В колориметрии и теории цвета , легкость , также известная как ценность или тон , является представлением цвета «ы яркости . Это один из параметров цветового оформления любой цветовой модели .
У различных цветовых моделей есть явный термин для этого свойства. В Munsell и HSV цветовые модели используют термин значение , в то время как цветовая модель HSL , HCL цветового пространства и CIELAB цветового пространство используют термин воздушность .
В некоторых из этих моделей (Munsell, HCL и CIELAB) яркость или значение является абсолютной яркостью. В Munsell, например, единственный цвет со значением 0 - это чистый черный, а единственный цвет со значением 10 - чисто белый. Цвета с различимым оттенком должны иметь значения между этими крайними значениями.
В HSL и HSV яркость или значение - это относительная яркость. Обе системы используют тройки координат, где многие тройки могут отображаться в один и тот же цвет. В HSV все тройки со значением 0 являются чисто черными. Если оттенок и насыщенность остаются постоянными, то увеличение значения увеличивает яркость, так что значение 1 является самым ярким цветом с заданными оттенком и насыщенностью. HSL аналогичен, за исключением того, что все тройки с яркостью 1 чисто белые. В обеих моделях все чистые насыщенные цвета имеют одинаковую яркость или значение, а абсолютная яркость определяется оттенком: желтый ярче синего.
В субтрактивном цвете (например, в красках) изменение значения посредством различных оттенков и оттенков может быть достигнуто путем добавления к цвету соответственно белого или черного. Однако это также снижает насыщенность . И светотень, и тенебризм используют преимущества драматических контрастов ценностей, чтобы усилить драматизм в искусстве. Художники также могут использовать затенение , тонкую манипуляцию ценностями.
Легкость и человеческое восприятие
Хотя HSL, HSV и связанные пространства служат достаточно хорошо, например, для выбора одного цвета, они игнорируют большую часть сложности внешнего вида цвета. По сути, они приносят компромисс между релевантностью восприятия и скоростью вычислений, начиная с тех времен в истории вычислений (высокопроизводительные графические рабочие станции 1970-х годов или потребительские настольные компьютеры середины 1990-х годов), когда более сложные модели были бы слишком дорогими в вычислительном отношении. [1]
HSL и HSV - это простые преобразования цветовой модели RGB, которые сохраняют симметрии в кубе RGB, не связанные с человеческим восприятием, так что его углы R , G и B равноудалены от нейтральной оси и равномерно разнесены вокруг нее. Если мы построим цветовую гамму RGB в более однородном для восприятия пространстве, таком как CIELAB , сразу станет ясно, что красный, зеленый и синий основные цвета не имеют одинаковой яркости или цветности или равномерно распределенных оттенков. Кроме того, разные дисплеи RGB используют разные основные цвета и поэтому имеют разные гаммы. Поскольку HSL и HSV определены исключительно со ссылкой на некоторое пространство RGB, они не являются абсолютными цветовыми пространствами : для точного указания цвета требуется сообщать не только значения HSL или HSV, но и характеристики пространства RGB, на котором они основаны, включая гамма-коррекция в использовании.
Если мы возьмем изображение и выделим компоненты оттенка, насыщенности и яркости или значения, а затем сравним их с одноименными компонентами, определенными учеными-цветоводами, мы сможем быстро увидеть разницу на уровне восприятия. Например, рассмотрите следующие изображения дыхательного аппарата огня ( рис. 1 ). Оригинал находится в цветовом пространстве sRGB. CIELAB - L * представляет собой МКО определенные ахроматическое количество светлоты (зависит исключительно от перцептивно ахроматической яркости Y , но не смешанный хроматические компонент X или Z , от цветового пространства CIE XYZ , из которого сами цветового пространство SRGB является производным), и очевидно, что это похоже на воспринимаемую легкость исходного цветного изображения. Яркость ( Y ' , гамма-кодированный компонент яркости некоторых систем кодирования видео, таких как Y'IQ и Y'UV) примерно одинаков, но несколько отличается в высокой цветности, где она больше всего отклоняется от истинной ахроматической яркости, такой как яркость Y (линейный) или аналогичный ахроматический L * (перцепционно однородный и нелинейный), на который влияет колориметрическая цветность ( x , y или эквивалентно a * , b * CIELAB). HSL L и HSV V существенно отличаются от легкости восприятия.
