Barevný model - Color model
Barevný model je abstraktní matematický model popisující způsob, jakým barvy mohou být reprezentovány jako tic čísel, typicky tři nebo čtyři hodnoty nebo barevných složek. Když je tento model spojen s přesným popisem toho, jak mají být komponenty interpretovány (podmínky prohlížení atd.), Výsledná sada barev se nazývá „ barevný prostor “. Tato část popisuje způsoby, kterými lze modelovat lidské barevné vidění .
Barevný prostor Tristimulus
Tento prostor si lze představit jako oblast v trojrozměrném euklidovském prostoru, pokud identifikujeme osy x , y a z s podněty pro dlouhou vlnovou délku ( L ), střední vlnovou délku ( M ) a krátkou vlnovou délku ( S ) světelné receptory . Počátek, ( S , M , L ) = (0,0,0), odpovídá černé barvě. Bílá nemá v tomto diagramu žádnou konkrétní pozici; spíše je definována podle teploty barev nebo vyvážení bílé podle potřeby nebo podle toho, jak je k dispozici z okolního osvětlení. Lidský barevný prostor je kužel ve tvaru podkovy, jak je zde ukázán (viz také diagram chromatičnosti CIE níže), sahající od počátku až v zásadě do nekonečna. V praxi budou receptory lidských barev nasyceny nebo dokonce poškozeny při extrémně vysokých intenzitách světla, ale takové chování není součástí barevného prostoru CIE a ani měnící se vnímání barev při nízkých úrovních světla (viz: Kruithofova křivka ). Nejsytější barvy se nacházejí na vnějším okraji oblasti, jasnější barvy jsou dále odstraněny od původu. Pokud jde o reakce receptorů v oku, neexistuje nic jako „hnědé“ nebo „šedé“ světlo. Posledně jmenované názvy barev označují oranžové a bílé světlo s intenzitou nižší než světlo z okolních oblastí. Lze to pozorovat sledováním obrazovky zpětného projektoru během schůzky: člověk vidí černé písmo na bílém pozadí, přestože „černé“ ve skutečnosti neztmavlo než bílé plátno, na které je promítáno, než byl projektor zapnuto. „Černé“ oblasti ve skutečnosti neztmavly, ale vypadají „černé“ vzhledem k „bílé“ vyšší intenzitě promítané na obrazovku kolem ní. Viz také stálost barev .
Prostor lidského trojúhelníku má tu vlastnost, že aditivní míchání barev odpovídá sčítání vektorů v tomto prostoru. Díky tomu lze například snadno popsat možné barvy ( gamut ), které je možné z počítačových displejů sestavit z červených, zelených a modrých primárních barev .
Barevný prostor CIE XYZ
Jedním z prvních matematicky definovaných barevných prostorů je barevný prostor CIE XYZ (také známý jako barevný prostor CIE 1931), vytvořený Mezinárodní komisí pro osvětlení v roce 1931. Tato data byla měřena pro lidské pozorovatele a 2stupňové zorné pole. V roce 1964 byla zveřejněna doplňující data pro 10stupňové zorné pole.
Všimněte si, že tabulkové křivky citlivosti mají v sobě určité množství libovolnosti. Tvary jednotlivých křivek citlivosti X, Y a Z lze měřit s rozumnou přesností. Celková funkce svítivosti (což je ve skutečnosti vážený součet těchto tří křivek) je však subjektivní, protože zahrnuje dotazování testované osoby, zda mají dva zdroje světla stejný jas, i když jsou ve zcela odlišných barvách. Podél stejných čar jsou relativní velikosti křivek X, Y a Z libovolně zvoleny tak, aby vytvářely stejné oblasti pod křivkami. Dalo by se také definovat platný barevný prostor s křivkou citlivosti X, která má dvojnásobnou amplitudu. Tento nový barevný prostor by měl jiný tvar. Křivky citlivosti v barevném prostoru xie CIE 1931 a 1964 jsou upraveny tak, aby měly pod křivkami stejné oblasti.
Někdy jsou barvy XYZ reprezentovány souřadnicemi jasu, Y a chromatičnosti x a y , definovanými:
- a
Matematicky jsou x a y projektivními souřadnicemi a barvy diagramu chromatičnosti zabírají oblast skutečné projektivní roviny . Protože křivky citlivosti CIE mají pod křivkami stejné oblasti, světlo s plochým energetickým spektrem odpovídá bodu ( x , y ) = (0,333,0,333).
Hodnoty pro X , Y a Z se získají integrací součinu spektra světelného paprsku a publikovaných funkcí shody barev.
