Цветовая модель

В науке о цвете цветовая модель — это абстрактная математическая модель, описывающая способ цветов представления в виде кортежей чисел, обычно в виде трех или четырех значений или компонентов цвета. Когда эта модель связана с точным описанием того, как должны интерпретироваться компоненты (условия просмотра и т. д.) с учетом зрительного восприятия , результирующий набор цветов называется « цветовым пространством ».

В этой статье описываются способы моделирования цветового зрения человека , а также обсуждаются некоторые широко используемые модели.

Трехстимульное цветовое пространство

3D-представление цветового пространства человека

Это пространство можно представить как область трехмерного евклидова пространства , если отождествить оси x , y и z со стимулами для длинноволновых ( L ), средневолновых ( M ) и коротковолновых ( S) стимулов. ) световые рецепторы . Начало координат ( S , M , L ) = (0,0,0) соответствует черному цвету. У белых нет определенной позиции на этой диаграмме; скорее, он определяется в соответствии с цветовой температурой или балансом белого по желанию или в зависимости от окружающего освещения. Цветовое пространство человека представляет собой конус в форме подковы, такой как показан здесь (см. также диаграмму цветности CIE ниже), простирающийся от начала координат до, в принципе, бесконечности. На практике цветовые рецепторы человека насыщаются или даже повреждаются при чрезвычайно высокой интенсивности света, но такое поведение не является частью цветового пространства CIE , как и изменение восприятия цвета при низких уровнях освещенности (см. Кривую Круитгофа ). Наиболее насыщенные цвета расположены у внешнего края области, а более яркие цвета расположены дальше от начала координат. Что касается реакций рецепторов глаза, не существует такого понятия, как «коричневый» или «серый» свет. Последние названия цветов относятся к оранжевому и белому свету соответственно, интенсивность которого ниже, чем у света из окружающих областей. Это можно наблюдать, наблюдая за экраном оверхед-проектор во время встречи: человек видит черные буквы на белом фоне, хотя «черный» на самом деле не стал темнее белого экрана, на который он проецировался до включения проектора. «Черные» области на самом деле не стали темнее, а кажутся «черными» по сравнению с более ярким «белым», проецируемым на экран вокруг них. См. также постоянство цвета .

Человеческое трехстимульное пространство обладает тем свойством, что аддитивное смешение цветов соответствует добавлению векторов в этом пространстве. Это позволяет легко, например, описать возможные цвета ( гамму ), которые можно построить из основных цветов красного, зеленого и синего на дисплее компьютера.

Цветовое пространство CIE XYZ

Основная статья: Цветовое пространство CIE 1931

ЦИЕ . Архивировано 3 июня 2005 года в Wayback Machine . Стандартный колориметрический наблюдатель 1931 года работает в диапазоне от 380 до 780 нм (с интервалом 5 нм).

Одним из первых математически определенных цветовых пространств является цветовое пространство CIE XYZ (также известное как цветовое пространство CIE 1931), созданное Международной комиссией по освещению в 1931 году. Эти данные были измерены для людей-наблюдателей и поля зрения в 2 градуса. В 1964 году были опубликованы дополнительные данные для поля зрения в 10 градусов.

Обратите внимание, что табличные кривые чувствительности содержат в себе определенную долю произвольности. Формы отдельных кривых чувствительности X, Y и Z могут быть измерены с достаточной точностью. Однако общая функция освещенности (которая на самом деле представляет собой взвешенную сумму этих трех кривых) является субъективной, поскольку она предполагает вопрос испытуемого, имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если они имеют совершенно разные цвета. Аналогичным образом, относительные величины кривых X, Y и Z выбираются произвольно для получения равных площадей под кривыми. С таким же успехом можно определить допустимое цветовое пространство с помощью кривой чувствительности X, имеющей удвоенную амплитуду. Это новое цветовое пространство будет иметь другую форму. Кривые чувствительности в цветовом пространстве xyz CIE 1931 и 1964 масштабируются так, чтобы иметь равные площади под кривыми.

Иногда цвета XYZ представлены координатами яркости Y и цветности x и y , определяемыми следующим образом:

$x={\frac {X}{X+Y+Z}}$ и $y={\frac {Y}{X+Y+Z}}$

Математически x и y являются проективными координатами, а цвета диаграммы цветности занимают область реальной проективной плоскости . Поскольку кривые чувствительности CIE имеют равные площади под кривыми, свет с плоским энергетическим спектром соответствует точке ( x , y ) = (0,333,0,333).