Отношение к значению и относительной яркости
Величина Манселла долгое время использовалась как воспринимаемая единообразная шкала легкости. Интересный вопрос - соотношение между шкалой значений Манселла и относительной яркостью . Зная о законе Вебера – Фехнера , Манселл заметил: «Что нам следует использовать: логарифмическую кривую или кривую квадратов?» [2] Ни один из вариантов не оказался правильным; в конечном итоге ученые сошлись на кривой примерно кубического корня, согласующейся со степенным законом Стивенса для восприятия яркости, отражающей тот факт, что легкость пропорциональна количеству нервных импульсов на нервное волокно в единицу времени. [3] Остальная часть этого раздела представляет собой хронологию приближений легкости, ведущую к CIELAB .
Примечание. - V Манселла изменяется от 0 до 10, а Y обычно от 0 до 100 (часто интерпретируется как процент). Обычно относительная яркость нормализуется так, чтобы «эталонный белый» (например, оксид магния ) имел трехцветное значение Y = 100 . Поскольку коэффициент отражения оксида магния (MgO) относительно идеального отражающего диффузора составляет 97,5%, V = 10 соответствует Y =100/97,5% ≈ 102,6, если в качестве эталона используется MgO. [4]
1920 г.
- Priest et al. предоставить базовую оценку значения Манселла ( в данном случае Y изменяется от 0 до 1): [5]
1933 г.
- Манселл, Слоан и Годлав начинают исследование шкалы нейтральных значений Манселла, рассматривая несколько предложений, связывающих относительную яркость со значением Манселла, и предлагают: [6] [7]
1943 г.
- Ньюхолл, Никерсон и Джадд готовят отчет для Оптического общества Америки . Они предлагают квинтическую параболу (соотносящую коэффициент отражения через значение): [8]
1943 г.
- Используя Таблицу II отчета OSA, Мун и Спенсер выражают значение в терминах относительной яркости: [9]
1944 г.
- Сондерсон и Милнер вводят вычитающую константу в предыдущем выражении для лучшего соответствия значению Манселла. [10] Позже Джеймсон и Хурвич утверждают, что это исправляет одновременные эффекты контраста . [11] [12]
1955 г.
- Лэдд и Пинни из Eastman Kodak интересуются значением Манселла как воспринимаемой однородной шкалой яркости для использования на телевидении . После рассмотрения одной логарифмической и пяти степенных функций (согласно степенному закону Стивенса ) они связывают значение с коэффициентом отражения, повышая коэффициент отражения до степени 0,352: [13]
- Понимая, что это довольно близко к корню куба , они упрощают его до:
1958 г.
- Glasser et al. определите яркость как десятикратное значение Манселла (так, чтобы яркость варьировалась от 0 до 100): [14]
1964 г.
- Вышецкий упрощает это до: [15]
- Эта формула аппроксимирует функцию значений Манселла для 1% < Y <98% (не применимо для Y <1% ) и используется для цветового пространства CIE 1964 .
1976 г.
- CIELAB использует следующую формулу:
- где Y n - трехцветное значение CIE XYZ Y контрольной белой точки (нижний индекс n означает «нормализованный») и подлежит ограничению. Y/Да нет> 0,01 . Паули снимает это ограничение, вычисляя линейную экстраполяцию, которая отображает Y/Да нет= 0 до L * = 0 и касается приведенной выше формулы в точке, в которой линейное удлинение вступает в силу. Во-первых, точка перехода определяется как Y/Да нет знак равно 6/29) 3 ≈ 0,008856 , то наклон ( 29/3) 3 ≈ 903,3 . Это дает двухчастную функцию: [16]
- Тогда легкость:
- На первый взгляд, вы могли бы аппроксимировать функцию яркости кубическим корнем - приближение, которое можно найти в большей части технической литературы. Тем не менее, линейный сегмент рядом с черным имеет значение, а значит, и коэффициенты 116 и 16. Наиболее подходящая функция чистой мощности имеет показатель порядка 0,42, что далеко от 1/3. [17]
- Серая карта примерно 18% , имеющая точную отражательную способность ( 33/58) 3 , имеет значение яркости 50. Он называется « средне-серым », потому что его яркость находится на полпути между черным и белым.
1997 г.
- Еще в 1967 году у рыб была обнаружена гиперболическая взаимосвязь между интенсивностью света и реакциями колбочек в соответствии с кинетической моделью биохимических реакций Михаэлиса-Ментен . [18] В 70-х годах такая же взаимосвязь была обнаружена у ряда других позвоночных, а в 1982 году, используя микроэлектроды для измерения реакции колбочек у живых макак-резус, Валетон и Ван Норрен обнаружили следующую взаимосвязь: [19]
- 1 / V ~ 1 + (σ / I) 0,74 , где V - измеренный потенциал, I - интенсивность света, а σ - константа.
