Цветовая модель (версия Миг)

Цветовая модель — термин, обозначающий абстрактную модель описания представления цветов в виде кортежей чисел, в обычном случае трех или четырех значений, называемых цветовыми координатами или цветовыми компонентами. Вместе с методом интерпретации этих данных (например определение условий воспроизведения (вращения) и/или просмотра — то есть задание способа реализации); множество цветов цветовой модели определяет цветовое пространство.

Цветовая модель как правило используется для хранения и обработки цветов в дискретном виде, при рассмотрении ее в вычислительных устройствах, например, ЭВМ.

Цветовая модель создаётся в соответствие между воспринимаемыми человеком цветами, хранимыми в памяти, и цветами, образуемыми на устройствах вывода при возможных заданных условиях.

Основой построения цветового пространства, любой цветовой модели является цветовая система Манселла, разработанная профессором Альбертом Манселлом (Albert H. Munsell) в начале XX века. Цвет в нем описывается с помощью трех чисел (цветовых координат): тоном, насыщенностью, яркостью или светлотой.

Все цветовые модели независимы и созданы для практического выражения цветового пространства — это всего лишь удобное средством для представления цвета, и не имеет прямой зависимости от типа колбочек в глазу человека. С точки зрения математической они основаны на базе теории Гильбертовых пространств. Например, плоские цветовые модели легли в основу создания атласов цветов, медицинских руководств для определения полноценности цветного зрения клиента и выявления, скажем, дальтонизма и др. дефектов зрения при выдаче водительских прав.

Один из наиболее известных примеров из гильбертова пространства в Евклидовом пространстве состоит из трех-мерного вектора и обозначается R3, оснащенный скалярным произведение. Скалярное произведение занимает два вектора x и y и дает реальный номер x·y. Если x и y представлены Декартовыми координатами, то скалярное произведение определяется как линейное уравнение: $$(x_1,x_2,x_3)\cdot (y_1,y_2,y_3) = x_1y_1+x_2y_2+x_3y_3.$$

Цветовая система Манселла, показан круг при значении 5, хроме 6, нейтральные значения от 0 до 10, сегмент круга (диапазон хромы) при тоне 5PB и значении 5.

Цветовые модели построены с использованием главного принципа работы цветового круга (цветовое колесо) — способ представления непрерывности цветовых переходов на плоскости с помощью отражённых или прямых лучей видимого спектра света окрашенных участков окружности непрерывными тональными переходами оттенков. Сектора круга окрашены в различные цветовые тона, размещенные в порядке расположения спектральных цветов, причем не спектральный пурпурный цвет формально связывает крайние цвета (красный и фиолетовый), которые в естественном солнечном спектре максимально удалены друг от друга. При вращении цветового круга (см. Цветовой круг (версия Миг)) зрительная система воспринимает его цвета в виде одного цвета в зависимости от количества и цветовых характеристик:

• hue (тоном) — (оттенком, hue),
• value (яркостью или светлотой) — (яркостью, светлотой value),
• saturation, chroma (насыщенностью — цветностью хромой). Например, вращая круг с равными секторами основных цветов S,M,L (КЗС) мы видим белый цвет. На системе Манселла вертикальная ось — ось вращения по высоте имеет 10 частей от белого до чёрного цветов и принята как value (яркость или светлота) — (яркость, светлота (value)).

На основе этих характеристик цветов системы Манселла создано цветовое пространство (версия Миг).

Любая цветовая модель строится по принципу работы зрительной системы. Как известно, работа сетчатки глаза при восприятии цвета связана с работой фоторецепторов колбочек сетчатки глазаи зрительной корой головного мозга. Выделенные колбочками оппонентно биосигналы S,M,L, (КЗС) основных лучей спектра и пересланные в мозг, образуют в нём цветные изображения. (См. Ретиномоторная реакция фоторецепторов). При этом возможны искажения восприятия цветов человеком в виде зрительных иллюзий восприятия цвета, метамерии цвета, и др., т.к. живой организм это не электронно-механическая система типа колориметра. Откуда и появились цветовые модели синтетические для работы в полиграфии, промышленности красок и т.д.

