نموذج ألوان RGB

نموذج ألوان RGB هو نموذج ألوان جمعي ^{[ 1 ]} حيث تُجمع الألوان الأساسية للضوء ، الأحمر والأخضر والأزرق، معًا بطرق مختلفة لإنتاج مجموعة واسعة من الألوان . اسم النموذج مشتق من الأحرف الأولى للألوان الأساسية الثلاثة - الأحمر والأخضر والأزرق . ^{[ 2 ]}

يُستخدم نموذج ألوان RGB بشكل أساسي في استشعار الصور وتمثيلها وعرضها في الأنظمة الإلكترونية، مثل أجهزة التلفاز والحواسيب، على الرغم من استخدامه أيضاً في التصوير الفوتوغرافي التقليدي والإضاءة الملونة . قبل العصر الإلكتروني ، كان نموذج ألوان RGB يستند إلى نظرية متينة، مبنية على إدراك الإنسان للألوان .

يُعدّ نظام RGB نموذجًا لونيًا يعتمد على الجهاز : إذ تكتشف الأجهزة المختلفة قيمة RGB معينة أو تعيد إنتاجها بشكل مختلف، نظرًا لاختلاف عناصر اللون (مثل الفوسفور أو الأصباغ ) واستجابتها لمستويات الأحمر والأخضر والأزرق من مصنّع لآخر، أو حتى في الجهاز نفسه بمرور الوقت. وبالتالي، لا تُعرّف قيمة RGB اللون نفسه عبر الأجهزة دون وجود نوع من إدارة الألوان . ^{[ 3 ] [ 4 ]}

تشمل أجهزة الإدخال RGB الشائعة أجهزة التلفزيون الملونة وكاميرات الفيديو ، والماسحات الضوئية ، والكاميرات الرقمية . أما أجهزة الإخراج RGB الشائعة فتشمل أجهزة التلفزيون بتقنياتها المختلفة ( CRT ، LCD ، البلازما ، OLED ، النقاط الكمومية ، وغيرها)، وشاشات الكمبيوتر والهواتف المحمولة ، وأجهزة عرض الفيديو ، وشاشات LED متعددة الألوان ، والشاشات الكبيرة مثل Jumbotron . في المقابل، لا تُعد طابعات الألوان أجهزة RGB، بل أجهزة ألوان طرحية تستخدم عادةً نموذج ألوان CMYK .

لتكوين لون باستخدام نظام RGB، يجب تراكب ثلاثة أشعة ضوئية (واحد أحمر، وواحد أخضر، وواحد أزرق) (على سبيل المثال، عن طريق انبعاث الضوء من شاشة سوداء أو انعكاسه من شاشة بيضاء). يُسمى كل شعاع من الأشعة الثلاثة مكونًا من مكونات ذلك اللون، ويمكن أن يكون لكل منها شدة إضاءة مختلفة، من إطفاء كامل إلى إضاءة كاملة، في المزيج.

نموذج ألوان RGB هو نموذج جمعي بمعنى أنه إذا تم تراكب حزم الضوء، فإن أطياف انبعاثها تتجمع، طول موجي مقابل طول موجي، لتكوين طيف انبعاث جديد ناتج. ^{[ 5 ] [ 6 ]}وهذا يتناقض مع نموذج الألوان الطرحي ، وخاصة نموذج ألوان CMY ، الذي ينطبق على الدهانات والأحبار والأصباغ والمواد الأخرى، حيث عندما يتم دمج لونين، فإن طيف انعكاسهما يضاعف الطول الموجي مقابل الطول الموجي.

في النموذج الجمعي، إذا كان الطيف الناتج، مثلاً من تراكب ثلاثة ألوان، مسطحاً، فإن العين البشرية ترى اللون الأبيض عند سقوطه مباشرة على الشبكية. وهذا يتناقض تماماً مع النموذج الطرحي، حيث يكون الطيف الناتج المدرك هو ما تُصدره الأسطح العاكسة، مثل الأسطح المصبوغة . يقوم الصبغ بتصفية جميع الألوان باستثناء لونه؛ ومزيج صبغين يقوم بتصفية جميع الألوان باستثناء اللون المشترك بينهما، مثلاً الأخضر كمكون مشترك بين الأصفر والسماوي، والأحمر كمكون مشترك بين الأرجواني والأصفر، والأزرق البنفسجي كمكون مشترك بين الأرجواني والسماوي. لا يوجد مكون لوني مشترك بين الأرجواني والسماوي والأصفر، مما ينتج عنه طيف ذو شدة صفرية: الأسود .

