В цветопередаче, включая компьютерную графику и фотографию, гамму, является определенным полным подмножеством цветов. Наиболее распространенное использование относится к подмножеству цветов, которые могут быть точно представлены в данном обстоятельстве, например, в заданном цветовом пространстве или определенном устройстве вывода.

Другой смысл, реже используемый, но все же правильный, относится к полному набору цветов, найденных в изображении в данный момент времени. В этом контексте оцифровка фотографии, преобразование оцифрованного изображения в другое цветовое пространство или вывод его на заданный носитель с использованием определенного устройства вывода обычно изменяет его гамму в том смысле, что некоторые цвета в оригинале теряются в обработать.

Введение
Термин «гамма» был принят из области музыки, где это означает набор смол, из которых составлены музыкальные мелодии; Использование Шекспира в «Укрощении строптивой» иногда приписывается автору / музыканту Томасу Морли. В 1850-х годах этот термин применялся к целому ряду цветов или оттенков, например, Томас Де Квинси, который написал «Порфирий, я слышал, пробегает как большую гамму оттенков, как мрамор».

В теории цвета гамма устройства или процесса представляет собой ту часть цветового пространства, которая может быть представлена ​​или воспроизведена. Как правило, цветовая гамма указывается в плоскости насыщения оттенком, поскольку система обычно может производить цвета в широком диапазоне интенсивностей в пределах своей цветовой гаммы; для системы субтрактивных цветов (например, используемой при печати) диапазон интенсивности, доступный в системе, по большей части бессмыслен, без учета системных свойств (таких как освещение чернил).

Когда определенные цвета не могут быть выражены в определенной цветовой модели, эти цвета, как говорят, не соответствуют гамме. Например, хотя чистый красный цвет может быть выражен в цветовом пространстве RGB, он не может быть выражен в цветовом пространстве CMYK; чистый красный цвет выходит из гаммы в цветовом пространстве CMYK.

Устройство, которое может воспроизводить все видимое цветовое пространство, является нереализованной целью в разработке цветных дисплеев и процессов печати. Современные методы позволяют получить все более хорошие аппроксимации, но сложность этих систем часто делает их непрактичными.

При обработке цифрового изображения наиболее удобной используемой цветовой моделью является модель RGB. Для печати изображения требуется преобразование изображения из исходного цветового пространства RGB в цветовое пространство CMYK принтера. Во время этого процесса цвета из RGB, которые не имеют гаммы, должны быть каким-то образом преобразованы в приблизительные значения в пределах диапазона пространства CMYK. Простое обрезка только цветов, находящихся вне гаммы, до ближайших цветов в месте назначения, сжигает изображение. Существует несколько алгоритмов, приближающих это преобразование, но ни один из них не может быть по-настоящему совершенным, поскольку эти цвета просто выходят за пределы возможностей целевого устройства. Вот почему определение цвета в изображении, которое выходит из гаммы в целевом цветовом пространстве как можно быстрее во время обработки, имеет решающее значение для качества конечного продукта.

Представление гамм
Гамуты обычно представлены как области в диаграмме цветности CIE 1931, как показано справа, с изогнутым краем, представляющим монохроматический (одноволновый) или спектральный цвет.

Доступная гамма зависит от яркости; поэтому полная гамма должна быть представлена ​​в трехмерном пространстве, как показано ниже:

На рисунках слева отображаются гаммы цветового пространства RGB (сверху), например, на компьютерных мониторах и отражающих цветах в природе. Конус, нанесенный серым цветом, примерно соответствует диаграмме CIE справа, с добавленным размером яркости.

Оси на этих диаграммах представляют собой ответы коротковолновых (S), средневолновых (M) и длинноволновых (L) конусов в человеческом глазу. Другие буквы обозначают черный (Blk), красный (R), зеленый (G), синий (B), голубой (C), пурпурный (M), желтый (Y) и белый цвет (W).

Верхняя левая диаграмма показывает, что форма RGB-диапазона представляет собой треугольник между красным, зеленым и синим при более низких светимостях; треугольник между голубым, пурпурным и желтым при более высоких светимостях и одна белая точка при максимальной яркости. Точные положения вершин зависят от спектров излучения люминофоров в мониторе компьютера и от соотношения максимальных светимостей трех люминофоров (т. Е. Цветового баланса).