- В 1986 году Сейм и Вальберг поняли, что эта взаимосвязь может помочь в построении более однородного цветового пространства. [20] Это вдохновило на успехи в моделировании цвета, и когда Международная комиссия по освещению провела симпозиум в 1996 г., были сформулированы цели для новой стандартной цветовой модели и в 1997 г. CIECAM97s (Международная комиссия по освещению, модель внешнего вида, 1997 г., простая версия) был стандартизирован. [21] CIECAM97s различает яркость, то есть то, как что-то выглядит светом по сравнению с таким же освещенным белым объектом, и яркость, то есть сколько света кажется, что светит что-то. [22]
- Согласно CIECAM97s легкость образца составляет:
- J = 100 ( образец / белый ) cz
- В этой формуле для небольшого образца в ярких условиях в окружающем поле с относительной яркостью n по сравнению с белым, c был выбран таким образом, чтобы:
- Это моделирует то, что образец будет темнее на светлом фоне, чем на темном фоне. См. Эффект контраста для получения дополнительной информации по теме. Когда n = 1/5, cz = 1, что соответствует предположению, что большинство сцен имеют среднюю относительную яркость 1/5 по сравнению с ярко-белым, и поэтому образец в таком окружении должен восприниматься с должной легкостью.
- Величина A моделирует отклик ахроматического конуса; это зависит от цвета, но для серого образца в ярких условиях это работает как:
- N bb - коэффициент выдумки, который обычно равен 1; это вызывает беспокойство только при сравнении оценок яркости на основе немного разных эталонных белых цветов.
- Здесь Y - относительная яркость по сравнению с белым по шкале от 0 до 1, а L A - средняя яркость адаптируемого поля зрения в целом, измеренная в кд / м 2 . Ахроматический отклик следует за своего рода S-кривой в диапазоне от 1 до 123, числа, которые следуют из способа усреднения откликов колбочки и которые в конечном итоге основаны на грубой оценке полезного диапазона нервных импульсов в секунду, и которая имеет довольно большой промежуточный диапазон, где он примерно соответствует кривой квадратного корня.
- Тогда яркость согласно CIECAM97s составляет:
- Q = (1,24 / c) (Дж / 100) 0,67 ( Белый + 3) 0,9
- Коэффициент 1,24 / c - это коэффициент объемного звучания, который отражает то, что сцены выглядят ярче в темных условиях.
- Также были сформулированы предложения по более полной модели, CIECAM97C, чтобы учесть несколько эффектов в чрезвычайно темных или ярких условиях, цветное освещение, а также эффект Гельмгольца-Кольрауша, когда образцы с высокой хроматичностью кажутся светлее и ярче по сравнению с нейтральный серый. Чтобы смоделировать последний эффект, в CIECAM97C формула для J корректируется следующим образом:
- J HK = J + (100 - J) (C / 300) | sin (½h - 45 °) |, где C - цветность, а h - угол оттенка.
- Затем Q вычисляется из J HK, а не из J. Эта формула имеет эффект увеличения яркости и яркости цветных образцов. Чем больше цветность, тем сильнее эффект; для очень насыщенных цветов C может быть близко к 100 или даже выше. Абсолютный синус имеет резкую V-образную долину с нулем на желтом и широкое плато в глубоком синем. [23]
2002 г.
