Färgmodell
En färgmodell är en abstrakt matematisk modell som beskriver hur färger kan representeras som tuplar av siffror, vanligtvis som tre eller fyra värden eller färgkomponenter. När denna modell förknippas med en exakt beskrivning av hur komponenterna ska tolkas (betraktningsförhållanden, etc.), med hänsyn till visuell perception , kallas den resulterande uppsättningen färger " färgrymd ".
Den här artikeln beskriver sätt på vilka människans färgseende kan modelleras och diskuterar några av de vanliga modellerna.
Tristimulus färgrymd
Man kan föreställa sig detta utrymme som ett område i det tredimensionella euklidiska rummet om man identifierar x- , y- och z -axlarna med stimuli för långvåglängd ( L ), medelvåglängd ( M ) och kortvåglängd ( S) ) ljusreceptorer . Ursprunget, ( S , M , L ) = (0,0,0), motsvarar svart. Vit har ingen bestämd position i detta diagram; snarare definieras den enligt färgtemperaturen eller vitbalansen enligt önskemål eller som tillgänglig från omgivande belysning. Den mänskliga färgrymden är en hästskoformad kon som visas här (se även CIE-kromaticitetsdiagram nedan), som sträcker sig från ursprunget till i princip oändligt. I praktiken kommer de mänskliga färgreceptorerna att vara mättade eller till och med skadas vid extremt höga ljusintensiteter, men sådant beteende är inte en del av CIE-färgrymden och inte heller den förändrade färguppfattningen vid låga ljusnivåer (se: Kruithof-kurva ). De mest mättade färgerna är belägna vid den yttre kanten av regionen, med ljusare färger längre bort från ursprunget. När det gäller reaktionerna från receptorerna i ögat finns det inget som heter "brunt" eller "grått" ljus. De senare färgnamnen hänvisar till orange respektive vitt ljus, med en intensitet som är lägre än ljuset från omgivande områden. Man kan observera detta genom att titta på duken på en overheadprojektor under ett möte: man ser svarta bokstäver på en vit bakgrund, även om den "svarta" faktiskt inte har blivit mörkare än den vita duken som den projiceras på innan projektorn påslagen. De "svarta" områdena har faktiskt inte blivit mörkare utan verkar "svarta" i förhållande till den högre intensiteten "vita" som projiceras på skärmen runt dem. Se även färgbeständighet .
Det mänskliga tristimulusutrymmet har egenskapen att additiv blandning av färger motsvarar tillägget av vektorer i detta utrymme. Detta gör det enkelt att till exempel beskriva de möjliga färgerna ( gamut ) som kan konstrueras från de röda, gröna och blå primärerna i en datorskärm.
CIE XYZ färgrymd
En av de första matematiskt definierade färgrymden är CIE XYZ-färgrymden (även känd som CIE 1931-färgrymden), skapad av International Commission on Illumination 1931. Dessa data mättes för mänskliga observatörer och ett 2-graders synfält. 1964 publicerades kompletterande data för ett 10-graders synfält.
Observera att de tabellerade känslighetskurvorna har ett visst mått av godtycke. Formerna på de individuella X-, Y- och Z-känslighetskurvorna kan mätas med rimlig noggrannhet. Den totala luminositetsfunktionen (som i själva verket är en viktad summa av dessa tre kurvor) är dock subjektiv, eftersom det handlar om att fråga en testperson om två ljuskällor har samma ljusstyrka, även om de är i helt olika färger. Längs samma linjer väljs de relativa magnituderna för X-, Y- och Z-kurvorna godtyckligt för att producera lika stora ytor under kurvorna. Man skulle lika gärna kunna definiera en giltig färgrymd med en X-känslighetskurva som har dubbelt så stor amplitud. Denna nya färgrymd skulle få en annan form. Känslighetskurvorna i CIE 1931 och 1964 xyz färgrymden skalas för att ha lika stora ytor under kurvorna.