Значения X , Y и Z получаются путем интегрирования произведения спектра светового луча и опубликованных функций согласования цветов.

Аддитивные и субтрактивные цветовые модели.

Цветовая модель RYB

Основная статья: Цветовая модель RYB

RYB — это субтрактивная цветовая модель, используемая в искусстве и прикладном дизайне, в которой красный , желтый и синий пигменты считаются основными цветами . Цветовая модель RYB относится конкретно к цвету в форме нанесения красок и пигментов в искусстве и дизайне. Другие распространенные цветовые модели включают модель освещения (RGB) и цветовую модель красок, пигментов и чернил CMY , которая гораздо более точна с точки зрения цветовой гаммы и интенсивности по сравнению с традиционной цветовой моделью RYB, последняя появляется в сочетании с CMYK. цветовая модель в полиграфии. Эту модель использовал для печати Якоб Кристоф Ле Блон в 1725 году и назвал ее Coloritto или гармония окраски . утверждая, что примитивные (первичные) цвета — это желтый, красный и синий, а вторичные — оранжевый, зеленый и фиолетовый или фиолетовый .

Цветовая модель RGB

Основная статья: цветовая модель RGB

Средства передачи света (например, телевидение) используют аддитивное смешивание цветов с основными цветами красного зеленого , синего и , каждый из которых стимулирует один из трех типов цветовых рецепторов глаза с минимальной стимуляцией двух других. называется « RGB Это цветовое пространство ». Смеси света этих основных цветов покрывают большую часть цветового пространства человека и, таким образом, создают большую часть цветового восприятия человека. Вот почему цветные телевизоры или цветные компьютерные мониторы излучают только смесь красного, зеленого и синего света. См. раздел «Аддитивный цвет» .

В принципе можно использовать и другие основные цвета, но с помощью красного, зеленого и синего можно охватить большую часть цветового пространства человека. К сожалению, не существует точного консенсуса относительно того, какие локусы на диаграмме цветности должны иметь красный, зеленый и синий цвета, поэтому одни и те же значения RGB могут давать несколько разные цвета на разных экранах.

RGB — это цветовая модель , зависящая от устройства : разные устройства по-разному определяют или воспроизводят данное значение RGB, поскольку цветовые элементы (такие как люминофоры или красители ) и их реакция на отдельные уровни красного, зеленого и синего варьируются от производителя к производителю. или даже в одном и том же устройстве с течением времени. Таким образом, значение RGB не определяет один и тот же цвет на всех устройствах без какого-либо управления цветом .

Цветовые модели CMY и CMYK.

Основные статьи: цветовая модель CMY и цветовая модель CMYK.

Можно добиться широкого диапазона цветов, видимых человеком, комбинируя голубые , пурпурные и желтые прозрачные красители/чернила на белой подложке. Это субтрактивные основные цвета . четвертую краску, черную Часто добавляют , для улучшения воспроизведения некоторых темных цветов. Это называется цветовым пространством «CMY» или «CMYK».

Голубые чернила поглощают красный свет, но пропускают зеленый и синий, пурпурные чернила поглощают зеленый свет, но пропускают красный и синий, а желтые чернила поглощают синий свет, но пропускают красный и зеленый. Белая подложка отражает проходящий свет обратно к зрителю. Поскольку на практике чернила CMY, подходящие для печати, также немного отражают цвет, что делает невозможным глубокий и нейтральный черный цвет, компонент K (черные чернила), обычно печатаемый последним, необходим для компенсации их недостатков. Использование отдельных черных чернил также экономически оправдано, когда ожидается большое количество черного контента, например, в текстовых материалах, чтобы уменьшить одновременное использование трех цветных чернил. Красители, используемые в традиционных цветных фотографических отпечатках и слайдах, гораздо более прозрачны, поэтому компонент K обычно не требуется и не используется в этих носителях.

Цветовые модели цилиндрических координат

Существует ряд цветовых моделей, в которых цвета вписываются в конические , цилиндрические или сферические формы, с нейтральными оттенками, идущими от черного к белому вдоль центральной оси, и оттенками, соответствующими углам по периметру. Устройства этого типа датируются 18 веком и продолжают развиваться в самых современных и научных моделях.

