Цветовое пространство

Эта статья о цветовых пространствах. Чтобы узнать о матрицах преобразования YCbCr в RGB, см. YCbCr .

Сравнение некоторых гамм цветности RGB и CMYK на CIE 1931 xy . диаграмме цветности

Сравнение цветностей, заключенных в некоторых цветовых пространствах.

Цветовое пространство — это специфическая организация цветов . В сочетании с цветовым профилированием, поддерживаемым различными физическими устройствами, он поддерживает воспроизводимые представления цвета — независимо от того, является ли такое представление аналоговым или цифровым . Цветовое пространство может быть произвольным, т. е. с физически реализованными цветами, присвоенными набору физических образцов цвета с соответствующими назначенными названиями цветов (включая дискретные номера, например, в коллекции Pantone ), или структурированным с математической строгостью (как в системе NCS). , Adobe RGB и sRGB ). «Цветовое пространство» — это полезный концептуальный инструмент для понимания цветовых возможностей конкретного устройства или цифрового файла. При попытке воспроизвести цвет на другом устройстве цветовые пространства могут показать, можно ли сохранить детализацию теней/светлых участков и насыщенность цвета, и насколько они будут нарушены.

« Цветовая модель » — это абстрактная математическая модель, описывающая способ представления цветов в виде кортежей чисел (например, троек в RGB или четверок в CMYK ); однако цветовая модель без связанной с ней функции отображения в абсолютном цветовом пространстве представляет собой более или менее произвольную цветовую систему, не связанную с какой-либо общепризнанной системой интерпретации цвета. Добавление специальной функции сопоставления между цветовой моделью и эталонным цветовым пространством устанавливает в эталонном цветовом пространстве определенный «след», известный как гамма , и для данной цветовой модели это определяет цветовое пространство. Например, Adobe RGB и sRGB — это два разных абсолютных цветовых пространства, оба основаны на цветовой модели RGB. При определении цветового пространства обычным эталонным стандартом являются цветовые пространства CIELAB или CIEXYZ , которые были специально разработаны для охвата всех цветов, которые может видеть обычный человек.

Поскольку «цветовое пространство» идентифицирует конкретную комбинацию цветовой модели и функции отображения, это слово часто используется неофициально для обозначения цветовой модели. Однако, хотя идентификация цветового пространства автоматически определяет связанную с ним цветовую модель, такое использование в строгом смысле неверно. Например, хотя несколько конкретных цветовых пространств основаны на цветовой модели RGB , не существует такого понятия, как единственное цветовое пространство RGB .

История

Томас Янг и Герман Гельмгольц глаза предположили, что сетчатка состоит из трех разных типов световых рецепторов: красного, зеленого и синего.

В 1802 году Томас Янг постулировал существование трех типов фоторецепторов (теперь известных как колбочки ) в глазу, каждый из которых был чувствителен к определенному диапазону видимого света. В 1850 году Герман фон Гельмгольц развил теорию Янга-Гельмгольца : три типа колбочек можно классифицировать как предпочитающие короткие ( синие ), средние ( зеленые ) и предпочитающие длинные ( красные ) в зависимости от их реакции. длинам волн света, попадающим на сетчатку . Относительная сила сигналов, обнаруживаемых тремя типами колбочек, интерпретируется мозгом как видимый цвет. Но неясно, считали ли они цвета точками в цветовом пространстве.

Концепция цветового пространства, вероятно, принадлежит Герману Грассману , который разработал ее в два этапа. Во-первых, он разработал идею векторного пространства , которая позволила алгебраическое представление геометрических понятий в n -мерном пространстве . Фернли-Сандер (1979) описывает основу линейной алгебры Грассмана следующим образом:

Определение линейного пространства (векторного пространства)... стало широко известно примерно в 1920 году, когда Герман Вейль и другие опубликовали формальные определения. Фактически такое определение было дано тридцатью годами ранее Пеано , который был досконально знаком с математическими работами Грассмана. Грассман не дал формального определения — языка не было, — но нет никаких сомнений в том, что концепция у него была.