Aditivní a subtraktivní barevné modely
Barevný model RYB
Barevný model RGB
Média, která vysílací světlo (jako je například televize) pouze aditivní barvu míchání s primární barvy z červené , zelené a modré , z nichž každý stimuluje jeden ze tří typů barevných receptorů oka s minimem stimulace jak je to možné z dalších dvou. Toto se nazývá barevný prostor „ RGB “. Směsi světla těchto primárních barev pokrývají velkou část lidského barevného prostoru a vytvářejí tak velkou část lidských barevných zážitků. To je důvod, proč barevné televizní přijímače nebo barevné počítačové monitory potřebují produkovat pouze směsi červeného, zeleného a modrého světla. Viz Aditivní barva .
V zásadě lze použít i jiné primární barvy, ale s červenou, zelenou a modrou lze zachytit největší část lidského barevného prostoru . Bohužel neexistuje přesný konsensus o tom, jaká místa v diagramu chromatičnosti by měla mít červená, zelená a modrá barva, takže stejné hodnoty RGB mohou vést k mírně odlišným barvám na různých obrazovkách.
Barevné modely CMY a CMYK
Kombinací azurových , purpurových a žlutých průhledných barviv/inkoustů na bílém podkladu je možné dosáhnout velkého rozsahu barev, které lidé vidí . Toto jsou subtraktivní primární barvy . Ke zlepšení reprodukce některých tmavých barev se často přidává čtvrtý inkoust, černý . Toto se nazývá barevný prostor „CMY“ nebo „CMYK“.
Azurový inkoust pohlcuje červené světlo, ale odráží zelenou a modrou, purpurový inkoust pohlcuje zelené světlo, ale odráží červenou a modrou, a žlutý inkoust pohlcuje modré světlo, ale odráží červenou a zelenou. Bílý substrát odráží procházející světlo zpět k divákovi. Protože v praxi inkousty CMY vhodné pro tisk také trochu odrážejí barvy, což znemožňuje hlubokou a neutrální černou, je k vyrovnání jejich nedostatků zapotřebí součást K (černý inkoust), obvykle vytištěná jako poslední. Použití samostatného černého inkoustu je také ekonomicky výhodné, když se očekává velké množství černého obsahu, např. V textových médiích, aby se omezilo současné používání tří barevných inkoustů. Barviva použitá v tradičních barevných fotografických výtiscích a diapozitivech jsou mnohem dokonaleji transparentní, takže součást K obvykle není v těchto médiích potřebná ani používaná.
Barevné modely s válcovou souřadnicí
Existuje řada barevných modelů, ve kterých jsou barvy přizpůsobeny kuželovitým , válcovým nebo sférickým tvarům, přičemž neutrály probíhají od černé k bílé podél středové osy a odstíny odpovídají úhlům po obvodu. Uspořádání tohoto typu se datuje do 18. století a nadále se rozvíjí podle nejmodernějších a vědeckých modelů.
Pozadí
Různí teoretici barev navrhli každý jedinečnou barevnou hmotu . Mnoho z nich má tvar koule , zatímco jiné jsou pokřivené trojrozměrné elipsoidní figury-tyto variace jsou navrženy tak, aby jasněji vyjádřily nějaký aspekt vztahu barev. Barevné sféry vytvořené Phillipem Otto Rungeem a Johannesem Ittenem jsou typickými příklady a prototypy mnoha dalších barevných objemových schémat. Modely Runge a Itten jsou v zásadě totožné a tvoří základ pro níže uvedený popis.
Čisté, nasycené odstíny stejného jasu jsou umístěny kolem rovníku na okraji barevné sféry. Stejně jako v barevném kolečku jsou kontrastní (nebo doplňkové) odstíny umístěny proti sobě. Při pohybu směrem ke středu barevné sféry v rovníkové rovině jsou barvy stále méně syté, dokud se všechny barvy nesetkají na středové ose jako neutrální šedá . Při vertikálním pohybu v barevné sféře se barvy stávají světlejšími (směrem nahoru) a tmavšími (směrem dolů). Na horním pólu se všechny odstíny setkávají v bílé; na spodním pólu se všechny odstíny setkávají černě.
Svislá osa barevné koule je tedy po celé délce šedá, od černé dole až po bílou nahoře. Všechny čisté (nasycené) odstíny se nacházejí na povrchu koule, pohybující se od světlé po tmavou po barevné kouli. Všechny nečisté (nenasycené odstíny, vytvořené smícháním kontrastních barev) obsahují vnitřek koule, který se rovněž liší jasem shora dolů.