Фон

(цветная сфера) Филиппа Отто Рунге » « Фарбенкугель , 1810 год, показывающий внешнюю поверхность сферы (два верхних изображения), а также горизонтальное и вертикальное сечения (два нижних изображения).

Цветная сфера Йоханнеса Иттена , 1919-2

См. также: Сплошной цвет

Каждый из разных теоретиков цвета разработал уникальные цветные тела . Многие из них имеют форму сферы , тогда как другие представляют собой искривленные трехмерные эллипсоидные фигуры — эти вариации призваны более четко выразить некоторые аспекты соотношения цветов. Цветовые сферы, задуманные Филиппом Отто Рунге и Йоханнесом Иттеном, являются типичными примерами и прототипами для многих других цветных сплошных схем. Модели Рунге и Иттена в основном идентичны и составляют основу приведенного ниже описания.

Чистые, насыщенные оттенки равной яркости расположены вокруг экватора на периферии цветовой сферы. Как и в цветовом круге, контрастные (или дополняющие друг друга) оттенки расположены друг напротив друга. Двигаясь к центру цветовой сферы на экваториальной плоскости, цвета становятся все менее и менее насыщенными, пока все цвета не сойдутся на центральной оси в нейтральный серый цвет . Двигаясь по цветовой сфере вертикально, цвета становятся светлее (кверху) и темнее (книзу). На верхнем полюсе все оттенки встречаются в белом; на нижнем полюсе все оттенки встречаются в черном.

Таким образом, вертикальная ось цветовой сферы по всей длине серая, варьирующаяся от черной внизу до белой вверху. Все чистые (насыщенные) оттенки расположены на поверхности сферы, варьируясь от светлого до темного вниз по цветовой сфере. Все нечистые (ненасыщенные оттенки, созданные путем смешивания контрастных цветов) составляют внутреннюю часть сферы, также различаясь по яркости сверху вниз.

ХСЛ и ВПГ

Основная статья: HSL и HSV

Художники долго смешивали цвета, комбинируя относительно яркие пигменты с черным и белым. Смеси с белым называются оттенками , смеси с черным — оттенками , а смеси с обоими — тонами . См. Оттенки и оттенки .

Гамму RGB можно расположить в кубе. Модель RGB не очень интуитивно понятна художникам, привыкшим использовать традиционные модели, основанные на оттенках, тенях и тонах. Цветовые модели HSL и HSV были разработаны, чтобы исправить это.

HSL-цилиндр

цилиндр ВПГ

HSL и HSV представляют собой цилиндрическую геометрию с оттенком, их угловым размером, начиная с красного цвета основного при 0°, проходящего через основной зеленый цвет при 120° и синего основного цвета при 240°, а затем снова возвращаясь к красному при 360°. В каждой геометрии центральная вертикальная ось содержит нейтральные , ахроматические или серые цвета в диапазоне от черного с яркостью 0 или значением 0 (внизу) до белого с яркостью 1 или значением 1 (вверху).

Большинство телевизоров, компьютерных дисплеев и проекторов воспроизводят цвета, комбинируя красный, зеленый и синий свет различной интенсивности — так называемые RGB аддитивные основные цвета . Однако взаимосвязь между составляющими количествами красного, зеленого и синего света и полученным цветом неинтуитивна, особенно для неопытных пользователей, а также для пользователей, знакомых с субтрактивным смешением красок или традиционными моделями художников, основанными на оттенках и оттенках.

В попытке внедрить более традиционные и интуитивно понятные модели смешивания цветов пионеры компьютерной графики из PARC и NYIT разработали модель HSV середины 1970-х годов, официально описанная Элви Рэем Смитом. в августовском номере журнала Computer Graphics за 1978 год . В том же номере Джолав и Гринберг описали модель HSL, размеры которой они обозначили как оттенок , относительную цветность и интенсивность , и сравнили ее с HSV. Их модель была основана больше на том, как цвета организованы и концептуализируются в человеческом зрении с точки зрения других цветообразующих атрибутов, таких как оттенок, яркость и цветность; а также традиционные методы смешивания цветов, например, в живописи, которые включают смешивание ярких пигментов с черным или белым для получения более светлых, темных или менее красочных цветов.