يُعطي انعدام شدة الإضاءة لكل مكون أغمق لون (انعدام الضوء، ويُعتبر اللون الأسود )، بينما تُعطي الشدة الكاملة لكل مكون لونًا أبيض . وتعتمد جودة هذا اللون الأبيض على طبيعة مصادر الإضاءة الأساسية، ولكن إذا كانت متوازنة بشكل صحيح، فإن النتيجة هي لون أبيض محايد يُطابق نقطة اللون الأبيض للنظام . عندما تكون شدة الإضاءة لجميع المكونات متساوية، تكون النتيجة درجة من درجات اللون الرمادي ، أغمق أو أفتح حسب شدة الإضاءة. أما عندما تكون شدة الإضاءة مختلفة، فتكون النتيجة لونًا مُلونًا، بدرجة تشبع متفاوتة حسب الفرق بين أقوى وأضعف شدة إضاءة للألوان الأساسية المُستخدمة.

عندما يكون أحد المكونات هو الأقوى، يكون اللون الناتج درجة قريبة من هذا اللون الأساسي (أحمر، أخضر، أو أزرق)، وعندما يكون لمكونين نفس الأقوى، يكون اللون الناتج درجة من درجات اللون الثانوي (سماوي ، أرجواني ، أو أصفر ). يتكون اللون الثانوي من مجموع لونين أساسيين متساويين في الشدة: السماوي هو الأخضر + الأزرق، والأرجواني هو الأزرق + الأحمر، والأصفر هو الأحمر + الأخضر. كل لون ثانوي هو مكمل لأحد الألوان الأساسية: السماوي مكمل للأحمر، والأرجواني مكمل للأخضر، والأصفر مكمل للأزرق. عندما تُخلط جميع الألوان الأساسية بنسب متساوية، تكون النتيجة اللون الأبيض.

لا يُحدد نموذج ألوان RGB نفسه المعنى اللوني للأحمر والأخضر والأزرق ، وبالتالي فإن نتائج مزجها لا تُحدد بشكل مطلق، بل بشكل نسبي للألوان الأساسية. وعندما تُحدد الخصائص اللونية الدقيقة للألوان الأساسية الأحمر والأخضر والأزرق، يصبح نموذج الألوان حينها فضاءً لونيًا مطلقًا ، مثل sRGB أو Adobe RGB .

يرتبط اختيار الألوان الأساسية بفسيولوجيا العين البشرية ؛ فالألوان الأساسية الجيدة هي محفزات تزيد من الفرق بين استجابات الخلايا المخروطية في شبكية العين البشرية للضوء ذي الأطوال الموجية المختلفة ، وبالتالي تشكل مثلثًا لونيًا كبيرًا . ^{[ 7 ]}

تستجيب الأنواع الثلاثة الطبيعية من الخلايا المستقبلة للضوء في العين البشرية (الخلايا المخروطية) بشكل رئيسي للضوء الأصفر (طويل الموجة أو L)، والأخضر (متوسط ​​الموجة أو M)، والبنفسجي (قصير الموجة أو S) (أطوال موجات الذروة قريبة من 570  نانومتر، و540  نانومتر، و440  نانومتر على التوالي ^{[ 7 ]} ). يسمح اختلاف الإشارات الواردة من هذه الأنواع الثلاثة للدماغ بتمييز طيف واسع من الألوان المختلفة، مع كونه أكثر حساسية (بشكل عام) للضوء الأخضر المصفر وللاختلافات بين درجات اللون في المنطقة الممتدة من الأخضر إلى البرتقالي.

على سبيل المثال، لنفترض أن ضوءًا ضمن نطاق الأطوال الموجية البرتقالية  (من 577 نانومتر إلى 597  نانومتر تقريبًا) يدخل العين ويصطدم بالشبكية. سيُنشّط هذا الضوء المخروطيات الحساسة للأطوال الموجية المتوسطة والطويلة في الشبكية، ولكن ليس بالتساوي، إذ تستجيب الخلايا الحساسة للأطوال الموجية الطويلة بشكل أكبر. يستطيع الدماغ إدراك هذا الاختلاف في الاستجابة، وهو أساس إدراكنا للون البرتقالي. وهكذا، فإن المظهر البرتقالي لجسم ما ينتج عن دخول الضوء المنبعث منه إلى أعيننا وتحفيزه للمخاريط المختلفة في آنٍ واحد، ولكن بدرجات متفاوتة.

