Цветовые модели

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

Трёхкомпонентное цветовое пространство стимулов

Человек является трихроматом — сетчатка глаза имеет 3 вида рецепторов света, ответственных за цветное зрение (см.: колбочки). Каждый вид колбочек реагирует на определенный диапазон видимого спектра. Отклик, вызываемый в колбочках светом определённого 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 длинно-волнового (L), средне-волнового (M) и коротко-волнового (S) диапазона оптического спектра. Начало координат (S, M, L) = (0, 0, 0) будет представлять чёрный цвет. Белый цвет не будет иметь чёткой позиции в данном определении диаграммы всевозможных цветов, а будет определяться например через цветовую температуру, или через определённый 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 (чёрного цвета) до бесконечности. Однако на практике человеческие рецепторы могут перенасытиться или даже быть повреждёнными 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 (см. также: Закон Грассмана). Таким образом можно описывать любые цвета (вектора цветового пространства), через комбинацию излучателей основных цветов (например красного, зелёного и синего). 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.^[1]

Функции цветового соответствия Стандартного колориметрического наблюдателя, определённые комитетом CIE в 1931 году на диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм (с 5 нм интервалом).^[2]

Цветовое пространство CIE XYZ

Основная статья: CIE XYZ 1931

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

Являясь трихроматом, как отмечено выше, человек имеет три типа светочувствительных детекторов, или в других словах зрение человека трёхкомнонентно. Каждый тип детекторов (колбочек) имеет различающуюся чувствительность к разным длинам волн спектра, что описывается функцией спектральной чувствительности (которая напрямую определяется видом конкретных молекул фотопсинов, используемых данным типом колбочек). Можно сказать что глаз, как детектор, выдает три сигнала (нервных импульсов). С математической точки зрения из спектра (описываемого бесконечномерным вектором) путем умножения на функции спектральной чувствительности колбочек получается трехкомнонентный вектор, описывающий детектируемый глазом цвет. В колориметрии данные функции принято называть функциями цветового соответствия (англ. color matching functions).

Эксперименты, проведённые Дэвидом Райтом (англ. David Wright)^[3] и Джоном Гилдом (англ. John Guild)^[4] в конце 1920-х и начале 1930-х годов послужили основой для определения функций цветового соответствия. 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 трёх кривых) заключает в своём определении субъективный момент, при котором реципиента просят определить имеют ли два источника света одинаковую яркость, даже если эти источники абсолютно разного цвета. Также отметить произвольность относительной нормировки кривых X, Y и Z, поскольку можно предложить альтернативную работающую модель, в которой кривая чувствительности X имеет двух-кратно усиленную амплитуду. При этом цветовое пространство будет иметь иную форму. Кривые X, Y, Z в модели CIE XYZ 1931 и 1964 были 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 плоскости 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

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.^[5] 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.

Классификация и различия цветовых моделей

Цветовые модели можно классифицировать по их целевой направленности:

1. XYZ — описание восприятия;
2. Аддитивные модели — рецепты получения цвета на мониторе, например CMYK) — получение цвета при использовании разных систем красок и полиграфического оборудования
3. Модели, не связанные с физикой оборудования, являющиеся стандартом передачи информации
4. Математические модели, полезные для каких-либо способов цветокоррекции, но не связанные с оборудованием, например

   Распространённые цветовые модели

   Таблица наиболее распространённых цветовых моделей приведена в конце статьи.

   • Цветовая модель HSV.
   • полиграфии
   • В телевидении для стандарта YUV, для SÉCAM модель YDbDr, а для YIQ. 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 глаза. XYZ — единственная цветовая модель, в которой любой цвет, ощущаемый человеком, представим только положительными значениями координат.

   Примечания

   1. ↑ На практике такое как правило невозможно, поскольку устройства воспроизведения работают не в полном гамуте и имеют неидеальные излучатели.
   2. ↑ http://www.cie.co.at/framepublications.html
   3. ↑ William David Wright. A re-determination of the trichromatic coefficients of the spectral colours // Transactions of the Optical Society. — 1928. — Т. 30. — С. 141—164.(англ.) DOI:10.1088/1475-4878/30/4/301
   4. ↑ John Guild. The colorimetric properties of the spectrum // Philosophical Transactions of the Royal Society of London. — 1931. — Т. A230. — С. 149—187.(англ.)
   5. ↑ Видимо это обусловлено эволюционными причинами развития зрительной системы — в спектре солнца большего всего «зелёного» цвета

   См. также

   • Цветоделение
   • Формула цветового отличия
   • Цветовая палитра
   • Цветовой атлас

   Ссылки

   • Алексей Шадрин, Андрей Френкель. Color Management System (CMS) в логике цветовых координатных систем. Часть I, Часть 2, Часть 3.
   • Всё о цвете