В следующем, 1979 году, на SIGGRAPH выставке компания Tektronix представила графические терминалы, использующие HSL для обозначения цвета, и Комитет по стандартам компьютерной графики рекомендовал это в своем годовом отчете о состоянии. Эти модели были полезны не только потому, что они были более интуитивными, чем необработанные значения RGB, но и потому, что преобразования в RGB и обратно выполнялись чрезвычайно быстро: они могли выполняться в реальном времени на оборудовании 1970-х годов. Следовательно, с тех пор эти и подобные модели стали повсеместно использоваться в программном обеспечении для редактирования изображений и графики.

Цветовая система Манселла

Цветовая сфера Манселла, 1900 год. Позже Манселл обнаружил, что если оттенок, насыщенность и цветность должны оставаться перцептивно однородными, достижимые цвета поверхности невозможно придать правильную форму.

Трехмерное изображение ренотаций Манселла 1943 года. Обратите внимание на неравномерность формы по сравнению с более ранней цветовой сферой Манселла слева.

Основная статья: Цветовая система Манселла

начала 20-го века Еще одна влиятельная старая цилиндрическая цветовая модель — это цветовая система Манселла . Альберт Манселл начал со сферической компоновки в своей книге «Цветовая нотация» 1905 года , но он хотел правильно разделить атрибуты создания цвета на отдельные измерения, которые он назвал оттенком , значением и цветностью , и после тщательных измерений реакций восприятия он понял, что никакая симметричная форма не годилась, поэтому он реорганизовал свою систему в комковатую каплю.

Система Манселла стала чрезвычайно популярной, фактически являясь эталоном американских стандартов цвета, используемых не только для определения цвета красок и мелков, но также, например, цвета электрических проводов, пива и почвы, поскольку она была организована на основе перцептивных измерений. определенные цвета с помощью легко усваиваемой и систематической тройки чисел, поскольку цветные чипы, продаваемые в Книге цветов Манселла, охватывали широкую гамму и оставались стабильными с течением времени (а не выцветали), а также потому, что они эффективно продавались компанией Munsell's Company . В 1940-х годах Оптическое общество Америки провело обширные измерения и скорректировало расположение цветов Манселла, выпустив набор «перенотаций». Проблема с системой Манселла для приложений компьютерной графики заключается в том, что ее цвета задаются не с помощью какого-либо набора простых уравнений, а только с помощью основных измерений: по сути, справочной таблицы . Преобразование из RGB ↔ Munsell требует интерполяции между записями этой таблицы и требует чрезвычайно больших вычислительных затрат по сравнению с преобразованием из RGB ↔ HSL или RGB ↔ HSV , требующий всего лишь нескольких простых арифметических операций.

Система натуральных цветов

Основная статья: Система натуральных цветов

Трехмерный рисунок цветовой системы Оствальда . Впервые описан Вильгельмом Оствальдом (1916).

Анимация, показывающая образцы стандартных цветов NCS 1950 в цветовом круге NCS и треугольниках оттенков.

Шведская система естественных цветов (NCS), широко используемая в Европе, использует подход, аналогичный биконусу Оствальда справа. Поскольку он пытается вписать цвет в твердое тело знакомой формы на основе « феноменологических », а не фотометрических или психологических характеристик, он страдает некоторыми из тех же недостатков, что и HSL и HSV: в частности, его измерение легкости отличается от воспринимаемой легкости, поскольку заставляет разноцветные желтый, красный, зеленый и синий цвета в плоскость.

Preucil оттенок круга

В денситометрии используется модель, очень похожая на определенный выше оттенок для описания цветов триадных красок CMYK . В 1953 году Фрэнк Преусил разработал две геометрические схемы оттенков: «круг оттенка Преусила» и «шестиугольник оттенка Преусила», аналогичные нашим H и H ₂ соответственно, но определенные относительно идеализированных голубых, желтых и пурпурных цветов чернил. « Ошибка оттенка Preucil » чернил указывает на разницу в «круге оттенка» между его цветом и оттенком соответствующего идеализированного цвета чернил. Серость m чернил равна . / M , где m и M — минимальное и максимальное количество идеализированного голубого, пурпурного и желтого цветов при измерении плотности

CIELCH _uv и CIELCH _ab

Duration: 8 seconds.0:08

Duration: 8 seconds.0:08

Видимая гамма при освещении D65, построенная в цветовых пространствах CIELCH _uv ( слева ) и CIELCH _ab ( справа ). Легкость ( L ) — вертикальная ось; Цветность ( C ) — радиус цилиндра; Оттенок ( H ) — это угол вокруг окружности.