Трёхкомпонентное цветовое пространство стимулов

Зрение человека определяется системой трихроматизма — когда сетчатка глазаа имеет 3 вида экстерорецепторов, ответственных за цветное зрение (версия Миг) (см. колбочки). Каждый вид колбочек реагирует на определенный диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определенного спектра называется цветовым стимулом, при этом свет с разными спектрами может иметь один и тот же цветовой стимул, и таким образом восприниматься одинаково человеком. Это явление называется метамерией — два излучения с разными спектрами, но одинаковыми цветовыми стимулами будут неразличимы человеком.

Трёхмерное представление цветового пространства человека

Можно определить цветовое пространство стимулов как евклидово пространство, если задать координаты x, y, z в качестве значений стимулов, соответствующих отклику колбочек (основных цветов КЗС) длинно-волнового (L) (красный цвет), средне-волнового (M) (зелёный цвет) и коротко-волнового (S) (синий цвет) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять черный цвет. Белый цвет не будет иметь четкой позиции в данном определении диаграммы всевозможных цветов, а будет определяться например через цветовую температуру, или через определенный баланс белого, или каким либо иным способом. Полное цветовое пространство человека имеет вид конуса в форме подковы (как показано на рисунке справа). Принципиально данное представление позволяет задавать цвета любой интенсивности — начиная с нуля (черного цвета) до бесконечности. Однако на практике человеческие рецепторы могут перенасытиться или даже быть поврежденными излучением с экстремальной интенсивностью. Поэтому данная модель не применима для описания цвета в условиях чрезвычайно высоких интенсивностей излучений, и так же не рассматривает вопросы цветовоспроизведения в условиях очень низких интенсивностей (поскольку у человека задействуется иной механизм восприятия через палочки).

Цветовое пространство стимулов имеет свойство аддитивного смешивания — сумма двух цветовых векторов будет соответствовать цвету, равному получаемому смешением этих двух цветов. Таким образом можно описывать любые цвета (вектора цветового пространства), через комбинацию красного, зеленого и синего излучателей основных цветов. На этом принципе основана работа экранов телевизоров и компьютеров. Но важно понимать что эти устройства не воспроизводят оригинальное излучение (полный спектр), а лишь имитируют изображение, в идеале неотличимое человеком от оригинального.

Функции цветового соответствия Стандартного Колориметрического Наблюдателя, определенные комитетом CIE в 1931-ом году на диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм (с 5 нм интервалом).

Цветовое пространство CIE XYZ

Цветовое пространство XYZ — это эталонная цветовая модель, заданная в строгом математическом смысле организацией CIE (International Commission on Illumination — Международная комиссия по освещению) в 1931 году. Модель XYZ является мастер-моделью практически всех остальных цветовых моделей, используемых в технических областях.

Функции цветового соответствия

Эксперименты, проведенные Дэвидом Райтом (англ. David Wright) и Джоном Гилдом (англ. John Guild) в конце 20-х и начале 30-х годов послужили основой для определения функций цветового соответствия (англ. color matching functions). Изначально функции цветового соответствия были выяснены для 2^o-ного поля зрения (использовался соответствующий колориметр). В 1964 году комитет CIE опубликовал дополнительные данные для 10^o-ного поля зрения.

Заметим что в определении кривых модели XYZ заложен фактор своевольности — форма каждой кривой может быть измерена с достаточной точностью, однако кривая суммарной интенсивности (или сумма всех трех кривых) заключает в своем определении субъективный момент, при котором реципиента просят определить имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если эти источники абсолютно разного цвета. Также стоит заметить что относительная нормировка кривых X, Y и Z основана на произвольном выборе, поскольку можно предложить алтернативную работающую модель, в которой кривая чувствительности X имеет двух-кратно усиленную амплитутуду. При этом цветовое пространство будет иметь иную форму. Кривые X, Y, Z в модели CIE XYZ 1931 и 1964 выбраны таким образом чтобы площади поверхности под каждой кривой были равны между собой.

Хроматические координаты Yxy

Хроматическая диаграмма с длинами волн цветов

На рисунке справа представлена классическая хроматическая диаграмма модели XYZ с длинами волн цветов. Значения x и y в ней соответствуют X, Y и Z согласно следующим формулам:

x = X/(X + Y + Z),

y = Y/(X + Y + Z).

В математическом смысле на данной хроматической диаграмме x и y это координаты на плоскоски проекции. Данное представление позволяет задавать значение цвета через светлоту Y (англ. luminance) и две координаты x, y. Заметим что светлота Y в модели XYZ и Yxy это не то же самое что яркость Y в модели YUV или YCbCr.