Ibland representeras XYZ-färger av luminans-, Y- och kromaticitetskoordinaterna x och y , definierade av:
- och
Matematiskt är x och y projektiva koordinater och färgerna på kromaticitetsdiagrammet upptar ett område av det verkliga projektiva planet . Eftersom CIE-känslighetskurvorna har lika stora ytor under kurvorna, motsvarar ljus med ett platt energispektrum punkten ( x , y ) = (0,333,0,333).
Värdena för X , Y och Z erhålls genom att integrera produkten av spektrumet av en ljusstråle och de publicerade färgmatchningsfunktionerna.
Additiva och subtraktiva färgmodeller
RYB färgmodell
RGB färgmodell
Medier som sänder ljus (som TV) använder additiv färgblandning med primärfärgerna rött , grönt och blått , som var och en stimulerar en av de tre typerna av ögats färgreceptorer med så lite stimulans som möjligt av de andra två . Detta kallas " RGB " färgrymd. Blandningar av ljus av dessa primära färger täcker en stor del av den mänskliga färgrymden och producerar därmed en stor del av mänskliga färgupplevelser. Det är därför färg-tv- apparater eller färgdatorskärmar bara behöver producera blandningar av rött, grönt och blått ljus. Se Additiv färg .
Andra primärfärger skulle i princip kunna användas, men med rött, grönt och blått kan den största delen av den mänskliga färgrymden fångas. Tyvärr finns det ingen exakt konsensus om vilka loci i kromaticitetsdiagrammet de röda, gröna och blå färgerna ska ha, så samma RGB-värden kan ge upphov till lite olika färger på olika skärmar.
CMY och CMYK färgmodeller
Det är möjligt att uppnå ett stort antal färger som ses av människor genom att kombinera cyan , magenta och gula transparenta färgämnen/bläck på ett vitt underlag . Dessa är de subtraktiva primärfärgerna . Ofta tillsätts ett fjärde bläck, svart , för att förbättra återgivningen av vissa mörka färger. Detta kallas "CMY" eller "CMYK" färgrymden.
Cyanbläcket absorberar rött ljus men reflekterar grönt och blått, magentabläcket absorberar grönt ljus men reflekterar rött och blått, och det gula bläcket absorberar blått ljus men reflekterar rött och grönt. Det vita substratet reflekterar det transmitterade ljuset tillbaka till betraktaren. Eftersom i praktiken CMY-bläck som lämpar sig för utskrift också reflekterar lite färg, vilket gör en djup och neutral svart omöjlig, behövs K-komponenten (svart bläck), som vanligtvis trycks sist, för att kompensera för deras brister. Användning av en separat svart bläck är också ekonomiskt driven när mycket svart innehåll förväntas, t.ex. i textmedia, för att minska samtidig användning av de tre färgade bläcken. Färgämnena som används i traditionella fotografiska färgutskrifter och diabilder är mycket mer perfekt genomskinliga, så en K-komponent behövs normalt inte eller används i dessa medier.
Cylindriska koordinerade färgmodeller
Det finns ett antal färgmodeller där färger passar in i koniska , cylindriska eller sfäriska former, med neutrala färger som går från svart till vitt längs en central axel och nyanser som motsvarar vinklar runt omkretsen. Arrangemang av denna typ går tillbaka till 1700-talet och fortsätter att utvecklas i de mest moderna och vetenskapliga modeller.
Bakgrund
Olika färgteoretiker har alla designat unika färger . Många är i form av en sfär , medan andra är skeva tredimensionella ellipsoidfigurer - dessa variationer är designade för att uttrycka någon aspekt av förhållandet mellan färgerna tydligare. Färgsfärerna som skapats av Phillip Otto Runge och Johannes Itten är typiska exempel och prototyper för många andra solida färgscheman. Modellerna av Runge och Itten är i princip identiska, och ligger till grund för beskrivningen nedan.