Международная комиссия по освещению (CIE) разработала модель XYZ для описания цветов светового спектра в 1931 году, но ее целью было соответствовать зрительному метамеризму человека , а не быть геометрически единообразным для восприятия. В 1960-х и 1970-х годах были предприняты попытки преобразовать цвета XYZ в более подходящую геометрию под влиянием системы Манселла. Кульминацией этих усилий стали модели CIELUV и CIELAB 1976 года . Размеры этих моделей — ( L *, u *, v *) и ( L *, a *, b *) соответственно — являются декартовыми и основаны на оппонента теории цвета , но обе они также часто описываются с использованием полярных координаты — ( L *, C * _uv , h * _uv ) и ( L *, C * _ab , h * _ab ) соответственно — где L * — яркость, C * — цветность, а h * — угол оттенка. Официально и CIELAB, и CIELUV были созданы для своих показателей цветового различия ∆ E * _ab и ∆ E * _uv , в частности, для определения допусков цвета, но оба стали широко использоваться в качестве систем порядка цветов и моделей внешнего вида цвета, в том числе в компьютерной графике и компьютерное зрение. Например, Сопоставление гаммы в ICC управлении цветом обычно выполняется в пространстве CIELAB, а Adobe Photoshop включает режим CIELAB для редактирования изображений. Геометрии CIELAB и CIELUV гораздо более актуальны для восприятия, чем многие другие, такие как RGB, HSL, HSV, YUV/YIQ/YCbCr или XYZ, но они не идеальны с точки зрения восприятия и, в частности, имеют проблемы с адаптацией к необычным условиям освещения.

кажется Цветовое пространство HCL синонимом CIELCH.

CIECAM02

Самая последняя модель CIE, CIECAM02 (CAM означает «модель внешнего вида цвета»), является более сложной теоретически и вычислительно, чем более ранние модели. Его цели — исправить некоторые проблемы с такими моделями, как CIELAB и CIELUV, и объяснить не только реакции в тщательно контролируемых экспериментальных средах, но и смоделировать цветовое представление реальных сцен. Его размеры J (яркость), C (цветность) и h (оттенок) определяют геометрию полярных координат.

Цветовые системы

Существуют различные типы цветовых систем, которые классифицируют цвета и анализируют их влияние. Американская цветовая система Манселла, разработанная Альбертом Х. Манселлом, представляет собой знаменитую классификацию, которая объединяет различные цвета в одно цветовое тело на основе оттенка, насыщенности и значения. Другие важные цветовые системы включают Шведскую систему естественных цветов (NCS), Америки Оптического общества Единое цветовое пространство (OSA-UCS) и венгерскую систему Coloroid , разработанную Анталом Немшичем из Будапештского университета технологии и экономики . Из них NCS основана на цветовой модели противостоящего процесса , тогда как Munsell, OSA-UCS и Coloroid пытаются моделировать однородность цвета. Американская коммерческая система подбора цветов Pantone и немецкая RAL отличаются от предыдущих тем, что их цветовые пространства не основаны на базовой цветовой модели.

Другие варианты использования «цветовой модели»

Модели механизма цветового зрения

Мы также используем «цветовую модель» для обозначения модели или механизма цветового зрения, чтобы объяснить, как цветовые сигналы обрабатываются от зрительных колбочек к ганглиозным клеткам. Для простоты мы называем эти модели моделями цветового механизма. Классическими моделями цветового механизма являются - Гельмгольца и Юнга трихроматическая модель модель Геринга противостоящего процесса . Хотя первоначально считалось, что эти две теории противоречат друг другу, позже стало понятно, что механизмы, ответственные за цветовое противопоставление, получают сигналы от трех типов колбочек и обрабатывают их на более сложном уровне. Широко распространенная модель называется зональной моделью. Модель симметричной зоны, совместимая с трихроматической теорией, теорией противника и моделью преобразования цвета Смита, называется моделью декодирования.