На основе этой концептуальной основы в 1853 году Грассман опубликовал теорию смешивания цветов; его и его три цветовых закона до сих пор преподают, как закон Грассмана .

Как впервые заметил Грассман... световое множество имеет структуру конуса в бесконечномерном линейном пространстве. В результате фактормножество (относительно метамерии) светового конуса наследует коническую структуру, которая позволяет представить цвет в виде выпуклого конуса в трехмерном линейном пространстве, называемом цветовым конусом.

Примеры

Сравнение цветовых моделей CMYK и RGB . Это изображение демонстрирует разницу между тем, как цвета будут выглядеть на мониторе компьютера (RGB), и тем, как они могут воспроизводиться в конкретном процессе печати CMYK.

созданы при с цветовыми пространствами на основе цветовой модели CMYK с использованием субтрактивных основных цветов пигмента печати ( голубого , , агента Цвета . желтого быть и черного могут ) Чтобы создать трехмерное представление данного цветового пространства, мы можем присвоить количество пурпурного цвета оси X представления , количество голубого цвета — его оси Y, а количество желтого — его оси Z. Получающееся в результате трехмерное пространство обеспечивает уникальное положение для каждого возможного цвета, который может быть создан путем объединения этих трех пигментов.

Цвета можно создавать на компьютерных мониторах с цветовыми пространствами на основе цветовой модели RGB с использованием аддитивных основных цветов ( красного , зеленого и синего ). В трехмерном представлении каждый из трех цветов будет присвоен осям X, Y и Z. Цвета, генерируемые на данном мониторе, будут ограничены средой воспроизведения, например люминофором (в ЭЛТ-мониторе ) или фильтрами и подсветкой ( ЖК- монитор).

Другой способ создания цветов на мониторе — использование цветовой модели HSL или HSV , основанной на оттенке , насыщенности и яркости (значении/яркости). В такой модели переменным присваиваются цилиндрические координаты .

Многие цветовые пространства могут быть представлены таким образом как трехмерные значения, но некоторые из них имеют больше или меньше измерений, а некоторые, такие как Pantone , вообще не могут быть представлены таким образом.

Конверсия

Основная статья: Цветной перевод

Преобразование цветового пространства — это перевод представления цвета из одной основы в другую. Обычно это происходит в контексте преобразования изображения, представленного в одном цветовом пространстве, в другое цветовое пространство, цель которого состоит в том, чтобы переведенное изображение выглядело как можно более похожим на оригинал.

Плотность RGB

Цветовая модель RGB реализуется по-разному, в зависимости от возможностей используемой системы. Наиболее распространенное воплощение, широко используемое по состоянию на 2021 год. представляет собой 24- битную реализацию с 8 битами или 256 дискретными уровнями цвета на канал . Таким образом, любое цветовое пространство, основанное на такой 24-битной модели RGB, ограничено диапазоном 256×256×256 ≈ 16,7 миллионов цветов. В некоторых реализациях используется 16 бит на компонент, всего 48 бит, что приводит к той же гамме с большим количеством различных цветов. Это особенно важно при работе с цветовыми пространствами с широкой гаммой (где большинство наиболее распространенных цветов расположены относительно близко друг к другу) или когда последовательно используется большое количество алгоритмов цифровой фильтрации. Тот же принцип применим к любому цветовому пространству, основанному на одной и той же цветовой модели, но реализованному с разной битовой глубиной .

Списки

Основная статья: Список цветовых пространств и их использование

Цветовое пространство XYZ CIE 1931 года было одной из первых попыток создать цветовое пространство, основанное на измерениях человеческого восприятия цвета (более ранние усилия были предприняты Джеймсом Клерком Максвеллом , Кенигом и Дитеричи и Эбни из Имперского колледжа ). и это основа почти всех других цветовых пространств. Цветовое пространство CIERGB является линейно связанным с CIE XYZ. Дополнительные производные от CIE XYZ включают CIELUV , CIEUVW и CIELAB .