Гамма цветового пространства CMYK в идеале примерно такая же, как для RGB, с немного отличающимися вершинами, в зависимости от точных свойств красителей и источника света. На практике из-за того, как растровые цвета взаимодействуют друг с другом и с бумагой и из-за их неидеальных спектров поглощения, гамма меньше и имеет закругленные углы.

Гамма отражающих цветов в природе имеет сходную, хотя и более округлую форму. Объект, который отражает только узкую полосу длин волн, будет иметь цвет, близкий к краю диаграммы CIE, но он будет иметь очень низкую яркость в одно и то же время. При более высоких светимостях доступная площадь на диаграмме CIE становится все меньше и меньше, вплоть до одной точки белого, где все длины волн отражаются ровно на 100 процентов; точные координаты белого определяются цветом источника света.

Ограничения цветового представления

Поверхности
В начале XX века промышленные требования к контролируемому способу описания цветов и новая возможность измерения спектров света инициировали интенсивное исследование математических описаний цветов.

Идея оптимальных цветов была введена балтийским немецким химиком Вильгельмом Оствальдом. Эрвин Шредингер в своей статье 1919 года «Теория пигментов с наивысшей светимостью» показал, что наиболее насыщенные цвета, которые могут быть созданы с заданной полной отражательной способностью, генерируются поверхностями с нулевым или полным отражением на любой заданной длине волны , а спектр отражения должен иметь не более двух переходов между нулем и полным. Таким образом, возможны два типа «оптимальных цветовых» спектров: либо переход идет от нуля на обоих концах спектра к одному в середине, как показано на изображении справа, либо он идет от одного на концах до нуля в средний. Первый тип создает цвета, похожие на спектральные цвета, и примерно соответствует форме подковообразной части диаграммы цветности CIE xy, но, как правило, менее насыщен. Второй тип создает цвета, похожие на (но обычно менее насыщенные, чем) цвета на прямой линии в диаграмме цветности CIE xy, что приводит к пурпурным цветам. Работа Шрёдингера была развита Дэвидом МакАдамом и Зигфридом Рёшем. MacAdam был первым человеком, который вычислил точные координаты выбранных точек на границе оптимального цвета твердого тела в цветовом пространстве CIE 1931 для уровней освещенности от Y = 10 до 95 с шагом 10 единиц. Это позволило ему нарисовать оптимальное твердое тело с приемлемой степенью точности. Из-за его достижения граница оптимального цветного твердого тела называется пределом MacAdam. На современных компьютерах можно рассчитывать оптимальное цветное твердое тело с большой точностью в секундах или минутах. Предел MacAdam, на котором находятся наиболее насыщенные (или «оптимальные») цвета, показывает, что цвета, близкие к монохроматическим цветам, могут быть достигнуты только при очень низких уровнях яркости, кроме желтых, потому что смесь длин волн с длинной прямой линейная часть спектрального локуса между зеленым и красным будет сочетаться, чтобы сделать цвет очень близким к монохроматическому желтому.

Источники света
Источники света, используемые в качестве праймериз в аддитивной системе воспроизведения цвета, должны быть яркими, поэтому они, как правило, не близки к монохроматическим. То есть цветовая гамма большинства источников переменного света с переменным цветом может быть понята как результат трудностей, вызванных чистым монохроматическим (одноволновым) светом. Лучшим технологическим источником монохроматического света является лазер, который может быть довольно дорогостоящим и непрактичным для многих систем. Однако по мере созревания оптоэлектронной технологии диодно-лазерные лазеры с однодольным режимом становятся все менее дорогостоящими, и многие приложения уже могут извлечь из этого выгоду; таких как рамановская спектроскопия, голография, биомедицинские исследования, флуоресценция, репрография, интерферометрия, полупроводниковый контроль, дистанционное обнаружение, хранение оптических данных, запись изображений, спектральный анализ, печать, связь «точка-точка» в свободном пространстве и волоконно-оптическая связь.

Системы, которые используют аддитивные цветовые процессы, обычно имеют цветовую гамму, которая является примерно выпуклым многоугольником в плоскости насыщения оттенков. Вершины многоугольника являются наиболее насыщенными цветами, которые может произвести система. В системах с субтрактивным цветом цветовая гамма чаще всего является нерегулярной областью.