HSL a HSV
HSL a HSV jsou oba válcovité geometrie, s odstínem, jejich úhlové rozměry, začínající na červeném primárním na 0 °, procházejícím zeleným primárním na 120 ° a modrým primárním na 240 °, a pak obalujícím zpět na červené na 360 °. V každé geometrii obsahuje centrální svislá osa neutrální , achromatické nebo šedé barvy, od černé při světlosti 0 nebo hodnotě 0, spodní, po bílou při světlosti 1 nebo hodnotě 1, horní.
Většina televizorů, počítačových displejů a projektorů produkuje barvy kombinací červeného, zeleného a modrého světla v různé intenzitě-takzvané primární aditivní barvy RGB . Vztah mezi množstvím červeného, zeleného a modrého světla a výslednou barvou je však neintuitivní, zejména pro nezkušené uživatele a pro uživatele obeznámené se subtraktivním mícháním barev barev nebo modelů tradičních umělců založených na odstínech a odstínech.
Ve snaze vyhovět tradičnějším a intuitivnějším modelům míchání barev vyvinuli průkopníci počítačové grafiky v PARC a NYIT v polovině 70. let model HSV, který formálně popsal Alvy Ray Smith v čísle počítačové grafiky ze srpna 1978 . Ve stejném čísle Joblove a Greenberg popsali model HSL - jehož rozměry označili odstín , relativní barevnost a intenzitu - a porovnali jej s HSV. Jejich model byl založen spíše na tom, jak jsou barvy organizovány a pojímány v lidské vizi, pokud jde o další atributy vytváření barev, jako je odstín, světlost a chroma; stejně jako při tradičních metodách míchání barev - např. při malování -, které zahrnují míchání pestrobarevných pigmentů s černou nebo bílou, aby se dosáhlo světlejších, tmavších nebo méně barevných barev.
Následující rok 1979, na SIGGRAPH , Tektronix představil grafické terminály využívající pro označení barev HSL a výbor pro počítačové grafické standardy to doporučil ve své výroční zprávě o stavu. Tyto modely byly užitečné nejen proto, že byly intuitivnější než prvotní hodnoty RGB, ale také proto, že převody do a z RGB byly extrémně rychlé na výpočet: mohly běžet v reálném čase na hardwaru sedmdesátých let. V důsledku toho se tyto a podobné modely od té doby staly všudypřítomnými v softwaru pro úpravu obrázků a grafiku.
Munsellův barevný systém
Dalším vlivným starším válcovým barevným modelem je barevný systém Munsell z počátku 20. století . Albert Munsell začal sférickým uspořádáním ve své knize z roku 1905 A Color Notation , ale přál si správně rozdělit atributy tvorby barev do samostatných dimenzí, které nazýval odstín , hodnota a chroma , a po pečlivém měření percepčních reakcí si uvědomil že žádný symetrický tvar by to neudělal, a tak reorganizoval svůj systém na hrudkovitou skvrnu.
Munsellův systém se stal extrémně populární, de facto referencí pro americké barevné standardy - používá se nejen ke specifikaci barvy barev a pastelek, ale také např. Elektrického drátu, piva a barvy půdy - protože byl organizován na základě percepčních měření, specifikované barvy pomocí snadno naučitelné a systematické trojice čísel, protože barevné čipy prodávané v Munsellově knize barev pokrývaly široký gamut a zůstávaly stabilní v průběhu času (spíše než vyblednutí), a protože byly efektivně uváděny na trh společností Munsell's Company . Ve čtyřicátých letech provedla Optická společnost Ameriky rozsáhlá měření a upravila uspořádání Munsellových barev a vydala soubor „renotací“. Problém systému Munsell pro počítačové grafické aplikace spočívá v tom, že jeho barvy nejsou specifikovány pomocí žádné sady jednoduchých rovnic, ale pouze prostřednictvím jeho základních měření: efektivně vyhledávací tabulky . Převod z RGB ↔ Munsell vyžaduje interpolaci mezi záznamy této tabulky a je extrémně výpočetně nákladný ve srovnání s převodem z RGB ↔ HSL nebo RGB ↔ HSV, který vyžaduje pouze několik jednoduchých aritmetických operací.
Systém přirozených barev
Švédský systém přirozených barev (NCS), široce používaný v Evropě, má podobný přístup k biconu Ostwald vpravo. Protože se místo fotometrických nebo psychologických charakteristik pokouší přizpůsobit barvu známému tělesu založenému na „ fenomenologickém “, trpí některými stejnými nevýhodami jako HSL a HSV: zejména jeho dimenze světlosti se liší od vnímané lehkosti, protože barevné žluté, červené, zelené a modré do letadla.
