Соответствие цветов. Цветовые пространства и модели

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
На прошлой лекции
Курс: три части
восприятие, свет, материалы
геометрическое моделирование
алгоритмы экранизации
Глаз – сложная оптическая система
Восприятия цвета
Принцип одномерности
Адаптация, темпоральное сглаживание
Чувствительность к контрасту
Яркость и контраст
Восприятие глубины: окуломоторное и визуальное
Визуальное восприятие глубины: бинокулярное и монокулярное

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
На лекции
Машинное представление цвета
Соответствие цветов, эксперименты CIE
Цветовое пространство CIE XYZ
Однородное цветовые пространство L*a*b
Мониторы. Цветовая модель и цветовое пространство RGB
Точка белого, цветовая температура, гамма-коррекция.

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Машинное представление цвета
Как однозначно описать цвет?
Очень сложный механизм восприятия!
Как соответствуют друг другу
Видимый глазом свет
Цвет на мониторе
Цвет на фотографии
Цвет в графическом редакторе
Цвет объектов в OpenGL?

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Цвет как три числа
Два основных следствия устройства человеческого зрения:
Трихроматия, трехцветность (trichromacy)
Весь спектр может быть сведен в точности к трех числам без потери информации для визуальной системы человека
Метамеризм (metamerism)
Все спектры, создающие одинаковые отклики, неразличимы человеком

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Соответствие цветов
Чтобы научиться воспроизводить цвета, необходимо уметь количественно задавать тройки чисел для всех видимых цветов
Не нужно моделировать произвольный спектр, трех чисел достаточно только для тех цветов, которые различает человек
Перцепционное соответствие цветов (perceptual color matching)

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Эксперименты по перцепционному соответствию цветов
1920е-1930е
Экран размером 2 градуса
Три источника света – основные цвета R, G, B (монохроматические)
Наблюдатель может менять интенсивность от –1 до 1
Хотя можно найти соответствие любого цвета, исходный цвет был монохроматический
Чтобы ограничить число цветов
Монохроматический цвет 380-780нм (пробегает радугу) с шагом 5нм

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Эксперименты по перцепционному соответствию цветов (2)
Большую часть цветов можно задать как сумму:
С = rR + gG + bB (аддитивное соответствие)
Некоторые цвета нельзя задать таким способом, вместо этого:
C + rR = gG + bB (субстрактивное соответствие)
Создает проблемы для устройств вывода – нельзя создать лампу, которая забирает энергию
Позволяет использовать любые разные базовые света

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Эксперименты по перцепционному соответствию цветов: результаты
700
546,1
435,8
Положение «ручки»

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Эксперименты по перцепционному соответствию цветов: коррекция
Кривые не соответствуют яркости источников света
Нормированы, чтобы площадь под графиками была одинаковой
Для получения яркости нужна коррекция:
Мощность:
72.0962 / 1.3791 / 1
Яркость:
1 / 4.5907 / 0.0601

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Эксперименты по перцепционному соответствию цветов: проблемы
Результаты верны только для
конкретного наблюдателя
для данных основных цветов (ламп)
для монохроматических целевых цветов
Для практического использования необходимо расширить их
На более широкий класс наблюдателей
На более широкий класс базовых цветов

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Эксперименты CIE 1931г
Эксперименты по перцептуальному соответствию цветов были проведены на большом количестве людей
Для людей с нормальным цветовосприятием результаты оказались достаточно близки
их можно усреднить
В 1931 году на их основе CIE стандартизовала понятие стандартного наблюдателя
Вывод: результаты экспериментов по соответствию цветов для стандартного наблюдателя могут быть применены к любому человеку с нормальным зрением
Стандартный наблюдатель

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Закон аддитивности Грассмана
Любой цвет – это сумма монохроматических цветов разной интенсивности (амплитуды волны)
Мы знаем:
что любой цвет может быть описан тройкой чисел (трихроматия)
как представить монохроматические цвета с помощью тройки чисел (из экспериментов CIE) для данных базовых цветов
Возможно ли на основе этой информации найти тройки числе для любого цвета?
Да! Закон аддитивности Грассмана