Сравнение различных систем
Ниже приведен список репрезентативных цветных систем, более или менее упорядоченных по большой и малой цветовой гамме:

Лазерный видеопроектор использует 3 лазера для создания самой широкой гаммы, доступной сегодня на практическом дисплее, исходя из того, что лазеры производят поистине монохроматические праймериз. Системы работают либо путем сканирования всего изображения по точкам за один раз, либо путем модуляции лазера непосредственно на высокой частоте, подобно электронным пучкам в ЭЛТ, или путем оптического расширения, а затем модулирования лазера и сканирования линии за раз, сама линия модулируется так же, как и в DLP-проекторе. Лазеры также могут использоваться в качестве источника света для проектора DLP. Более трех лазеров можно комбинировать, чтобы увеличить диапазон гаммы, метод, иногда используемый в голографии.
Технология Digital Light Processing или DLP — это торговая марка от Texas Instruments. Микросхема DLP содержит прямоугольную матрицу размером до 2 миллионов микроскопических зеркал с шарниром. Каждая из микрозеркалей измеряет менее одной пятой ширину человеческого волоса. Микромира с микропроцессором DLP наклоняется либо к источнику света в проекционной системе DLP (ON), либо от него (OFF). Это создает светлый или темный пиксель на поверхности проекции. Текущие проекторы DLP используют быстро вращающееся колесо с прозрачными цветными «кусочками пирога», чтобы последовательно представлять каждую цветную рамку. Одно вращение показывает полное изображение.
Фотопленка может воспроизводить большую цветовую гамму, чем обычные телевизионные, компьютерные или домашние видеосистемы.
ЭЛТ и подобные видеодисплеи имеют примерно треугольную цветовую гамму, которая покрывает значительную часть видимого цветового пространства. В ЭЛТ ограничения связаны с люминофорами на экране, которые производят красный, зеленый и синий свет.
Дисплеи с жидкокристаллическим дисплеем (LCD) фильтруют свет, излучаемый подсветкой. Поэтому гамма ЖК-экрана ограничивается испускаемым спектром подсветки. Типичные ЖК-экраны используют люминесцентные лампы с холодным катодом (CCFL) для подсветки. ЖК-экраны с определенным светодиодом или подсветкой CCFL с широкой гаммой дают более широкую гамму, чем ЭЛТ. Однако некоторые технологии ЖК-дисплея отличаются цветом, представленным углом обзора. В плоскостных переключателях или шаблонах вертикального выравнивания имеют более широкий диапазон цветов, чем Twisted Nematic.
Телевидение обычно использует CRT, LCD или плазменный дисплей, но не в полной мере использует его свойства цветного дисплея из-за ограничений в вещании. HDTV менее ограничительный, но все же несколько меньше, чем, например, компьютерные дисплеи с использованием той же технологии отображения.
Смешивание краски, как в художественном, так и в коммерческом применении, позволяет получить достаточно большую цветовую гамму, начиная с более крупной палитры, чем красный, зеленый и синий из ЭЛТ или голубой, пурпурный и желтый. Краска может воспроизводить некоторые сильно насыщенные цвета, которые не могут быть хорошо воспроизведены с помощью ЭЛТ (особенно фиолетового), но в целом цветовая гамма меньше.
Обычно печать использует цветовое пространство CMYK (голубой, пурпурный, желтый и черный). Очень мало процессов печати не включает черный; однако эти процессы (за исключением принтеров с сублимацией красителя) плохо проявляют низкую насыщенность, цвета с низкой интенсивностью. Были предприняты усилия по расширению спектра процесса печати путем добавления чернил с непервичными цветами; они обычно оранжевые и зеленые (см. Hexachrome) или светло-голубой и светло-пурпурный (см. цветовую модель CcMmYK). Также иногда используются пятнистые цветные чернила очень специфического цвета.
Цветовая гамма монохромного дисплея представляет собой одномерную кривую в цветовом пространстве.

Широкая цветовая гамма
Форум Ultra HD определяет широкую цветовую гамму (WCG) в качестве цветовой гаммы, которая шире, чем Rec. 709. WCG будет включать DCI-P3 и Rec. 2020.