Kruh Preucil Hue
V denzitometrii se pro popis barev procesních inkoustů CMYK používá model zcela podobný výše definovanému odstínu . V roce 1953 Frank Preucil vyvinul dvě geometrická uspořádání odstínu, „kruh Preucil hue“ a „šestiúhelník Preucil hue“, analogický našemu H a H 2 , ale definovaný relativně k idealizovaným azurovým, žlutým a purpurovým inkoustovým barvám. „ Chyba preucilového odstínu “ inkoustu označuje rozdíl v „kruhu odstínu“ mezi jeho barvou a odstínem odpovídající idealizované barvy inkoustu. Šeď z inkoustu m / M , kde m a M jsou minimální a maximální mezi množstvím idealizovaného azurové, purpurové, žluté a v měření hustoty.
CIELCH uv a CIELCH ab
Mezinárodní komise pro osvětlení (CIE) vyvinuli model, XYZ pro popis barvy světelného spektra v roce 1931, ale jeho cílem bylo, aby odpovídaly lidské vizuální metamerism , spíše než být perceptuálně jednotná, geometricky. V 60. a 70. letech byly provedeny pokusy o transformaci barev XYZ na relevantnější geometrii, ovlivněnou systémem Munsell. Tyto snahy vyvrcholily modely CIELUV a CIELAB z roku 1976 . Rozměry těchto modelů - ( L *, u *, v *) respektive ( L *, a *, b *) - jsou kartézské, založené na teorii oponentského procesu barvy, ale oba jsou také často popisovány pomocí polárních souřadnice— ( L *, C * uv , h * uv ) respektive ( L *, C * ab , h * ab ) - kde L * je lehkost, C * je chroma a h * je úhel odstínu. Oficiálně byly CIELAB i CIELUV vytvořeny pro jejich metriky barevných rozdílů ∆ E * ab a ∆ E * uv , zejména pro použití definující tolerance barev, ale oba se staly široce používány jako systémy uspořádání barev a modely vzhledu barev, včetně počítačové grafiky a počítačové vidění. Například mapování gamutu ve správě barev ICC se obvykle provádí v prostoru CIELAB a Adobe Photoshop obsahuje režim CIELAB pro úpravu obrázků. Geometrie CIELAB a CIELUV jsou mnohem vnímavější než mnoho jiných, jako jsou RGB, HSL, HSV, YUV/YIQ/YCbCr nebo XYZ, ale nejsou percepčně dokonalé, a zejména mají problém přizpůsobit se neobvyklým světelným podmínkám.
HCL barevný prostor se zdá být synonymem pro CIELCH.
CIECAM02
Nejnovější model CIE, CIECAM02 (CAM znamená „model barevného vzhledu“), je teoreticky propracovanější a výpočetně složitější než předchozí modely. Jeho cílem je vyřešit několik problémů s modely, jako jsou CIELAB a CIELUV, a vysvětlit nejen reakce v pečlivě kontrolovaných experimentálních prostředích, ale také modelovat barevný vzhled scén v reálném světě. Jeho rozměry J (lehkost), C (chroma) a h (odstín) definují geometrii polárních souřadnic.
Barevné systémy
Existují různé typy barevných systémů, které klasifikují barvy a analyzují jejich efekty. Americký barevný systém Munsell navržený Albertem H. Munsellem je slavná klasifikace, která organizuje různé barvy do barevného tělesa na základě odstínu, sytosti a hodnoty. Mezi další důležité barevné systémy patří Švédský systém přirozených barev (NCS), Optical Society of America 's Uniform Color Space (OSA-UCS) a systém maďarských koloroidů vyvinutý Antal Nemcsicsem z Budapešťské technické a ekonomické univerzity . Z nich je NCS založeno na barevném modelu soupeřova procesu , zatímco Munsell, OSA-UCS a Coloroid se pokoušejí modelovat barevnou uniformitu. Americký Pantone a německý komerční systém pro přizpůsobení barev RAL se liší od předchozích v tom, že jejich barevné prostory nejsou založeny na podkladovém barevném modelu.