Общий

Основная статья: Цветовая модель

Аддитивное смешивание цветов: три перекрывающиеся лампочки в вакууме, складываясь вместе, создают белый цвет.

Субтрактивное смешивание цветов: три пятна краски на белой бумаге, которые вычитаются вместе, и бумага становится черной.

В RGB используется аддитивное смешивание цветов, поскольку оно описывает, какой свет необходимо излучать для получения данного цвета. RGB хранит отдельные значения красного, зеленого и синего. RGBA — это RGB с дополнительным каналом альфа для обозначения прозрачности. Общие цветовые пространства, основанные на модели RGB, включают sRGB , Adobe RGB , ProPhoto RGB , scRGB и CIE RGB .

CMYK использует субтрактивное смешение цветов, используемое в процессе печати, поскольку оно описывает, какие чернила необходимо применять, чтобы свет, отраженный от подложки и проходивший через чернила, давал заданный цвет. Начинается с белой подложки (холст, страница и т. д.) и используются чернила, чтобы вычесть цвет из белого, чтобы создать изображение. CMYK хранит значения чернил для голубого, пурпурного, желтого и черного цветов. Существует множество цветовых пространств CMYK для разных наборов красок, носителей и характеристик печатной машины (которые изменяют растискивание или функцию передачи для каждой краски и, таким образом, меняют внешний вид).

YIQ раньше использовался в телевизионных передачах NTSC ( Северная Америка , Япония и другие страны) по историческим причинам. Эта система хранит значение яркости , примерно аналогичное (и иногда ошибочно определяемое как) luminance вместе с двумя значениями цветности как приблизительными представлениями относительного количества синего и красного в цвете. Она аналогична схеме YUV , используемой в большинстве систем видеозахвата. и в телевидении PAL ( Австралия , Европа , кроме Франции , где используется SECAM ), за исключением того, что цветовое пространство YIQ повернуто на 33° относительно цветового пространства YUV и меняются местами цветовые оси. Схема YDbDr , используемая телевидением SECAM, вращается по-другому.

YPbPr — это масштабированная версия YUV. Чаще всего его можно увидеть в цифровой форме YCbCr , широко используемой в схемах сжатия видео и изображений, таких как MPEG и JPEG .

xvYCC — это новый международный стандарт цветового пространства цифрового видео, опубликованный IEC (IEC 61966-2-4). Он основан на стандартах ITU BT.601 и BT.709, но расширяет диапазон за пределы основных цветов R/G/B, указанных в этих стандартах.

HSV ( оттенок , насыщенность , значение ), также известный как HSB (оттенок, насыщенность, яркость ), часто используется художниками, поскольку часто естественнее думать о цвете с точки зрения оттенка и насыщенности, чем с точки зрения цвета. аддитивные или субтрактивные компоненты цвета. HSV — это преобразование цветового пространства RGB, а его компоненты и колориметрия относятся к цветовому пространству RGB, из которого оно было получено.

HSL ( оттенок , насыщенность , яркость / яркость ), также известный как HLS или HSI (оттенок, насыщенность, интенсивность ), очень похож на HSV , где «яркость» заменяет «яркость». Разница в том, что яркость чистого цвета равна яркости белого, а яркость чистого цвета — светлоте среднего серого.

Коммерческий

• Цветовая система Манселла
• Система соответствия Pantone (PMS)
• Система естественных цветов (NCS)

специального назначения

• Пространство цветности RG используется в приложениях компьютерного зрения . Он показывает цвет света (красный, желтый, зеленый и т. д.), но не его интенсивность (темный, яркий).
• Цветовое пространство TSL (оттенок, насыщенность и яркость) используется при распознавании лиц .

Устаревший

Ранние цветовые пространства имели два компонента. Они в значительной степени игнорировали синий свет, потому что дополнительная сложность трехкомпонентного процесса обеспечивала лишь незначительное увеличение точности по сравнению с переходом от монохромного к двухкомпонентному цвету.