لا يكفي استخدام الألوان الأساسية الثلاثة لإعادة إنتاج جميع الألوان؛ إذ لا يمكن إعادة إنتاج سوى الألوان الواقعة ضمن مثلث الألوان المحدد بواسطة خصائص الألوان الأساسية عن طريق المزج الجمعي لكميات غير سالبة من تلك الألوان الضوئية. ^{[ 7 ]}

يعتمد نموذج ألوان RGB على نظرية يونغ-هيلمهولتز للرؤية اللونية ثلاثية الألوان ، التي وضعها توماس يونغ وهيرمان فون هيلمهولتز في أوائل ومنتصف القرن التاسع عشر، وعلى مثلث الألوان لجيمس كلارك ماكسويل الذي فصّل تلك النظرية ( حوالي عام 1860 ). وقد توصلت نظرية يونغ-هيلمهولتز إلى أن الأحمر والأخضر والبنفسجي (بدلاً من الأزرق) تُشكّل جميع الإحساسات اللونية. ^{[ 8 ]}

صور ملونة مبكرة

أول صورة فوتوغرافية ملونة دائمة، التقطها توماس ساتون عام 1861 باستخدام طريقة جيمس كليرك ماكسويل المقترحة المكونة من ثلاثة مرشحات، وتحديداً الأحمر والأخضر والأزرق البنفسجي

صورة فوتوغرافية لمحمد عليم خان (1880-1944)، أمير بخارى ، التقطها سيرجي بروكودين-غورسكي عام 1911 باستخدام ثلاث لقطات مع مرشحات زرقاء وخضراء وحمراء

يُوصَف اللون في نموذج ألوان RGB بتحديد كمية كلٍّ من الأحمر والأخضر والأزرق المُتضمنة فيه. ويُعبَّر عن اللون بثلاثية RGB ( r , g , b )، حيث تتراوح قيمة كل مُكوِّن من الصفر إلى قيمة قصوى مُحدَّدة. إذا كانت جميع المُكوِّنات عند الصفر، يكون اللون أسود؛ وإذا كانت جميعها عند القيمة القصوى، يكون اللون أبيض ساطعًا قدر الإمكان.

يمكن تحديد هذه النطاقات كمياً بعدة طرق مختلفة:

• من 0 إلى 1، مع أي قيمة كسرية بينهما. يُستخدم هذا التمثيل في التحليلات النظرية، وفي الأنظمة التي تستخدم تمثيلات الفاصلة العائمة .
• يمكن أيضًا كتابة قيمة كل مكون لوني كنسبة مئوية ، من 0% إلى 100%.
• في الحواسيب، تُخزَّن قيم المكونات عادةً كأعداد صحيحة غير مُوقَّعة في النطاق من 0 إلى 255، وهو النطاق الذي يوفره بايت واحد من 8 بت. ويتم تمثيل هذه القيم عادةً كأعداد عشرية أو سداسية عشرية .
• غالباً ما تكون معدات الصور الرقمية المتطورة قادرة على التعامل مع نطاقات أعداد صحيحة أكبر لكل لون أساسي، مثل 0..1023 (10  بت)، 0..65535 (16  بت) أو حتى أكبر، عن طريق توسيع 24  بت (ثلاث قيم 8 بت) إلى وحدات 32 بت ، 48 بت ، أو 64 بت (بشكل مستقل إلى حد ما عن حجم كلمة الكمبيوتر المحدد ).

على سبيل المثال، يُكتب اللون الأحمر الأكثر سطوعًا في رموز RGB المختلفة على النحو التالي:

الترميز	ثلاثية RGB
الحساب	(1.0, 0.0, 0.0)
نسبة مئوية	(100%، 0%، 0%)
8 بت رقمي لكل قناة	(255, 0, 0) #FF0000 (سداسي عشري)
12 بت رقمي لكل قناة	(4095, 0, 0) #FFF000000
رقمي 16 بت لكل قناة	(65535, 0, 0) #FFFF00000000
24 بت رقمي لكل قناة	(16777215, 0, 0) #FFFFFF000000000000
رقمي 32 بت لكل قناة	(4294967295, 0, 0) #FFFFFFFF0000000000000000

