Màu sắc thể hiện vẻ đẹp thị giác qua mối quan hệ với toán học, không gian màu, gamut

Hôm nay mình đọc được một só bài về màu sắc, không gian màu nên viết một bài tổng hợp thông tin cho anh em tham khảo.

Trong thế giới hiện đại, hình ảnh và màu sắc hiện diện ở khắp mọi nơi, từ màn hình điện thoại, laptop đến các tấm poster, áp phích. Trên thực tế thì chắc các anh em làm đồ hoạ hay tiếp xúc với máy tính nhiều mới biết rằng để hiển thị màu sắc một cách đúng đắn nhất, máy tính phải thực hiện hàng loạt phép toán phức tạp. Thực ra, việc định nghĩa và hiển thị màu sắc không phải là vấn đề thẩm mỹ mà còn là một quá trình kỹ thuật có liên quan đến toán học, vật lý và công nghệ hiển thị. Việc xác định màu không thể chỉ dựa vào cảm nhận thị giác của con người, bởi mỗi người có thể nhìn nhận màu một chút khác nhau. Thay vào đó, chúng ta cần các mô hình toán học — gọi là mô hình màu — để mô tả màu sắc một cách định lượng, chính xác và nhất quán giữa các thiết bị và phần mềm.

Mô hình màu (color models): hệ thống đại diện cho màu sắc

Có rất nhiều mô hình màu với mỗi mô hình đại diện cho một hệ thống toán học nhằm thể hiện màu sắc thông qua các thành phần cơ bản. Mô hình đầu tiên mà có lẽ là phổ biến nhất từ ngày xưa khi mình bắt đầu học lập trình là RGB, dựa trên ba màu cơ bản Đỏ (Red), Xanh lá (Green) và Xanh dương (Blue), còn được coi là mô hình cộng màu. Mô hình này được sử dụng chủ yếu trong các thiết bị điện tử như màn hình hay máy ảnh, nơi màu sắc được tạo ra bằng cách cộng ánh sáng lại. Anh em nào rành chắc cũng biết là mỗi màu có giá trị từ 0 đến 255, tổ hợp lại tạo ra khoảng 16 triệu màu khác nhau.


Mô hình màu RGB tổ hợp từ Đỏ - Xanh Lục - Xanh dương

Màu CMYK phù hợp cho việc in ấn

Một mô hình màu khác là CMYK, được tổ hợp từ bốn màu cơ bản là Cyan (xanh lơ), Magenta (hồng cánh sen), Yellow (vàng) và blacK (đen), còn được gọi là mô hình trừ màu. Mô hình này thường được sử dụng trong in ấn, nơi màu sắc được tạo ra bằng cách trừ ánh sáng phản xạ từ giấy trắng khi các lớp mực chồng lên nhau. Trong hệ thống số hoá, mỗi kênh màu CMYK thường có dải giá trị từ 0 đến 1, tương ứng với tỷ lệ mực được sử dụng, hoặc được biểu diễn ở độ phân giải 8-bit, tức 256 mức khác nhau cho mỗi kênh màu. Với bốn kênh, mô hình CMYK có thể biểu diễn lý thuyết khoảng 256⁴ màu — tương đương hơn 4,2 tỷ màu. Tuy nhiên, trong thực tế, số lượng màu mà mắt người có thể nhìn thấy hoặc mà máy in có thể tái tạo chính xác sẽ thấp hơn nhiều, do giới hạn về loại mực, chất liệu giấy, và công nghệ in được sử dụng.


Màu HSV/HSB - HSL thường được biểu diễn dạng hình nón

Một mô hình khác quen thuộc với người dùng Photoshop hay các phần mềm chỉnh sửa ảnh là HSL hoặc HSV, vốn được phát triển nhằm trực quan hóa cách con người cảm nhận màu sắc. Trong mô hình này, màu được chia thành ba yếu tố: Hue (sắc độ), được đo theo vòng tròn màu từ 0 đến 360 độ; Saturation (độ bão hòa màu) và Lightness hoặc Value (độ sáng) đều được tính theo phần trăm, từ 0 đến 100. Nếu giả sử hệ thống xử lý dùng độ phân giải là 360 mức cho Hue và 101 mức cho mỗi trục Saturation và Lightness/Value, thì mô hình này có thể biểu diễn khoảng 3.6 triệu màu khác nhau (360 × 101 × 101). Dù không chính xác tuyệt đối về mặt tính toán như RGB hay CMYK, mô hình này lại rất trực quan và dễ dùng, vì người chỉnh màu có thể dễ dàng thay đổi sắc độ, độ đậm hay độ sáng theo cảm nhận thị giác — rất phù hợp khi làm việc với màu sắc theo phong cách “cảm tính” hơn là tính toán.