Další použití „barevného modelu“
Modely mechanismu barevného vidění
„Barevný model“ používáme také k označení modelu nebo mechanismu barevného vidění pro vysvětlení toho, jak jsou barevné signály zpracovávány od zrakových kuželů po gangliové buňky. Pro zjednodušení tyto modely nazýváme modely barevných mechanismů. Klasické modely barevné mechanismus jsou Young - Helmholtz ‚s tříbarevné modelu a Hering ‘ s protivníkem, procesní model . Ačkoli se původně předpokládalo, že tyto dvě teorie jsou v rozporu, později se začalo chápat, že mechanismy zodpovědné za barevnou oponenci přijímají signály ze tří typů kuželů a zpracovávají je na složitější úrovni. Široce přijímaný model se nazývá zónový model. Symetrický zónový model kompatibilní s trichromatickou teorií, teorií soupeře a Smithovým modelem barevné transformace se nazývá dekódovací model
Vývoj obratlovců barevného vidění
Obratlovci byli primitivně tetrachromatičtí . Měli čtyři typy kuželů - kužely dlouhé, střední, krátké vlnové délky a kužele citlivé na ultrafialové záření. Dnes jsou ryby, obojživelníci, plazi a ptáci tetrachromatičtí. Placentální savci ztratili kužely střední i krátké vlnové délky. Většina savců tedy nemá komplexní barevné vidění - jsou dichromatické, ale jsou citlivé na ultrafialové světlo, i když jeho barvy nevidí. Lidské trichromatické barevné vidění je nedávnou evoluční novinkou, která se poprvé vyvinula u společného předka primátů Starého světa. Naše trichromatické barevné vidění se vyvinulo duplikací opsinu citlivého na dlouhé vlnové délky , který se nachází na chromozomu X. Jedna z těchto kopií se vyvinula tak, aby byla citlivá na zelené světlo a tvoří náš opsin se střední vlnovou délkou. Současně se náš opsin s krátkou vlnovou délkou vyvinul z ultrafialového opsinu našich předků obratlovců a savců.
K lidské červeno-zelené barvosleposti dochází, protože dvě kopie genů červeného a zeleného opsinu zůstávají v těsné blízkosti na chromozomu X. Kvůli časté rekombinaci během meiózy lze tyto genové páry snadno přeskupit a vytvořit verze genů, které nemají zřetelnou spektrální citlivost.
Viz také
- Model barevného vzhledu
- Porovnání barevných modelů v počítačové grafice
- Barevný model RGBW
- Barevný model RGBY
Poznámky
Reference
Bibliografie
- Fairchild, Mark D. (2005). Modely vzhledu barev (2. vyd.). Addison-Wesley. Archivováno od originálu 19. října 2013 . Citováno 11. září 2018 . Tato kniha konkrétně nemluví o HSL nebo HSV, ale je jedním z nejčtenějších a nejpřesnějších zdrojů o současné barevné vědě.
- Joblove, George H .; Greenberg, Donald (srpen 1978). „Barevné prostory pro počítačovou grafiku“ . Počítačová grafika . 12 (3): 20–25. CiteSeerX 10.1.1.413.9004 . doi : 10,1145/965139,807362 . Papír Joblove a Greenberga byl prvním popisem modelu HSL, který srovnává s HSV.
- Kuehni, Rolf G. (2003). Barevný prostor a jeho rozdělení: Barevný řád od starověku po současnost . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-32670-0. Tato kniha pouze stručně zmiňuje HSL a HSV, ale je komplexním popisem systémů barevného uspořádání v historii.
- Levkowitz, Haim; Herman, Gabor T. (1993). „GLHS: Zobecněný barevný model světlosti, odstínu a sytosti“. CVGIP: Grafické modely a zpracování obrazu . 55 (4): 271–285. doi : 10,1006/cgip.1993.1019 .Tento článek vysvětluje, jak lze HSL a HSV, jakož i další podobné modely, považovat za specifické varianty obecnějšího modelu „GLHS“. Levkowitz a Herman poskytují pseudokód pro převod z RGB na GLHS a zpět.
- MacEvoy, Bruce (leden 2010). „Barevná vize“ . handprint.com .. Zejména sekce „Moderní barevné modely“ a „Moderní barevná teorie“ . Rozsáhlý web MacEvoy o vědě o barvách a míchání barev je jedním z nejlepších zdrojů na webu. Na této stránce vysvětluje atributy vytváření barev a obecné cíle a historii systémů barevného uspořádání-včetně HSL a HSV-a jejich praktický význam pro malíře.
- Smith, Alvy Ray (srpen 1978). „Páry transformace barevného gamutu“. Počítačová grafika . 12 (3): 12–19. doi : 10,1145/965139,807361 .Toto je původní papír popisující model „hexcone“, HSV. Smith byl výzkumníkem v NYIT ’s Computer Graphics Lab. Popisuje použití HSV v raném programu digitální malby .
externí odkazy
- Ilustrace a souhrny RGB, CMYK, LAB, HSV, HSL a NCS
- Ukázkový aplet na převod barev
- HSV Colors od Hectora Zenila, The Wolfram Demonstrations Project .
- HSV na RGB od CodeBeautify.