في العديد من البيئات، لا تُدار قيم المكونات ضمن النطاقات بشكل خطي (أي أن الأرقام ترتبط بشكل غير خطي بالشدة التي تمثلها)، كما هو الحال في الكاميرات الرقمية وبث واستقبال التلفزيون بسبب تصحيح غاما، على سبيل المثال. ^{[ 21 ]} غالبًا ما تُعالج التحويلات الخطية وغير الخطية من خلال معالجة الصور الرقمية.  وتُعتبر التمثيلات التي تحتوي على 8 بتات فقط لكل مكون كافية في حال استخدام تصحيح غاما . ^{[ 22 ]}

فيما يلي العلاقة الرياضية بين فضاء RGB وفضاء HSI (اللون، التشبع، والشدة: فضاء ألوان HSI ):

${\displaystyle {\begin{aligned}I&={\frac {R+G+B}{3}}\\S&=1\,-\,{\frac {3}{(R+G+B)}}\,\min(R,G,B)\\H&=\cos ^{-1}\left({\frac {(RG)+(RB)}{2{\sqrt {(RG)^{2}+(RB)(GB)}}}}\right)\qquad {\text{بافتراض }}G>B\end{aligned}}}$

لو${\displaystyle B>G}$، ثم${\displaystyle H=360-H}$.

بما أن الألوان تُعرَّف عادةً بثلاثة مكونات، ليس فقط في نموذج RGB، بل أيضاً في نماذج ألوان أخرى مثل CIELAB و Y'UV وغيرها، فإن الحجم ثلاثي الأبعاد يُوصف بمعاملة قيم المكونات كإحداثيات ديكارتية عادية في فضاء إقليدي . في نموذج RGB، يُمثَّل هذا الحجم بمكعب باستخدام قيم غير سالبة ضمن النطاق 0-1، حيث يُخصَّص اللون الأسود لنقطة الأصل عند الرأس (0، 0، 0)، وتزداد شدة اللون تدريجياً على طول المحاور الثلاثة وصولاً إلى اللون الأبيض عند الرأس (1، 1، 1)، المقابل قطرياً للون الأسود.    

تمثل ثلاثية RGB ( أحمر ، أخضر ، أزرق ) الإحداثيات ثلاثية الأبعاد لنقطة اللون المحدد داخل المكعب أو على أوجهه أو على طول حوافه. تتيح هذه الطريقة حساب تشابه لونين RGB معينين ببساطة عن طريق حساب المسافة بينهما: كلما كانت المسافة أقصر، زاد التشابه. ويمكن أيضًا إجراء حسابات خارج نطاق الألوان بهذه الطريقة.

في البداية، أدى محدودية عمق الألوان في معظم أجهزة الفيديو إلى لوحة ألوان محدودة تضم 216 لونًا من ألوان RGB، وفقًا لمكعب ألوان نتسكيب. تتكون لوحة الألوان الآمنة للويب من 216 تركيبة (6 ^{× 3} ) من الأحمر والأخضر والأزرق، حيث يمكن لكل لون أن يأخذ إحدى ست قيم (بالنظام الست عشري ): #00، #33، #66، #99، #CC، أو #FF (استنادًا إلى النطاق من 0 إلى 255 لكل قيمة مذكورة أعلاه). هذه القيم الست عشرية  تساوي 0، 51، 102، 153، 204، 255 بالنظام العشري، والتي  تساوي 0%، 20%، 40%، 60%، 80%، 100% من حيث الشدة. يبدو هذا مناسبًا لتقسيم 216 لونًا إلى مكعب ذي 6 أبعاد. مع ذلك، ونظرًا لعدم وجود تصحيح غاما، فإن شدة الإضاءة المُدركة على شاشة CRT/LCD قياسية ذات غاما 2.5 هي: 0%، 2%، 10%، 28%، 57%، 100% فقط. راجع لوحة ألوان الويب الآمنة للتأكد بصريًا من أن معظم الألوان المُنتجة داكنة جدًا. ^{[ 23 ]}