Không gian màu (color spaces); phạm vi hiển thị màu trong thực tế

Tuy nhiên, mô hình màu mới chỉ là phần cơ bản. Để làm việc với màu trong thực tế, ví dụ khi hiển thị màu đỏ trên màn hình máy tính hay in ra giấy, chúng ta cần một khái niệm cụ thể hơn là không gian màu (color space). Về cơ bản, không gian màu là một phạm vi cụ thể bên trong mô hình màu, định nghĩa những màu nào có thể được thể hiện hoặc hiển thị được trên một thiết bị hay trong một ứng dụng cụ thể. Một trong những không gian màu phổ biến nhất là sRGB, được phát triển bởi HP và Microsoft từ năm 1996. Việc này nhằm mục đích thiết lập là tiêu chuẩn sử dụng rộng rãi trong thiết kế web và trên phần lớn thiết bị điện tử tiêu dùng hiện nay, bởi nó đảm bảo sự đồng nhất giữa các thiết bị khác nhau trong phạm vi đủ rộng và dễ áp dụng. Tuy nhiên, sRGB không phải là lựa chọn tối ưu cho tất cả. Trong nhiếp ảnh chuyên nghiệp hay in ấn, người ta thường sử dụng Adobe RGB — một không gian màu rộng hơn sRGB, cho phép hiển thị thêm nhiều sắc độ xanh lục và xanh lam mà sRGB không thể bao phủ hết.


Không gian màu sRGB và Adobe RGB rộng hơn với khả năng hiển thị nhiều sắc độ xanh lục và xanh lam

Bên cạnh hai không gian màu kể trên, còn có CIELAB, còn được gọi là Lab, một không gian màu đặc biệt được thiết kế để mô phỏng cách con người cảm nhận màu sắc. Khác với RGB hay Adobe RGB, Lab là không gian màu độc lập với thiết bị. Điều này có nghĩa là một giá trị màu trong không gian Lab sẽ cho ra cùng một màu sắc dù được thể hiện ở đâu: trên màn hình, trong in ấn hay trong phần mềm chỉnh sửa ảnh. Đây là lý do Lab thường được sử dụng trong các công việc cần độ chính xác cao về màu sắc, như chỉnh màu trong in ấn chuyên nghiệp hoặc so khớp màu giữa các thiết bị khác nhau.


Một không gian màu sẽ sử dụng một phần số màu sắc chứ không sử dụng hoàn toàn các màu được ánh xạ

Ngoài ra, trong lĩnh vực video và điện ảnh, các không gian màu như Rec.709, Rec.2100 hay DCI-P3 lại chiếm ưu thế. Rec.709 là chuẩn được dùng cho truyền hình độ phân giải cao (HD), còn Rec.2100 là chuẩn màu mới hơn dành cho nội dung 4K, HDR và các công nghệ video tương lai. DCI-P3 — còn được gọi là Display P3 — là không gian màu được thiết kế cho rạp chiếu phim kỹ thuật số và hiện nay đã được tích hợp vào nhiều thiết bị cao cấp như iPhone, iPad, iMac hay các màn hình chuyên nghiệp.

Gamut: Thiết bị có thể bao phủ bao nhiêu màu?

Khi nói đến khả năng hiển thị màu, chúng ta không chỉ quan tâm đến việc một không gian màu bao phủ những màu gì, mà còn đến khả năng của từng thiết bị cụ thể trong việc tái hiện chính xác những màu đó. Đó là lúc cần nói về Gamut. Gamut về cơ bản dùng để chỉ phạm vi màu sắc mà một thiết bị có thể hiển thị được trong một không gian màu đã định. Nó thường được biểu diễn dưới dạng phần trăm — ví dụ, một màn hình có thể “bao phủ 99% sRGB” nghĩa là nó hiển thị được gần như toàn bộ các màu trong không gian sRGB. Đây là yếu tố quan trọng khi chọn màn hình cho công việc sáng tạo, bởi một màn hình có gamut rộng hơn sẽ hiển thị màu sắc chính xác hơn, đặc biệt là trong các không gian màu mở rộng như Adobe RGB hay DCI-P3. Tuy nhiên, cũng như độ phân giải màn hình, sẽ tồn tại một điểm giới hạn mà sau đó sự khác biệt trở nên rất khó nhận ra bằng mắt thường. Việc tăng độ bao phủ gamut đôi khi chỉ có ý nghĩa với những công việc chuyên biệt như chỉnh màu video, thiết kế in ấn hoặc hậu kỳ điện ảnh.