Rena, mättade nyanser med lika ljusstyrka är placerade runt ekvatorn vid färgsfärens periferi. Liksom i färghjulet kontrasterande (eller komplementära) nyanser placerade mitt emot varandra. När de rör sig mot mitten av färgsfären på ekvatorialplanet blir färger mindre och mindre mättade, tills alla färger möts vid den centrala axeln som en neutral grå färg . När du rör dig vertikalt i färgsfären blir färgerna ljusare (mot toppen) och mörkare (mot botten). Vid den övre polen möts alla nyanser i vitt; vid den nedre stolpen möts alla nyanser i svart.
Färgsfärens vertikala axel är alltså grå längs hela dess längd, varierande från svart längst ner till vit upptill. Alla rena (mättade) nyanser är belägna på sfärens yta, varierande från ljusa till mörka nerför färgsfären. Alla orena (omättade nyanser, skapade genom att blanda kontrasterande färger) utgör sfärens inre, likaså varierande i ljusstyrka från topp till botten.
HSL och HSV
HSL och HSV är båda cylindriska geometrier, med nyans, deras vinkeldimension, som börjar vid den röda primären vid 0°, passerar genom den gröna primären vid 120° och den blå primära vid 240°, och sedan tillbaka till röd vid 360°. I varje geometri omfattar den centrala vertikala axeln de neutrala , akromatiska eller grå färgerna, allt från svart vid ljushet 0 eller värde 0, botten, till vit vid ljushet 1 eller värde 1, toppen.
De flesta tv-apparater, datorskärmar och projektorer producerar färger genom att kombinera rött, grönt och blått ljus i olika intensiteter – de så kallade RGB - additiva primärfärgerna . Förhållandet mellan de ingående mängderna av rött, grönt och blått ljus och den resulterande färgen är dock ointuitivt, särskilt för oerfarna användare, och för användare som är bekanta med subtraktiv färgblandning av färger eller traditionella konstnärsmodeller baserade på nyanser och nyanser.
utvecklade datorgrafikpionjärer vid PARC och NYIT [ ytterligare förklaring behövs ] HSV-modellen i mitten av 1970-talet, formellt beskriven av Alvy Ray Smith i augusti 1978-numret av Computer Graphics . I samma nummer beskrev Joblove och Greenberg HSL-modellen – vars dimensioner de märkte nyans , relativ kroma och intensitet – och jämförde den med HSV. Deras modell baserades mer på hur färger organiseras och konceptualiseras i människans syn i termer av andra färgskapande attribut, såsom nyans, ljushet och färg; såväl som på traditionella färgblandningsmetoder – t.ex. i målning – som innebär att färgglada pigment blandas med svart eller vitt för att uppnå ljusare, mörkare eller mindre färgglada färger.
Följande år, 1979, på SIGGRAPH introducerade Tektronix grafikterminaler som använder HSL för färgbeteckning, och Computer Graphics Standards Committee rekommenderade det i sin årliga statusrapport. Dessa modeller var användbara inte bara för att de var mer intuitiva än råa RGB-värden, utan också för att omvandlingarna till och från RGB var extremt snabba att beräkna: de kunde köras i realtid på 1970-talets hårdvara. Följaktligen har dessa modeller och liknande blivit överallt i bildredigering och grafikprogram sedan dess.
Munsell färgsystem
En annan inflytelserik äldre cylindrisk färgmodell är Munsells färgsystem från början av 1900-talet . Albert Munsell började med ett sfäriskt arrangemang i sin bok A Color Notation från 1905 , men han ville separera färgskapande attribut i separata dimensioner, som han kallade nyans , värde och kroma , och efter att ha tagit noggranna mätningar av perceptuella svar, insåg han att ingen symmetrisk form skulle fungera, så han omorganiserade sitt system till en klumpig klump.