 مع انتشار شاشات العرض ذات 24 بت، لم يعد استخدام كامل ألوان ترميز ألوان RGB في لغة HTML، البالغ عددها 16.7 مليون لون، يمثل مشكلة لمعظم المشاهدين. وقد اعتُمدت مساحة ألوان sRGB (وهي مساحة ألوان مستقلة عن الجهاز ^{[ 24 ]} ) رسميًا كمعيار إنترنت في HTML 3.2، ^{[ 25 ] [ 26 ]} على الرغم من استخدامها لبعض الوقت قبل ذلك. تُفسَّر جميع الصور والألوان على أنها sRGB (ما لم تُحدَّد مساحة ألوان أخرى)، ويمكن لجميع الشاشات الحديثة عرض هذه المساحة اللونية (مع دمج إدارة الألوان في المتصفحات ^{[ 27 ] [ 28 ]} أو أنظمة التشغيل ^{[ 29 ]} ).

صيغة CSS هي:

rgb(#,#,#)

حيث يمثل # نسبة اللون الأحمر والأخضر والأزرق على التوالي. يمكن استخدام هذه الصيغة بعد محددات مثل "background-color:" أو (للنص) "color:".

أصبح استخدام نطاق ألوان واسع ممكناً في لغة CSS الحديثة ، ^{[ 30 ]} حيث تدعمه جميع المتصفحات الرئيسية منذ عام 2023. ^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ]}

على سبيل المثال، يمكن الإشارة إلى لون في فضاء ألوان DCI-P3 على النحو التالي:

اللون (عرض-p3....)

حيث # يساوي نسبة اللون الأحمر والأخضر والأزرق في النطاق من 0.0 إلى 1.0 على التوالي.

يتطلب إعادة إنتاج الألوان بدقة، لا سيما في بيئات العمل الاحترافية، إدارةً دقيقةً للألوان في جميع الأجهزة المشاركة في عملية الإنتاج، والتي يستخدم العديد منها نظام RGB. وتؤدي إدارة الألوان إلى عدة تحويلات شفافة بين مساحات الألوان المستقلة عن الجهاز ( sRGB ، XYZ ، L*a*b* ) ^{[ 24 ]} ومساحات الألوان المعتمدة على الجهاز (RGB وغيرها، مثل CMYK للطباعة الملونة) خلال دورة الإنتاج النموذجية، وذلك لضمان اتساق الألوان طوال العملية. إلى جانب المعالجة الإبداعية، قد تؤدي هذه التدخلات في الصور الرقمية إلى الإضرار بدقة الألوان وتفاصيل الصورة، خاصةً عند تقليل نطاق الألوان. وللحد من هذا الضرر، تسمح الأجهزة الرقمية الاحترافية وبرامجها بمعالجة صور بدقة 48  بت لكل بكسل (16 بت لكل قناة). 

تستخدم التطبيقات المتوافقة مع ملف تعريف ICC ، مثل Adobe Photoshop ، إما مساحة ألوان Lab أو مساحة ألوان CIE 1931 كمساحة اتصال ملف التعريف عند الترجمة بين مساحات الألوان. ^{[ 34 ]}

تستخدم جميع تنسيقات الإضاءة واللون المستخدمة في معايير التلفزيون والفيديو المختلفة، مثل _YIQ لنظام NTSC ، و _YUV لنظام PAL ، و _{YD BDR} لنظام _SECAM ، و YP BPR للفيديو المركب ، إشارات فرق اللون، والتي من خلالها يمكن ترميز صور RGB الملونة للبث/التسجيل، ثم فك ترميزها لاحقًا إلى RGB لعرضها. كانت هذه التنسيقات الوسيطة ضرورية للتوافق مع تنسيقات التلفزيون الأبيض والأسود الموجودة مسبقًا. كما أن إشارات فرق اللون هذه تتطلب نطاقًا تردديًا أقل للبيانات مقارنةً بإشارات RGB الكاملة.

وبالمثل، تقوم أنظمة ضغط بيانات الصور الرقمية الملونة عالية الكفاءة الحالية ، مثل JPEG و MPEG، بتخزين ألوان RGB داخليًا بتنسيق YC _B C _R ، وهو تنسيق رقمي للسطوع واللون يعتمد على YP _B P _R. كما يسمح استخدام YC _B C _R لأجهزة الكمبيوتر بإجراء أخذ عينات فرعية مع فقدان البيانات لقنوات اللون (عادةً بنسب 4:2:2 أو 4:1:1)، مما يقلل من حجم الملف الناتج.

• خلاط RGB
• تطبيق توضيحي لتحويل الألوان