• RG для раннего Technicolor фильма
• RGK для ранней цветной печати

Абсолютное цветовое пространство

В науке о цвете существует два значения термина « абсолютное цветовое пространство» :

• Цветовое пространство, в котором воспринимаемая разница между цветами напрямую связана с расстояниями между цветами , представленными точками в цветовом пространстве, т. е. однородное цветовое пространство .
• Цветовое пространство, в котором цвета однозначны, то есть где интерпретации цветов в пространстве определяются колориметрически без привязки к внешним факторам.

В этой статье мы сосредоточимся на втором определении.

CIEXYZ , sRGB и ICtCp являются примерами абсолютных цветовых пространств, в отличие от общего цветового пространства RGB .

Неабсолютное цветовое пространство можно сделать абсолютным, определив его связь с абсолютными колориметрическими величинами. Например, если красный, зеленый и синий цвета на мониторе измерены точно вместе с другими свойствами монитора, то значения RGB на этом мониторе можно считать абсолютными. Цветовое пространство CIE 1976 L*, a*, b* иногда называют абсолютным, хотя точки белого . для этого также требуется спецификация

Популярный способ превратить цветовое пространство, такое как RGB, в абсолютный цвет — определить профиль ICC , который содержит атрибуты RGB. Это не единственный способ выразить абсолютный цвет, но он является стандартом во многих отраслях. Цвета RGB, определенные широко распространенными профилями, включают sRGB и Adobe RGB . Процесс добавления профиля ICC к изображению или документу иногда называют тегированием или внедрением ; Таким образом, тегирование отмечает абсолютное значение цветов в этом изображении или документе.

Ошибки конвертации

Основная статья: Цветной перевод

Цвет в одном абсолютном цветовом пространстве может быть преобразован в другое абсолютное цветовое пространство и обратно, как правило; однако некоторые цветовые пространства могут иметь ограничения гаммы , и преобразование цветов, лежащих за пределами этой гаммы, не даст правильных результатов. Также вероятны ошибки округления, особенно если популярный диапазон, состоящий всего из 256 различных значений на компонент ( 8-битный цвет используется ).

Одной из частей определения абсолютного цветового пространства являются условия просмотра. Один и тот же цвет при разном естественном или искусственном освещении будет выглядеть по-разному. Те, кто профессионально занимается подбором цветов, могут использовать смотровые комнаты, освещенные стандартным освещением.

Иногда существуют точные правила преобразования неабсолютных цветовых пространств. Например, пространства HSL и HSV определяются как отображения RGB. Оба не являются абсолютными, но преобразование между ними должно сохранять один и тот же цвет. Однако в целом преобразование между двумя неабсолютными цветовыми пространствами (например, из RGB в CMYK ) или между абсолютным и неабсолютным цветовыми пространствами (например, из RGB в L*a*b*) является практически бессмысленной концепцией.

Произвольные пространства

Другой метод определения абсолютных цветовых пространств знаком многим потребителям как карта образцов, используемая для выбора краски, тканей и т.п. Это способ согласования цвета между двумя сторонами. Более стандартизированный метод определения абсолютных цветов — это система соответствия Pantone , запатентованная система, включающая карты образцов и рецепты, которые коммерческие типографии могут использовать для изготовления чернил определенного цвета.

См. также

• Цветовая модель - математическая модель, описывающая цвета как кортежи чисел.
• Список цветовых пространств и их использование
• Теория цвета - принципы описания практического поведения цветов.
• Списки цветов
• Основной цвет – основной цвет в смешении цветов.

Внешние ссылки

• Часто задаваемые вопросы по цветам , Чарльз Пойнтон
• Наука цвета , Дэн Брутон
• Цветовые пространства , Рольф Г. Куени (октябрь 2003 г.)
• Цветовые пространства – перцептивные, исторические и прикладные предпосылки , Марко Ткалчич (2003)
• Цветовые форматы для обработки изображений и видео — преобразование цветов между RGB, YUV, YCbCr и YPbPr.
• Библиотека C для преобразований цветовых форматов, оптимизированных для SSE.
• Konica Minolta Sensing: точная передача цвета