Цветовой график системы XYZ. Нереальные цвета

Основные цвета разбиваются на оттенки по яркости (от темного к светлому), и каждой градации яркости присваивается цифровое значение (например, самой темной – 0, самой светлой – 255).

В модели RGB цвет можно представить в виде вектора в трехмерной системе координат с началом отсчета в точке (0,0,0). Максимальное значение каждой из компонент вектора примем за 1. Тогда вектор (1,1,1) соответствует белому цвету. Внутри полученного куба и «находятся» все цвета, образуя цветовое пространство.
Важно отметить особенные точки и линии этой модели.

• Начало координат: в этой точке все составляющие равны нулю, излучение отсутствует (черный цвет)
• Точка, ближайшая к зрителю: в этой точке все составляющие имеют максимальное значение (белый цвет)
• На линии, соединяющей предыдущие две точки (по диагонали), располагаются серые оттенки: от черного до белого (серая шкала, обычно - 256 градаций). Это происходит потому, что все три составляющих одинаковы и располагаются в диапазоне от нуля до максимального значения
• Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

Цветовая модель CMY(K)

Эти цвета описывают отраженный от белой бумаги свет трех основных цветов RGB модели.

Формирование цвета происходит на белом фоне.

Цвета являются прямо противоположными красному, синему и зеленому, т.е. голубой полностью поглощает красный, пурпурный - зеленый, а желтый - синий.

Например, соединение в равных долях всех трех красок CMY в одной точке приведет к тому, что весь белый свет не будет отражен, а следовательно, цвет окажется черным. А вот одновременно и в равной пропорции нанесенные всевозможные пары из тройки CMY дадут нам основные цвета RGB.

Цвета модели CMY являются дополнительными к цветам RGB. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Так, например, дополнительный для красного цвета – голубой; для зеленого – пурпурный; для синего - желтый

Особенные точки и линии модели.

• Начало координат: при полном отсутствии краски (нулевые значения составляющих) получится белый цвет (белая бумага)
• Точка, ближайшая к зрителю: при смешении максимальных значений всех трех компонентов должен получиться черный цвет.
• Линия, соединяющая предыдущие две точки (по диагонали). Смешение равных значений трех компонентов даст оттенки серого.
• Три вершины куба дают чистые исходные цвета, остальные три отражают двойные смешения исходных цветов.

Цветовая модель HSV

Рассмотренные модели ориентированы на работу с цветопередающей аппаратурой и для некоторых людей неудобны. Поэтому модель HSV опирается на интуитивные понятия тона насыщенности и яркости.

В цветовом пространстве модели HSV (Hue - тон , Saturation - насыщенность , Value - количество света ), используется цилиндрическая система координат, а множество допустимых цветов представляет собой шестигранный конус, поставленный на вершину.

Основание конуса представляет яркие цвета и соответствует V = 1. Однако цвета основания V = 1 не имеют одинаковой воспринимаемой интенсивности. Тон (H ) измеряется углом, отсчитываемым вокруг вертикальной оси OV . При этом красному цвету соответствует угол 0°, зелёному – угол 120° и т. д. Цвета, взаимно дополняющие друг друга до белого, находятся напротив один другого, т. е. их тона отличаются на 180°. Величина S изменяется от 0 на оси OV до 1 на гранях конуса.

Конус имеет единичную высоту (V = 1) и основание, расположенное в начале координат. В основании конуса величины H и S смысла не имеют. Белому цвету соответствует пара S = 1, V = 1. Ось OV (S = 0) соответствует ахроматическим цветам (серым тонам).

Процесс добавления белого цвета к заданному можно представить как уменьшение насыщенности S , а процесс добавления чёрного цвета – как уменьшение яркости V . Основанию шестигранного конуса соответствует проекция RGB куба вдоль его главной диагонали.

Трехмерная природа восприятия цвета позволяет отображать его в прямоугольной системе координат. Любой цвет можно изобразить в виде вектора, компонентами которого являются относительные веса красного, зеленого и синего цветов, вычисленные по формулам

Поскольку эти координаты в сумме всегда составляют единицу, а каждая из координат лежит в диапазоне от 0 до 1, то все представленные таким образом точки пространства будут лежать в одной плоскости, причем только в треугольнике, отсекаемом от нее положительным октантом системы координат (рис. 2.5 а). Ясно, что при таком представлении все множество точек этого треугольника можно описать с помощью двух координат, так как третья выражается через них посредством соотношения

Таким образом, мы переходим к двумерному представлению области, т.е. к проекции области на плоскость (рис. 2.5 б).