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Закон аддитивности Грассмана
Эмпирический закон о линейности человеческого зрения (Hermann Grassman)
Аддитивность:
Если наблюдатель задаст цвет лучей 1 и 2 как R1B1G1 и R2B2G2 относительно заданных основных цветов
То цвет их комбинации цвет будет равен
R = R1 + R2
G = G1 + G2
B = B1 + B2

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Закон аддитивности Грассмана (2)
Позволяет использовать конечный набор соответствий цветов для моделирования бесконечного набора
Любое спектральное распределение может быть задано как взвешенная сумма монохроматических цветов =>
Если задать RGB-соответствия для этих цветов, то RGB для любого спектрального цвета будет взвешенной суммой RGB монохроматических цветов

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Закон аддитивности Грассмана (3)
В общем случае можно задать цвет для C(λ) следующим образом
C’(λ) ≠ С(λ), но воспринимаемый цвет будет одинаковый!
Это следует из определения стандартного наблюдателя и закона аддитивности Грассмана

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Соответствие цветов: пространство CIE RGB 1931
Кривые и спецификация базовых источников света задают трехмерное цветовое пространство XYZ
700
546,1
435,8

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Соответствие цветов: пространство CIE RGB 1931 (2)

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Переход между цветовыми пространствами
Хотим создать другое цветовое пространство с источниками
X(λ), Y(λ), Z(λ)
Нужно найти координаты (r1,g1,b1), (r2,g2,b2), (r3,g3,b3) в RGB
r
g
b

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Переход между цветовыми пространствами (2)
В предположении о верности закона Грассмана переход между цветовыми пространствами – линейное преобразование

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Пространство CIE XYZ
Задача: создать новое цветовое пространство XYZ, более удобное в работе, чем CIE RGB
Базовые цвета x(λ), y(λ), z(λ) всюду неотрицательны
y(λ) соответствует стандартной функции свечения CIE
Функция свечения отражает различную чувствительность глаза к силе излучения в различных частях спектра
Точка белого «равной энергии» должна соответствовать x=y=z=1/3
«плоское» спектральное распределение

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Диаграмма тональности
Цвет – тональность и яркость
В модели CIE XYZ Y задает яркость.
Тональность принято задавать производными параметрами x и y:
Проекция на плоскость
X+Y+Z=1

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Диаграмма тональности для CIE XYZ

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Свойства диаграммы тональности
Свойства:
На диаграмме представлены все цвета, видимые среднестатистическому человеку
Все цвета, которые могут быть получены смешением любых двух, лежат на прямой между ними
Все цвета, которые могут быть получены смешением трех цветов, лежат внутри треугольника
Смешивая три данных реальных источника света, невозможно получить все цвета, видимые человеком
Область основных цветов CIE RGB

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Интуитивные цветовые пространства
Пространство XYZ недостаточно интуитивно
Нет осмысленных значений у компонент X,Z (Y означает яркость)
Перцептуально нелинейно
Изменение значений xyz не означает пропорциональное изменение цвета
Было разработано несколько цветовых пространств, обладающих заданными свойствами

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
CIE 1976 L*a*b
Трехмерное пространство
L* - яркость (lightness)
L* =0 черный
L* = 100 белый
а* - положение между фиолетовым и зеленым
а* < 0 фиолетовый
а* > 0 зеленый
b* - положение между желтым и синим
b* < 0 желтый
b* > 0 синий

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Преобразование XYZ->Lab
Преобразование нелинейное!
Xn,Yn,Zn – точка белого

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Цветовые пространства и модели
Цветовая модель – абстрактная математическая модель описания цвета набором чисел (обычно тремя)
Не имеет функции отображения в абсолютное цветовое пространство
Нельзя использовать в прикладных задачах без привязки к абсолютному пространству
Цветовое пространство = модель + отображение в некоторое исходное (reference) пространство
Цвета не зависят от внешних факторов

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Цветовые пространства
Исходные (reference) цветовые пространства:
CIE XYZ
CIE L*a*b
CIE RGB (не используется)
Цветовые модели:
RGB
CMYK
YIQ
HSV
HSL
Производные цветовые пространства:
sRGB (RGB)
Adobe RGB (RGB)
Apple RGB (RGB)