- Ахроматический отклик в CIECAM97s представляет собой взвешенное добавление откликов конуса минус 2,05. Поскольку сумма общего шума составляет 3,05, это означает, что A и, следовательно, J и Q не равны нулю для абсолютного черного. Чтобы исправить это, Ли, Луо и Хант предложили вместо этого вычесть 3,05, чтобы шкала начиналась с нуля. [24] Хотя CIECAM97s была успешной моделью для стимулирования и направления колориметрических исследований, Фэирчайлд чувствовал, что для практического применения необходимы некоторые изменения. Те, которые имели отношение к расчетам освещенности, заключались в том, чтобы вместо использования нескольких дискретных значений для коэффициента объемного звучания c, учесть линейную интерполяцию с и, таким образом, позволить использовать модель в промежуточных условиях объемного звучания, а также упростить z, чтобы исключить особый случай для больших стимулы, потому что он чувствовал, что они не имеют отношения к приложениям визуализации. [25] Основываясь на результатах экспериментов, Хант, Ли, Хуан и Луо предложили ряд улучшений. Актуальным для обсуждаемой темы является то, что они предложили немного снизить z. [26] Ли и Луо обнаружили, что цветовое пространство, основанное на таком модифицированном CIECAM97, использующее яркость в качестве одной из координат, было более однородным по восприятию, чем CIELAB. [27]
- Из-за формы S-кривой отклика конуса, когда яркость цвета уменьшается, даже если его спектральный состав остается неизменным, разные отклики конуса не совсем изменяются с одинаковой скоростью по отношению друг к другу. Поэтому вполне вероятно, что воспринимаемый оттенок и насыщенность изменятся при низких уровнях яркости. Но CIECAM97s предсказывает гораздо большие отклонения, чем обычно считается вероятным, и поэтому Хант, Ли и Луо предложили использовать кривую ответа конуса, которая аппроксимирует кривую мощности для гораздо большего диапазона стимулов, поэтому оттенок и насыщенность лучше сохраняются. [28]
- Все эти предложения, а также другие, касающиеся цветности, привели к новой модели внешнего вида цвета, CIECAM02. В этой модели формула легкости осталась прежней:
- J = 100 ( образец / белый ) cz
- Но все количества, входящие в эту формулу, так или иначе меняются. Параметр c теперь непрерывно изменяется, как обсуждалось выше, и z = 1,48 + √n. Хотя это выше, чем z в CIECAM97, общий эффективный коэффициент мощности очень похож, потому что эффективный коэффициент мощности ахроматического отклика намного ниже:
- Как и прежде, эта формула предполагает яркое освещение. Помимо 1220, которое является результатом произвольно принятой константы отклика конуса, различные константы в CIECAM02 были подогнаны к экспериментальным наборам данных. Выражение яркости также сильно изменилось:
- Обратите внимание, что вопреки предложению CIECAM97C, CIECAM02 не содержит положений для эффекта Гельмгольца-Кольрауша. [29] [30]
Другие психологические эффекты
Это субъективное восприятие яркости нелинейным образом - это то, что делает гамма-сжатие изображений целесообразным. Помимо этого явления есть и другие эффекты, связанные с восприятием легкости. Цветность может влиять на воспринимаемую легкость, как описано с помощью эффекта Гельмгольца – Кольрауша . Хотя пространство CIELAB и его родственники не учитывают этот эффект на легкость, он может подразумеваться в цветовой модели Манселла. Уровни света также могут влиять на воспринимаемую цветность, как и в случае эффекта Пуркинье .
Смотрите также
- Яркость
- Оттенки и оттенки
Заметки
Рекомендации
- ^ Большинство недостатков, приведенных ниже, перечислены в книге Чарльза Пойнтона « Техническое введение в цифровое видео» (1996), хотя и в виде простых утверждений, без примеров.
- ^ Kuehni, Rolf G. (февраль 2002). «Раннее развитие системы Манселла». Исследование и применение цвета . 27 (1): 20–27. DOI : 10.1002 / col.10002 .
- ^ Хант, Роберт WG (18 мая 1957 г.). «Световая энергия и ощущение яркости» . Природа . 179 (4568): 1026. DOI : 10.1038 / 1791026a0 . PMID 13430776 .
- ^ Вальберг, Арне (2006). Цвет светового зрения . Джон Вили и сыновья. п. 200. ISBN 978-0470849026.
- ^ Priest, Irwin G .; Гибсон, KS; МакНиколас, HJ (сентябрь 1920 г.). «Исследование цветовой системы Манселла. I: Спектральное и полное отражение и шкала значений Манселла». Технический документ 167 (3). Бюро стандартов США: 27. Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ Манселл, AEO; Sloan, LL; Годлав, IH (ноябрь 1933 г.). «Шкалы нейтральных значений. Шкала нейтральных значений I. Munsell». JOSA . 23 (11): 394–411. DOI : 10.1364 / JOSA.23.000394 . Примечание: этот документ содержит исторический обзор, охватывающий период до 1760 года.
- ^ Манселл, AEO; Sloan, LL; Годлав, IH (декабрь 1933 г.). «Шкалы нейтральных значений. II. Сравнение результатов и уравнений, описывающих шкалы значений». JOSA . 23 (12): 419–425. DOI : 10.1364 / JOSA.23.000419 .
- ^ Ньюхолл, Сидней М .; Никерсон, Дороти; Джадд, Дин Б. (май 1943 г.). «Заключительный отчет подкомитета OSA о расстановке цветов Манселла». Журнал Оптического общества Америки . 33 (7): 385–418. DOI : 10.1364 / JOSA.33.000385 .