С использованием такого преобразования в 1931 г. были выработаны международные стандарты определения и измерения цветов. Основой стандарта стал так называемый двумерный цветовой график МКО. Поскольку, как показали физические эксперименты, сложением трех основных цветов можно получить не все возможные цветовые оттенки, то в качестве базисных были выбраны другие параметры, полученные на основе исследования стандартных реакций глаза на свет. Эти параметры - - являются чисто теоретическими, поскольку построены с использованием отрицательных значений основных составляющих цвета. Треугольник основных цветов был построен так, чтобы охватывать весь спектр видимого света. Кроме того, равное количество всех трех гипотетических цветов в сумме дает белый цвет. Координаты цветности строятся так же, как и в приведенной выше формуле:

При проекции этого треугольника на плоскость получается цветовой график МКО. Но координаты цветности определяют только относительные количества основных цветов, не задавая яркости результирующего цвета. Яркость можно задать координатой , а определить исходя из величин , по формулам

Цветовой график МКО приведен на рис. 2.6 . Область, ограниченная кривой, охватывает весь видимый спектр, а сама кривая называется линией спектральных цветностей. Числа, проставленные на рисунке, означают длину волны в соответствующей точке. Точка , соответствующая полуденному освещению при сплошной облачности, принята в качестве опорного белого цвета.

Цветовой график удобен для целого ряда задач. Например, с его помощью можно получить дополнительный цвет: для этого надо провести луч от данного цвета через опорную точку до пересечения с другой стороной кривой (цвета являются дополнительными друг к другу, если при сложении их в соответствующей пропорции получается белый цвет). Для определения доминирующей длины волны какого-либо цвета также проводится луч из опорной точки до пересечения с данным цветом и продолжается до пересечения с ближайшей точкой линии цветностей.

Для смешения двух цветов используются законы Грассмана. Пусть два цвета заданы на графике МКО координатами и . Тогда смешение их дает цвет . Если ввести обозначения , то получим

Кривые сложения, и представляют собой распределение по спектру цветовых координат монохроматических излучений мощностью 1 Вт(). Поэтому значения ординат кривых сложения называют удельными, т.е. отнесенными к единице мощности.

В CIERGB ординаты кривых сложения (удельные координаты) были установлены опытным путем. Экспериментально нахождение удельных координат осуществлялось путем подбора смеси излучений основных RGB к спектральным излучениям произвольной мощности и последующего деления их координат на мощность:

Поскольку не все спектральные цвета можно образовать смесью реальных цветов, то полученная кривая имеет отрицательные значения в определенном участке. Это говорит о том, что для получения цветового равенства один из основных цветов должен смешиваться с исследуемым спектральным.

С помощью кривых сложения находят точки, выражающие спектральные цвета (максимальной насыщенности) в треугольнике цветности rOg. Для них определяют координаты цветности одноваттных монохроматических излучений видимого диапазона оптического излучения. Пользуясь треугольником цветности, откладывают эти значения на плоскости единичных цветов. В результате получают кривую, ограничивающую область реальных цветов. Эта кривая называется локусом. Крайние точки этой разомкнутой кривой соединяют между собой. На полученной таким образом линии (на рисунке она изображена пунктиром) лежат единичные пурпурные цвета максимальной насыщенности. Пурпурных цветов в спектре нет. Их получают искусственным путем, смешивая в различных количествах красный и фиолетовый цвета. Площадь, ограниченная локусом и пунктирной прямой, называется областью реальных цветов. Вне этой области Находятся цвета более насыщенные, чем реальные.

Для определения качественных характеристик цвета пользуются диаграммой цветности rg (или цветовым графиком rg), представляющим сетку прямоугольных координат с нанесенным на нее локусом. Локус замкнут линией пурпурных цветов.

Данная диаграмма цветности rg характеризуется следующими колориметрическими свойствами.

• 1. Белая точка Б имеет координаты (0,33; 0,33).
• 2. Насыщенность цветов возрастает от белой точки к локусу.
• 3. На прямой, соединяющей белую точку с локусом, лежат цвета постоянного цветового тона.
• 4. Локус является границей самых насыщенных (спектральных) цветов.

Основы стандартной колориметрической системы XYZ (CIEXYZ).

Одновременно с колориметрической системой RGB была принята еще одна. В качестве основных в ней были выбраны цвета более насыщенные, чем спектральные. В связи с тем что таких цветов в природе нет, их обозначили символами XYZ, а сама колориметрическая система получила название CIEXYZ. К разработке этой колориметрической системы побудил ряд причин, связанных с некоторыми неудобствами при работе с системой CIERGB.