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Модель RGB
Основана на аддитивной комбинации трех основных цветов – красного (Red), зеленого (Green), синего (Blue)
Описывает системы, основанные на испускании света для получения нужного цвета (телевизоры, мониторы)
Сами по себе значения r,g,b не несут физического смысла
Нужна привязка к исходному цветовому пространству
Наиболее часто применяется в компьютерной графике, т.к. компьютерная графика работает с изображениями на мониторе

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Мониторы
Разновидности мониторов
Светоиспускающие
CRT (Cathode ray tube)
Светопропускающие
LCD (Liquid crystal display)
Рассматриваем CRT, т.к. LCD появились позже и вынуждены подстраиваться под параметры CRT-мониторов

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
CRT

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
CRT: спецификация RGB элементов
Три фосфора задают аддитивное цветовое пространство
Для полной спецификации обычно задают
xy-координаты для r,g,b-фосфоров
точку белого (относительная яркость)
Примеры пространств:
NTSC RGB (телевизоры)
HDTV RGB (телевизоры)
sRGB (мониторы)
При передаче сигнала (например, телевизионного) цвет кодируется в предположении о соответствии фосфоров монитора (телевизора) стандарту
Если не соответствуют, но монитор должен включать в себя коррекцию (аппаратную или программную)
Пространство sRGB (основные цвета и точка белого)

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Спецификация RGB элементов: точка белого
Точка белого – цвет, который считается белым в данных условиях
Для монитора – цвет, который испускают фосфоры с максимальной яркостью (1,1,1)
Фактически задает относительные яркости фосфоров
Существуют стандартные точки белого
CIE common white points

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Точка белого: некоторые стандартные точки белого

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Цветовая температура
Цветовая температура – характеристика видимого света
Сравнение цвета с цветом нагретого черного тела (black body radiator)
Большинство источников света построены на излучении нагретого тела, поэтому их удобно описывать с помощью цветовой температуры
Можно сопоставить с реальным освещением

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Цветовая температура: примеры
1600 K: восход и закат
1800 K: свеча
2800 K: лампа накаливания
3200 K: студийные лампы
5200 K: яркое полуденное солнце
5500 K: усредненный дневной свет
6000 K: облачное небо
20000 K: ярко-синее чистое небо
28000 - 30000 K: молния

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Пространство sRGB
Создано Microsoft, Hewlett-Packard
Стандартизировано в 1996г.
На данный момент широко используется:
Мониторы
Фотоаппараты
Если для изображения не указано цветовое пространство, можно считать, что это sRGB
Недостатки: исходные цвета сильно внутри видимой человеком области

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Пространство Adobe RGB
Разработано Adobe в 1998
Цель – иметь возможность работать на мониторе с большинством цветов, доступных в модели CMYK на принтерах
Более широкий диапазон передаваемых цветов (gamut)
Проблема: 8 бит на цвет может не хватать

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Отображения передаваемых диапазонов цветовых пространств
Цветовые пространства имеют разные диапазоны передаваемых цветов (gamut)
Например, не все цвета изображения с профилем Adobe RGB могут быть показаны на мониторе с фосфорами sRGB
Нужно преобразовать исходное изображение таким образом, чтобы все его цвета попадали в передаваемый диапазон устройства
Процесс называется отображением передаваемого диапазона (gamut mapping)
Два типа непередаваемых цветов
Невозможна коррекция тональности (I < 0)
Возможна коррекция тональности, но невозможна коррекция интенсивности (I > 1)

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Отображения передаваемых диапазонов цветовых пространств: подходы
Применяется после применения преобразования в целевое пространство
Локальные и глобальные подходы
Примеры локальных
Масштабирование цвета пикселя до попадания в диапазон
Отсечение по [0,1]
…
Пример глобального подхода:
Поиск наименьших и наибольших компонент цвета и масштабирование цветов всего изображения для попадания в диапазон

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
CRT: Гамма-коррекция
На CRT-мониторах яркость фосфора зависит от напряжения нелинейно
Перед передачей на монитор всегда применяется обратное преобразование
На LCD – приходится эмулировать!

12 октября 2006
Основы синтеза изображений. Лекция 2
Ограничения трехцветных пространств
Нельзя использовать при физических вычислениях, включающих явление дифракции, интерференции
Радуга
Аддитивные пространства имеют достаточно узкий диапазон передачи цвета