- ^ Луна, Парирование; Спенсер, Домина Эберле (май 1943 г.). «Метрика на основе составного цветового стимула». JOSA . 33 (5): 270–277. DOI : 10.1364 / JOSA.33.000270 .
- ^ Saunderson, Jason L .; Милнер, Б.И. (март 1944 г.). «Дальнейшее изучение пространства ω». JOSA . 34 (3): 167–173. DOI : 10.1364 / JOSA.34.000167 .
- ^ Гурвич, Лев М .; Джеймсон, Доротея (ноябрь 1957 г.). "Противник-процесс Теория цветного зрения". Психологический обзор . 64 (6): 384–404. DOI : 10.1037 / h0041403 . PMID 13505974 .
- ^ Джеймсон, Доротея; Лев Михайлович Гурвич (май 1964 г.). «Теория яркости и цветового контраста в человеческом зрении». Исследование зрения . 4 (1–2): 135–154. DOI : 10.1016 / 0042-6989 (64) 90037-9 . PMID 5888593 .
- ^ Ladd, JH; Пинни, Дж. Э. (сентябрь 1955 г.). «Эмпирические отношения со шкалой значений Манселла». Труды Института Радиоинженеров . 43 (9): 1137. DOI : 10.1109 / JRPROC.1955.277892 .
- ^ Glasser, LG; А. Х. МакКинни; CD Reilly; П. Д. Шнелле (октябрь 1958 г.). «Корневая система координат цвета». JOSA . 48 (10): 736–740. DOI : 10.1364 / JOSA.48.000736 .
- ^ Вышецкий, Гюнтер (ноябрь 1963 г.). «Предложение по новой формуле разницы в цвете». JOSA . 53 (11): 1318–1319. DOI : 10.1364 / JOSA.53.001318 . Примечание . Звездочки в документе не используются.
- ^ Паули, Хартмут К.А. (1976). «Предлагаемое расширение рекомендации CIE по« Единым цветовым пространствам, цветовым пространствам, уравнениям цветового различия и метрическим цветовым терминам » ». JOSA . 66 (8): 866–867. DOI : 10.1364 / JOSA.66.000866 .
- ^ Пойнтон, Чарльз; Фант, Брайан (февраль 2014 г.). «Восприятие единообразия в представлении и отображении цифрового изображения». Исследование и применение цвета . 39 (1): 6–15. DOI : 10.1002 / col.21768 .
- ^ Кен-Ичи Нака и Уильям Альберт Хью Раштон: Генерация и распространение S-потенциалов у рыб (Cyprinidae)
- ^ Жан Матье Валетон и Дирк ван Норрен: Световая адаптация конусов приматов: анализ, основанный на внеклеточных данных
- ^ Торстейн Сейм и Арне Вальберг: На пути к единому цветовому пространству: лучшая формула для описания цветовых шкал Манселла и OSA
- ^ Марк Д. Фэйрчайлд: Модели внешнего вида цвета § Модель внешнего вида CIE (1997), CIECAM97s
- ^ Роберт Уильям Гейнер Hunt: Некоторые замечания по использованию цвета , внешний вид модели CIECAM97s
- ^ Мин Ronnier Ло и Роберт Уильям Гейнер Hunt: Структура CIE 1997 цвета внешнего вида модели
- ^ Changjun Ли, Мин Ronnier Ло и Роберт Уильям Гейнер Hunt: пересмотр А модели CIECAM97s
- ^ Марк Д. Фэирчайлд: пересмотр CIECAM97s для практического применения
- ^ Роберт Уильям Гейнер Хант, Чанцзюнь Ли, Лу-Инь Грейс Хуан и Мин Ронньер Луо: Дальнейшие улучшения CIECAM97s (также цитируются как Дальнейшие улучшения CIECAM97s )
- ^ Changjun Li & Ming Ronnier Luo: Единое цветовое пространство, основанное на CIECAM97s
- ^ Роберт Уильям Гейнер Хант, Чангджун Ли и Мин Ронье Луо: функции динамического отклика конуса для моделей внешнего вида цвета
- ^ Натан Морони, Марк Д. Fairchild, Роберт Уильям Гейнер Hunt, Changjun Ли, Мин Ronnier Ло & Todd Newman: CIECAM02 цвет внешний вид модели
- ^ Технический комитет CIE: Модели внешнего вида цвета для приложений управления цветом
Внешние ссылки
СМИ, связанные с легкостью, на Викискладе?