Одним из недостатков системы CIERGB является наличие отрицательных координат для целого ряда реальных цветов, что затрудняет расчет цветовых характеристик по спектральным кривым. Другой существенный недостаток системы CIERGB - необходимость определения всех трех составляющих цвета для определения количественной характеристики цвета - яркости.

В связи с этим в основу построения колориметрической системы XYZ были положены следующие положения:

• 1) все реальные цвета должны иметь только положительные координаты;
• 2) яркость должна определяться одной координатой цвета;
• 3) координаты белого цвета равноэнергетического источника (о равноэнергетическом источнике должны иметь координаты 0,33; 0,33.

Путем математических преобразований с учетом вышеуказанных требований удалось осуществить переход от реальных цветов CIERGB к нереальным (сверхнасыщенным) CIEXYZ.

В соответствии со вторым условием построения колориметрической системы XYZ цвета X и Z имеют яркостные коэффициенты, равные нулю принимают равным единице (= 1). В этом случае формула для расчета яркости В значительно упрощается:

где Y - координата цвета.

Яркостной коэффициент цвета в этом случае определяется координатой цветности (у):

В общем виде уравнение цвета в CIEXYZ записывается следующим образом:

Ц = XX + YY + ZZ.

Переход к уравнению цветности в CIEXYZ осуществляется через m так же, как и в системе CIERGB

В настоящее время стандартная колориметрическая система XYZ является рабочей.

Именно в ней проводят непосредственно колориметрические измерения по определению цветовых характеристик (яркости, доминирующей длины волны и чистоты цвета).

Для определения качественных характеристик цветности используют диаграмму ху, полученную расчетным путем с использованием кривых сложения.

Встандарте представления цветаCIE XYZ определяются три базисные функции
(рис.1.9), зависящие от длины волны, и, на их основе, перенасыщенные цвета X, Y, Z:

Линейные комбинации которых с неотрицательными коэффициентами, позволяют получить все видимые человеком цвета. Перенасыщенные цвета не соответствуют никаким реальным,

, где I бел (λ ) - спектральная функция распределения для выбранного эталона белого цвета.

Если рассмотреть значения X,Y,Z как координаты в трехмерном евклидовом пространстве, то видимые цвета образуют криволинейный конус в первом квадранте (рис. 1.9).

Введены также значения цветности (англ.chromacity values), нормированные координаты x, y, z, которые определяются из X,Y,Z следующим образом:

; (1.9)

Они вводятся для описания только цветовых свойств света, безотносительно его энергии, и зависят только от основной длины волны и насыщенности. Таким образом, если поместить эти точки в трехмерное евклидово пространство, то они будут лежать на плоскости X + Y + Z = 1 (она также показана на рис. 1.10). Проекция этой плоскости на Oxy называется диаграммой цветности CIE (см. рис. 1.11).

Эта диаграмма весьма полезна и наглядна и широко используется. Цвета, расположенные на границе проекции, являются монохроматическими. При смешении базисных цветов можно получить все цвета, находящиеся в их выпуклой оболочке на диаграмме цветности. Этим как раз и объясняется, что с помощью трех базовых цветов R,G,B (да и любых других) мы не можем получить все видимые цвета.

Важную роль в цветопередаче от одного устройства к другому имеет понятие точки белого (англ. white point) на диаграмме цветности, соответствующая измеренным координатам белого цвета. Она может варьироваться в зависимости от того, какой источник цвета принимается за белый. В исходной модели CIE XYZ весовые функции подобраны так, чтобы дневному свету солнца соответствовала точка (x, y, z) = (1/3, 1/3, 1/3). Зная положение точек белого в исходном материале, его можно пересчитать для компенсации условий съемки или свойств оборудования (найти баланс белого).

Таблица 1.1.

Примеры источников белого света

Важной характеристикой, как цветовых моделей, так и конкретных устройств, отображающих цветную информацию, является Цветовая гамма (англ. Color gamut) - подмножество цветов, воспроизводимое в условиях конкретной цветовой модели или для конкретного устройства цветового отображения. Корректно отображать цветовую гамму как некоторое подмножество в конусе видимых цветов (см. рис. 1.10), но можно также ограничиться проекцией на диаграмму цветности, не учитывая диапазон яркости. На рис. 1.11 представлены некоторые типичные цветовые гаммы, которые позволяют судить о полноте охвата отображаемых цветов разными устройствами.