Эволюция цветового зрения у позвоночных

Основная статья: Эволюция цветового зрения

Позвоночные животные были примитивно четырехцветными . У них было четыре типа колбочек: длинноволновые, средневолновые, коротковолновые и чувствительные к ультрафиолету. Сегодня рыбы, амфибии, рептилии и птицы являются тетрахроматическими. Плацентарные млекопитающие потеряли как средневолновые, так и коротковолновые колбочки. Таким образом, большинство млекопитающих не обладают сложным цветовым зрением — они двухцветны , но чувствительны к ультрафиолетовому свету, хотя и не могут видеть его цвета. Человеческое трехцветное цветовое зрение — это недавняя эволюционная новинка, которая впервые развилась у общего предка приматов Старого Света. Наше трехцветное цветовое зрение развилось в результате дублирования длинноволнового чувствительного опсина , обнаруженного на Х-хромосоме. Одна из этих копий стала чувствительной к зеленому свету и представляет собой наш опсин средней длины волны. В то же время наш коротковолновый опсин произошел от ультрафиолетового опсина наших предков позвоночных и млекопитающих.

у человека Красно-зеленая цветовая слепота возникает потому, что две копии генов красного и зеленого опсина остаются в непосредственной близости на Х-хромосоме. Из-за частой рекомбинации во время мейоза эти пары генов могут легко перестраиваться, создавая версии генов, не обладающие отчетливой спектральной чувствительностью.

См. также

• Цвет внешнего вида модели
• Сравнение цветовых моделей в компьютерной графике

Библиография

• Фэйрчайлд, Марк Д. (2005). Модели цветового внешнего вида (2-е изд.). Аддисон-Уэсли. Архивировано из оригинала 19 октября 2013 года . Проверено 11 сентября 2018 г. В этой книге не обсуждаются конкретно HSL или HSV, но она является одним из наиболее читаемых и точных ресурсов по современной науке о цвете.
• Джоблав, Джордж Х.; Гринберг, Дональд (август 1978 г.). «Цветовые пространства для компьютерной графики» . Компьютерная графика . 12 (3): 20–25. CiteSeerX   10.1.1.413.9004 . дои : 10.1145/965139.807362 . Статья Джолава и Гринберга была первой, описывающей модель HSL, которую она сравнивает с HSV.
• Куени, Рольф Г. (2003). Цветовое пространство и его подразделения: порядок цветов от древности до наших дней . Нью-Йорк: Уайли. ISBN  978-0-471-32670-0 . В этой книге лишь вкратце упоминаются HSL и HSV, но она представляет собой исчерпывающее описание систем порядка цветов на протяжении всей истории.
• Левковиц, Хаим; Герман, Габор Т. (1993). «GLHS: обобщенная цветовая модель яркости, оттенка и насыщенности». CVGIP: Графические модели и обработка изображений . 55 (4): 271–285. дои : 10.1006/cgip.1993.1019 . В этой статье объясняется, как HSL и HSV, а также другие подобные модели можно рассматривать как конкретные варианты более общей модели «GLHS». Левковиц и Герман предоставляют псевдокод для преобразования из RGB в GLHS и обратно.
• МакЭвой, Брюс (январь 2010 г.). «Цветное зрение» . Handprint.com . . Особенно разделы «Современные цветовые модели» и «Современная теория цвета» . Обширный сайт MacEvoy, посвященный науке о цвете и смешиванию красок, является одним из лучших ресурсов в Интернете. На этой странице он объясняет атрибуты создания цвета, а также общие цели и историю систем порядка цвета, включая HSL и HSV, а также их практическое значение для художников.
• Смит, Элви Рэй (август 1978 г.). «Пары преобразования цветовой гаммы» . Компьютерная графика . 12 (3): 12–19. дои : 10.1145/965139.807361 . Это оригинальная статья, описывающая модель «шестиконуса» HSV. Смит работал исследователем в Нью-Йоркского технологического института лаборатории компьютерной графики . Он описывает использование HSV в одной из первых программ цифровой живописи .

Внешние ссылки

• Иллюстрации и резюме RGB, CMYK, LAB, HSV, HSL и NCS.
• Демонстрационный апплет преобразования цвета
• Цвета HSV от Гектора Зенила, Демонстрационный проект Wolfram
• HSV в RGB от CodeBeautify