Обычно диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик гамутов различных устройств воспроизведения цвета — дисплеев и принтеров. Конкретный гамут обычно имеет вид треугольника, углы которого образованы точками основных или первичных цветов. Внутренняя область гамута описывает все цвета, которые способно воспроизвести данное устройство.

Особенности цветного зрения

Значения X, Y, и Z получаются путём умножения физического спектра излучения на функции цветового соответствия. Синяя и красная часть спектра оказывают меньшее влияние на воспринимаемую яркость, что может быть продемонстрировано на примере:

КРАСНЫЙ

ЗЕЛЁНЫЙ

СИНИЙ

КРАСНЫЙ+ЗЕЛЁНЫЙ

ЗЕЛЁНЫЙ+СИНИЙ

КРАСНЫЙ+СИНИЙ

КРАСНЫЙ+ЗЕЛЁНЫЙ+СИНИЙ

ЧЁРНЫЙ

Для среднестатистического человека, имеющего нормальное цветовое зрение, зелёный будет восприниматься ярче синего. В то же время хотя чистый синий цвет воспринимается как очень неяркий (если рассматривать надпись синего цвета с большого расстояния, то её цвет будет трудно отличить от чёрного), в смеси с зелёным или красным воспринимаемая яркость значительно повышается.

При определённых формах дальтонизма зелёный цвет может восприниматься эквивалентно-ярким синему, а красный как очень тёмный, либо вообще как неразличимый. Люди с дихромией — нарушением восприятия красного, например не способны видеть красный сигнал светофора при ярком солнечном дневном свете. При дейтанопии — нарушении восприятия зелёного, в ночных условиях зелёный сигнал светофора становится неотличимым от света уличных фонарей.

Цветовой охват моделей устройств вывода

Охват различных устройств цветовоспроизведения

Диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик цветового охвата (англ. color gamut) различных устройств воспроизведения цвета — дисплеев и принтеров через соответствующие им цветовые модели.

Как уже было сказано, любой тройке чисел XYZ можно сопоставить конкретные координаты пространства RGB или CMYK. Так, цвет будет соответствовать яркости цветовых каналов или плотности красок. Физическая реализуемостью цвета на устройстве накладывает условие неотрицательности координат. Таким образом, только некое подмножество Yxy может быть физически реализовано на устройстве. Эта область называется цветовым охватом устройства.

Конкретная область цветового охвата обычно имеет вид многоугольника, углы которого образованы точками основных, или первичных, цветов. Внутренняя область описывает все цвета, которые способно воспроизвести данное устройство.

На рисунке справа показаны области цветового охвата различных средств цветовоспроизведения:

• белый контур отражает диапазон фотографической эмульсии различного назначения;
• чёрный пунктирный контур — пространство sRGB, приблизительно соответствующее гамме большинства распространённых мониторов, являющиеся, по сути, стандартом представления графики в сети Интернет;
• чёрный сплошной контур — пространство Adobe RGB, включающее цвета, воспроизводимые на печатных машинах, но с использованием первичных цветов;
• синий сплошной контур соответствует высокачественной офсетной печати;
• синий пунктирный контур отражает охват обычного бытового принтера.

Распространенные цветовые модели

Сравнение цветового охвата для распространённых цветовых моделей.

Сравнение цветовых моделей RGB и CMYK

.

* Таблица наиболее распространённых цветовых моделей приведена в конце статьи.

• • цветовая модель RGB (цветовая модель) (версия Миг) чаще всего используется в информатике (а также её разновидности: αRGB (цветовая модель)), реже — HSV (цветовая модель) (версия Миг).
  • CMYK — основная цветовая модель в полиграфии
  • В телевидении для стандарта PAL применяется цветовая модель YUV, для SÉCAM модель YDbDr, а для NTSC модель YIQ (цветовая модель). Эти три модели основаны на принципе, согласно которому основную информацию несёт яркость изображения (Y), а две другие составляющие, отвечающие за цвет, менее важны.
  • эталонная модель XYZ основана на замерах характеристик человеческого глаза. XYZ — единственная цветовая модель, в которой любой цвет, ощущаемый человеком, представим только положительными значениями координат.

См. также

• Цветоделение
• Формула цветового отличия

Ссылки

• Color Management System (CMS) в логике цветовых координатных систем. Часть 1