, а не безперервно, як передбачалося раніше. І з того дня фізика ніколи не була однаковою. Єдиним винятком є ​​ідеальний ЛАЗЕР / МАСЕР, який випромінює випромінювання лише однієї частоти і розряди (неонові смуги, ...) випромінюють випромінювання з декількома ізольованими частотами.

Розподіл інтенсивності по частотах називається спектром. Аналогічно, детектори також мають свої спектри, в цьому випадку це розподіл реакції детектора на випромінювання нормалізованої інтенсивності.

Як уже зазначалося, біле світло біле, тому що наші очі еволюційно калібровані, щоб побачити сонячне світло, починаючи від далекого інфрачервоного до ультрафіолетового, як біле. Наприклад, листя зеленого кольору, оскільки вони поглинають усі частоти, крім тієї частини, яку ми бачимо як зелену.

Звичайно, є детектори, які можуть збирати спектри та витягувати інформацію. Вони застосовуються в оптичній емісійній спектроскопії та рентгенографах та флуоресцентних техніках, де хімічний склад чи мікроструктура оцінюються зі спектрів. Для фотографії це надмірно; за винятком астрофотографії, де ми хочемо оцінити "хімічний" склад, але зображення "перекладаються" на підроблені кольори. Ці детектори точні і величезні або маленькі, але неточні, і для їх аналізу потрібно набагато більше обчислювальної сили.

Людське око чи будь-яке інше око - це не так. Ми не бачимо хімічного складу об'єкта або стану зв’язку об'єкта. В оці є чотири різні "детектори":

• безбарвний: вони найбільш чутливі і працюють на всіх видимих ​​частотах. Без них ти б нічого не бачив вночі.
• червоні: Вони найбільш чутливі в області низької частоти. Тому гарячі речі спочатку світяться червоними.
• зелень: Вони найбільш чутливі у регіонах з високою частотою. Ось чому гарячі речі перетворюються від червоного на жовтий при подальшому нагріванні.
• Блюз: Ці найчутливіші в області високої частоти. Ось чому нагріті речі світяться білими при нагріванні набагато більше. Якщо ви зможете їх більше і більше нагрівати, вони почнуть світитися світло-блакитним кольором.

Якщо ми подивимось на веселку, чи компакт-диск чи DVD, то побачимо кольори, що перетворюються з червоного на фіолетовий. Світлові промені для даної частини веселки здебільшого мають одну пертикулярну частоту. Інфрачервоні промені нам не помітні для очей, і вони не збуджують жодної клітини сітківки. Збільшуючи частоту, промені починають збуджувати лише червоні «клітини», а колір ic вважається червоним. Збільшуючи частоту, пучки збуджують "червоні клітини в основному", а трохи "зелень" і колір розглядаються як помаранчевий. Жовті промені трохи більше збуджують "зелень" ...

Датчики в камерах, CCD або CMOS, збуджуються світловими променями будь-якої частоти, щоб сфотографувати наші очі, ми побачимо, як колір ми просто імітуємо людське око - ми використовуємо, наприклад, фільтр Байєса. Він складається з трьох кольорових фільтрів зі спектрами передачі, навмисно подібними до типів клітин нашої сітківки.

Світло, відбите від жовтого паперу, освітленого Сонцем, випромінює "червоні" повністю (100%), "зелені" повністю (100%), а також трохи "блюз" (5%), тому ви бачите його жовтим. Якщо ви сфотографуєте це, схоже, скажімо так само, збудження збирає камера. Дивлячись на зображення на екрані, екран посилає до вас 100 червоних фотонів, 100 зелених фотонів і 5 синіх фотонів за дуже короткий проміжок часу. Рівень збудження вашої сітківки буде подібний до збудження, викликаного безпосереднім спостереженням, і ви зробите фотографію жовтого паперу.

Є ще одна проблема, яку потрібно вирішити, якщо ми хочемо відтворити кольори. Використовуючи кольоровий простір RGB, нам потрібно лише три типи джерел світла на піксель. У нас може бути три кольорових фільтри (РК-дисплеї працюють так), у нас може бути три типи світлодіодів (LED і OLED-панелі використовують це), у нас може бути три типи люмінофорів (CRT використовував це). Якщо ви хочете відтворити колір повністю, вам знадобиться нескінченна кількість фільтрів / джерел на піксель. Якщо ви хочете скористатися спрощенням інформації за кольором до частоти, це теж не допоможе.

Ви також можете спробувати відтворити колір за його темпераментом. Я думаю, ви зможете відтворювати лише червоно-оранжево-жовто-білий колір, і вам доведеться нагрівати кожен піксель до температури близько 3000 К.

І в усіх теоретичних випадках ваші очі все одно переведуть справжній справжній колір на його RGB-сигнали і передадуть його вашому мозку.

Ще одна проблема, яку потрібно вирішити - як зберігати дані? Звичайний RMP-образ 18MPx складається з трьох матриць 5184x3456 комірок, кожна точка з 8-бітовим розміром. Це означає, що 51 зображення нестисненого файла на зображення. Якщо ми хочемо зберегти повний спектр для кожного пікселя, скажімо, у 8-бітовій роздільній здатності, це буде 5184x3456x256 übermatrix, в результаті чого файл буде нестисненим 4 Гб. Це означає, що інтенсивність зберігання 256 різних частот знаходиться в діапазоні 430–770 Тц, що означає роздільну здатність інтервалу 1,3 ТГц на канал.

Зовсім не варте зусиль, якщо можна сказати ...

Коротка відповідь: Оскільки довжина хвилі - це одне значення, і вся гама кольорів, яку ми можемо сприймати, не є єдиною величиною, будь-які розміри прямокутного твердого тіла можуть бути представлені одним вимірюванням.

Для продовження аналогії - ви могли б процитувати об'єм твердої речовини, але існує багато різних твердих тіл з однаковим об'ємом.

RGB, CMY, HLS і т. Д. Всі використовують три "розміри", тому що зараз багато потрібно, щоб адекватно описати кольори, як їх бачать люди.

Довжина хвилі дорівнює Hue в системі HLS, але вона не може сказати вам легкість або насиченість.

Re "Крім того, чи не це ([довжина хвилі]) інформація, яка вперше зафіксована цифровими камерами?" , ні, це не так.

Як зазначають інші, цифрові камери фіксують відносну інтенсивність червоного, зеленого та синього кольорів. (А деякі використовували принаймні один додатковий колір для кращої дискримінації у критичному червоно-зеленому регіоні.) Безпосередньо вимірювати частоту надходження світла було б набагато складніше. У нас просто немає дешевих датчиків, які б могли це зробити, звичайно, не тих, які ми можемо зробити в сітці з декількох мільйонів. І нам ще потрібен спосіб, щоб камера вимірювала легкість і насиченість.