Преобразования между CIE XYZ и RGB

Ц
ветовое пространствоRGB, как и CIE XYZ, является трехмерным и аддитивным. Поэтому преобразования между двумя этими пространствами описываются матрицами 3 × 3; достаточно задать координаты базисных цветов R, G и B в системе CIE XYZ. Обычно удобно это делать, отдельно задавая цветовую информацию точками (x, y) на диаграмме цветности и яркостной компонентой Y. Если цвет задан таким образом (x, y, Y), то из формул (1.9) следует, что

Тогда, если базисные RGB-цвета заданы как (x R , y R , Y R), (x G , y G , Y G), (x B , y B , Y B), получаем следующую формулу преобразования:

z
R =1-x R -y R ; z G =1-x G -y G ; z B =1-x B -y B .

или в других обозначениях:

(
1.12)

Рассмотрим пример матрицы преобразования из RGB в XYZ для конкретного сочетания хроматических координат (x,y) и цветов r,g,b,White. Ниже даны значения x,y и матрицы преобразования для рекомендации CIE 709:

Цветовые пространства, в которых каждому набору цветовых компонент соответствует физически единственный цвет, называются абсолютными цветовыми пространствами. Таким пространством является как раз CIE XYZ. Если мы также однозначно зафиксируем (x, y, Y) для базисных RGB-цветов, то получим абсолютное RGB-пространство. Такие стандартные пространства играют важную роль в обеспечении одинакового отображения одного и того же изображения на разных устройствах. Для корректного отображения какого-либо изображения на конкретном устройстве изображение надо перевести из абсолютного пространства в цветовое пространство данного устройства. Информация о характеристиках устройства, для осуществления подобного преобразования программным путем, хранится в сопоставленном ему специальном файле. Стандарт на такие файлы был разработан ICC (англ. International Color Consortium), поэтому они получили название профилей ICC.

Наиболее распространенным абсолютным RGB-пространством является модель sRGB

Цветовые модели CIE L*u*v* и CIE L*a*b*

У модели CIE XYZ все же есть один недостаток - неоднородность восприятия изменения цвета относительно расстояния на диаграмме цветности. Хотелось бы, чтобы одинаковые расстояния между точками, соответствующими цветам на диаграмме цветности, соответствовали приблизительно одинаковому восприятию человеком отличий между этими парами цветов. Именно для этих целей CIE в 1976 году предложила модель L * u * v * . L* (от англ. Lightness) в этой модели соответствует яркости, скорректированной с учетом особенностей человеческого восприятия .

Получающаяся диаграмма цветности представлена на рис.1.14. Эта модель рекомен­дуется для представления света от источников .

Для перехода к модели определим вспомогательную функцию F(s) как

(1.13)

и определим: u" = 4X/(X + 15Y + 3Z); v" = 9Y/(X + 15Y + 3Z);

L* = 116F(Y/Y w) - 16; a* = 500; b* = 200; (1.15)

Математически можно записать получение коэффициентов так:

где - спектральная функция распределения для представляемого цвета, а k - масштабный коэффициент, выбираемый исходя из того, какой цвет принимается за белый и в каком диапазоне должны лежать значения Y .

где - спектральная функция распределения для выбранного эталона белого цвета. Функция соответствует относительному восприятию интенсивности света палочками (рис. 1.4).

Если рассмотреть значения X,Y,Z как координаты в трехмерном евклидовом пространстве, то видимые цвета образуют криволинейный конус в первом квадранте (см. рис. 1.8).

Рассмотрим значения цветности (англ. chromacity values) x, y, z , которые определяются из X,Y,Z следующим образом:

(1.1)

Они вводятся для описания только цветовых свойств света, безотносительно его энергии, и зависят только от основной длины волны и насыщенности. Таким образом, если опять же поместить эти точки в трехмерное евклидово пространство, то они будут как раз лежать на плоскости X + Y + Z = 1 (она также показана на рис. 1.8). Проекция этой плоскости на Oxy называется диаграммой цветности CIE (см. рис. 1.9).

Эта диаграмма весьма полезна и наглядна и широко используется. Цвета, расположенные на границе проекции, являются монохроматическими. При смешении базисных цветов можно получить все цвета, находящиеся в их выпуклой оболочке на диаграмме цветности. Этим как раз и объясняется, что с помощью трех базовых цветов R,G,B (да и любых других) мы не можем получить все видимые цвета.

Введем понятие точки белого (англ. white point ). Это точка на диаграмме цветности, соответствующая измеренным координатам белого цвета. Она может варьироваться в зависимости от того, какой источник цвета принимается за белый. В исходной модели CIE XYZ весовые функции были специально подобраны так, чтобы дневному свету солнца соответствовала точка (x, y, z) = (1/3, 1/3, 1/3) . Другие точки белого применяются для компенсации условий съемки, например при освещении флуоресцентными лампами, или свойств оборудования. В фотографии это связано с так называемым нахождением баланса белого.