Как мы описываем цвета? Модели независимых цветов

В 1931 году по заказу Международной комиссии по освещению (франц. Commission internationale de l’éclairage) разработана цветовая модель, не зависящая от устройств. Она была создана на основе исследований, проведенных в группе около двадцати человек, которые могли правильно различать цвета. Этой группе показывали, в очень узком поле зрения (2o), различные цвета, и перед ней стояла задача их различения. Статистический анализ ответов позволил разработать стандартную модель наблюдателя. Она показывает усредненные возможности человека в плане восприятия цвета (например, диапазон длины волн, чувствительность и т.д.). На основе стандартной модели наблюдателя была разработана модель CIE XYZ, первая независимая от устройств цветовая модель.

Метод CIE XYZ называется цветовым пространством, которое принимается в качестве эталона и стандарта для других цветовых пространств, создаваемых Международной комиссией по освещению (CIE LUV, CIE Lab).

Концепция трехцветных значений XYZ основана на идее видеть цвета, и гласит, что глаз состоит из трех типов фоторецепторов, которые позволяют видеть три основных цвета (красный, зеленый, синий), в то время как все цвета являются смесями трех основных цветов. Поэтому цвет описан в трехцветных координатах X,Y,Z. Эти координаты соответствуют соответствующим процентам трех основных цветов R (red — красный), G (green — зеленый) и B (blue — синий).

рис. 1 http://home.agh.edu.pl/~tarasiuk/dydaktyka/doc/GFK/S/02%20Problem%20barwy%20i%20koloru.pdf

Трехмерное описание CIE XYZ было преобразовано в двумерное пространство CIE xyY. Оно преобразует цветовые компоненты X, Y, Z в трехцветные координаты x, y, Y. Координаты x и y отвечают за цветность, а Y – за яркость. Пространство xyY представлено в цветовом пространстве, которое является графиком цветности, в виде треугольника Максвелла или цветового треугольника. Оно представлено в виде области, окруженной двумя линиями – монохромной цветовой кривой и прямой фиолетовой линией.

рис. 2 http://home.agh.edu.pl/~tarasiuk/dydaktyka/doc/GFK/S/02%20Problem%20barwy%20i%20koloru.pdf

В результате работы над вопросом восприятия цветового отличия, проведенной Райтом, МакАдамом и Стайлзом, был создан вопрос об однородности цветового пространства.

Когда в пространстве CIE XYZ будут определены диапазоны разницы в восприятии цветов (рис. ниже), тогда появятся эллипсоиды разных размеров (так называемые эллипсоиды Мак-Адама). Они будут формироваться в зеленых областях, как эллипсоиды с относительно большим диаметром, и в голубых областях, но здесь с относительно небольшим диаметром. Поэтому, когда мы отмечаем две точки в таком пространстве, человеческий глаз может воспринимать их как два субъективно разных цвета. С другой стороны, две точки, которые будут одинаково отдаленные в диапазоне зеленых цветов, могут определять цвета, между которыми человеческий глаз не заметит разницы, т.е. это будет субъективно определяемый один цвет.

рис. 3 https://stackoverflow.com/questions/25184748/represent-cie-1931-color-space

Благодаря проведению исследований единообразия цветового пространства были также созданы CIE LUV и CIE Lab.

Модель CIE LUV была создана (в 1960 году) в результате преобразования переменных xy в переменные uv. Они должны были лучше отражать различия между цветами. Однако в ходе дальнейших исследований выяснилось, что такой набор переменных сильно ограничивает области вокруг коричневого, оранжевого и желтого цветов. Упомянутые цвета очень важны в живописи, особенно в масляной, или в фотографиях природы, поэтому необходимо было предпринять дальнейшие попытки трансформации. В 1976 году были разработаны переменные u’ и v’, что позволило создать пространство CIE LU’V. Важно, что буква «L» в названиях происходит от слова «lightness» и точно так же, как и «Y» в модели xyY, она определяет яркость. Оба полученных цветовых изображения показаны на рисунке ниже:

a) график CIE uv                                                       b) график CIE u’v’

рис. 4 http://home.agh.edu.pl/~tarasiuk/dydaktyka/doc/GFK/S/02%20Problem%20barwy%20i%20koloru.pdf

Второй наиболее часто используемой цветовой моделью, независимой от устройства, является CIE Lab. Это очередное преобразование пространства CIE XYZ, которое было создано в 1976 году. При определении модели предполагалось, что цвета, находящиеся на одинаковом расстоянии друг от друга, будут восприниматься как одинаково разные. Предполагая, что цвет не может быть одновременно фиолетовым и синим, и желтым или зеленым, для описания были выбраны следующие компоненты: L — яркость (освещенность), a — цвет от зеленого до мадженты и b — цвет от синего до желтого.

рис. 5 https://www.researchgate.net/figure/CIE-LAB-1976-color-space_fig2_263697963

Однако важным преимуществом данной модели является простота сравнения цветов. Разница между двумя цветами в пространстве CIE Lab выражается в ΔE, которая вычисляется из следующего соотношения:

ΔE — это нормальное евклидовое расстояние между двумя точками в трехмерном пространстве.
Предполагается, что стандартный наблюдатель распознает цветовую разницу по следующим показателям:
0 < ΔE < 1 - не видит разницы, 1 < ΔE < 2 - только опытный наблюдатель замечает разницу, 2 < ΔE < 3.5 - также неопытный наблюдатель замечает разницу, 3,5 < ΔE < 5 - наблюдатель замечает явное цветовое различие, 5 < ΔE - наблюдатель воспринимает цвета как совершенно разные. Как и пространство CIE XYZ, модель CIE Lab связана с непосредственным восприятием цветов человеческим глазом. Поэтому мы называем его цветовой моделью, не зависящей от устройства. Цветовое пространство CIE LCh использует ту же схему, что и цветовое пространство CIE Lab, но использует цилиндрические координаты вместо прямоугольных. В этом цветовом пространстве L — это яркость и тот же параметр, что и L в пространстве CIE Lab, C — насыщенность, а h — оттенок. Значение цветовой насыщенности C равно 0 в центре сферы, которая является изображением цветового пространства и увеличивается в зависимости от расстояния от центра. Тень h – это угол, измерение которого начинается по оси + а и выражается в градусах.

рис. 6 https://www.xrite.com/blog/tolerancing-part-3

Цветовое пространство Hunter Lab было разработано в 1966 году Р.С. Хантером как более визуально однородное цветовое пространство, чем CIE 1931 Yxy и очень похоже на CIE Lab. В настоящее время оно используется в различных областях, в том числе в лакокрасочной промышленности в США, но используется реже, чем созданная чуть позже лаборатория CIE Lab, которая получила больше сторонников.
И в шкалах Hunter Lab, и в шкалах CIE Lab в качестве аргументов используются слегка отличающиеся функции для вычисления значений Lab с использованием трихроматических XYZ-компонентов. Hunter Lab выполняет трансформацию, используя квадратные корни, в то время как CIE Lab использует функции кубического корня.
Другое различие проявляется в диапазоне отдельных цветовых областей. Шкала Hunter Lab уменьшается в желтой области цветового пространства и расширяется синим цветом. Шкала CIE Lab, с другой стороны, слегка расширяется в желтой области, что становится более очевидным, когда значение CIE из выборки составляет меньше единицы. Дополнительным преимуществом шкалы CIE Lab является то, что она обычно лучше отражает визуальную оценку цветовых различий для очень темных цветов.

рис. 7 http://pomiarbarwy.pl/?p=481