Độ bao phủ màu gamut là tỉ lệ màu mà mỗi không gian màu có thể bao phủ tổng không gian màu gốc

Ngoài ra, để xác định một thiết bị có thể hiển thị được bao nhiêu phần trăm màu trong một không gian màu tiêu chuẩn như sRGB hay Adobe RGB, người ta sử dụng biểu đồ màu trong không gian tọa độ CIExyY hoặc CIELAB. Từ đó, phạm vi màu (gamut) mà thiết bị có thể hiển thị sẽ được biểu diễn dưới dạng một tam giác hoặc thể tích trong không gian 3D, rồi so sánh với toàn bộ không gian màu gốc. Phần trăm gamut được tính bằng diện tích hoặc thể tích giao nhau giữa hai vùng — ví dụ, nếu màn hình bao phủ 95% diện tích của sRGB, thì ta nói nó có 95% sRGB gamut. Đây là chỉ số quan trọng trong việc đánh giá khả năng hiển thị màu chính xác của màn hình hoặc thiết bị hiển thị chuyên dụng.

Vậy tại sao không có một không gian màu duy nhất?

Với tất cả các mô hình, không gian và phạm vi màu khác nhau như vậy, chắc hẳn anh em sẽ đặt một câu hỏi là tại sao chúng ta không tạo ra một không gian màu duy nhất, rộng nhất, dùng chung cho tất cả mọi thứ? Về mặt lý thuyết, điều này hoàn toàn khả thi. Không gian màu CIE 1931 XYZ là một ví dụ cụ thể khi nó được thiết kế để mô phỏng toàn bộ phổ màu mà mắt người có thể nhìn thấy. Tuy nhiên, theo lời Eric Chan,một chuyên gia hàng đầu tại Adobe, thì điều này không phải lúc nào cũng có lợi. Mỗi không gian màu được tạo ra với một mục đích cụ thể: có loại dành cho hiển thị, có loại dành cho in ấn, có loại dành cho trao đổi dữ liệu giữa các phần mềm. Một không gian màu duy nhất có thể khiến mọi thứ đồng nhất hơn, nhưng lại làm mất đi tính tối ưu mà từng ứng dụng cụ thể đang có. Đây là lý do mà không gian màu vẫn cần được thiết kế riêng biệt, thay vì hợp nhất lại làm một.

Điều này nó giống như ngôn ngữ mà chúng ta sử dụng hoặc ngôn ngữ lập trình đi. Dù việc tồn tại một ngôn ngữ toàn cầu không phải là điều bất khả thi với Tiếng Anh là một ví dụ. Tuy nhiên, việc duy trì các ngôn ngữ riêng biệt theo vùng miền và mục đích sử dụng vẫn có lợi hơn cho sự phát triển văn hoá, nghệ thuật với sự đa dạng và thực tiễn nhất định. Trong lĩnh vực màu sắc, việc giữ lại các không gian màu khác nhau không chỉ là cần thiết về mặt kỹ thuật, mà còn giúp trải nghiệm người dùng trở nên phong phú và chính xác hơn, đặc biệt trong các lĩnh vực đòi hỏi sự tinh chỉnh cao như điện ảnh, in ấn, thiết kế kỹ thuật số hay khoa học hình ảnh.

Cơ bản thì việc hiểu được cách màu sắc được mô hình hoá và hiển thị không chỉ đơn thuần là kiến thức kỹ thuật hay chỉ dành cho người làm công việc chuyên nghiệp. Đó cũng là công cụ giúp người dùng phổ thông đưa ra lựa chọn đúng đắn khi mua thiết bị, đánh giá hình ảnh hoặc video, hay đơn giản là hiểu tại sao một bức ảnh lại trông khác đi khi được in ra hoặc xem trên màn hình khác. Nhờ vào những tiến bộ về toán học và công nghệ hiển thị, màu sắc ngày nay không chỉ đẹp mà còn có thể được đo lường, tái tạo và kiểm soát chính xác, mang lại trải nghiệm thị giác tốt nhất cho người dùng ở mọi cấp độ.

Nguồn: [1][2][3][4][5]