Munsells system blev extremt populärt, de facto-referensen för amerikanska färgstandarder – som användes inte bara för att specificera färgen på färger och kritor, utan också t.ex. elektriska trådar, öl och jordfärg – eftersom det var organiserat baserat på perceptuella mätningar, specificerade färger via en lättlärd och systematisk trippel av siffror, eftersom färgchipsen som såldes i Munsell Book of Color täckte ett brett spektrum och förblev stabila över tiden (snarare än att blekna), och eftersom de effektivt marknadsfördes av Munsell's Company . På 1940-talet Optical Society of America omfattande mätningar och justerade arrangemanget av Munsell-färger och gav ut en uppsättning "renotationer". Problemet med Munsell-systemet för datorgrafikapplikationer är att dess färger inte specificeras via någon uppsättning enkla ekvationer, utan endast via dess grundmått: i praktiken en uppslagstabell . Att konvertera från RGB ↔ Munsell kräver interpolering mellan den tabellens poster och är extremt beräkningsmässigt dyrt i jämförelse med konvertering från RGB ↔ HSL eller RGB ↔ HSV som bara kräver några enkla aritmetiska operationer.
Naturligt färgsystem
Swedish Natural Color System (NCS), flitigt använt i Europa, har ett liknande tillvägagångssätt som Ostwald-biconen till höger. Eftersom det försöker passa in färg i en välbekant formad fast substans baserad på " fenomenologiska " istället för fotometriska eller psykologiska egenskaper, lider den av några av samma nackdelar som HSL och HSV: i synnerhet skiljer sig dess ljushetsdimension från upplevd lätthet, eftersom den tvingar färgglada gula, röda, gröna och blå till ett plan.
Preucil nyanscirkel
Inom densitometri används en modell som är ganska lik den nyans som definierats ovan för att beskriva färger på CMYK-processfärger . År 1953 utvecklade Frank Preucil två geometriska arrangemang av nyans, "Preucil hue circle" och "Preucil hue hexagon", analogt med vårt H och H 2 , respektive, men definierade i förhållande till idealiserade cyan, gult och magenta bläckfärger. "Preucil nyansfel " för ett bläck indikerar skillnaden i "nyanscirkeln" mellan dess färg och nyansen för motsvarande idealiserade bläckfärg. Gråheten hos ett bläck är m / M , där m och M är minimum och maximum bland mängderna idealiserad cyan, magenta och gul i en densitetsmätning .
CIELCH uv och CIELCH ab
International Commission on Illumination (CIE) utvecklade XYZ-modellen för att beskriva färgerna i ljusspektra 1931, men dess mål var att matcha mänsklig visuell metamerism , snarare än att vara perceptuellt enhetlig, geometriskt. På 1960- och 1970-talen gjordes försök att omvandla XYZ-färger till en mer relevant geometri, påverkad av Munsell-systemet. Dessa ansträngningar kulminerade i 1976 års CIELUV- och CIELAB -modeller. Dimensionerna på dessa modeller — ( L *, u *, v *) respektive ( L *, a *, b *) — är kartesiska, baserade på motståndarens processteori om färg, men båda beskrivs också ofta med polära koordinater— ( L *, C * uv , h * uv ) respektive ( L *, C * ab , h * ab ) , där L * är ljushet, C * är färg och h * är nyansvinkel. Officiellt skapades både CIELAB och CIELUV för sina färgskillnadsmått ∆ E * ab och ∆ E * uv , särskilt för användning som definierar färgtoleranser, men båda har blivit allmänt använda som färgordningssystem och färgutseendemodeller, inklusive i datorgrafik och datorsyn. Till exempel utförs spektrummappning i ICC- färghantering vanligtvis i CIELAB-utrymmet, och Adobe Photoshop inkluderar ett CIELAB-läge för redigering av bilder. CIELAB- och CIELUV-geometrier är mycket mer perceptuellt relevanta än många andra som RGB, HSL, HSV, YUV/YIQ/YCbCr eller XYZ, men är inte perceptuellt perfekta och har i synnerhet problem med att anpassa sig till ovanliga ljusförhållanden.
HCL -färgrymden verkar vara synonymt med CIELCH.
CIECAM02
CIE:s senaste modell, CIECAM02 (CAM står för "color appearance model"), är mer teoretiskt sofistikerad och beräkningsmässigt komplex än tidigare modeller. Dess syfte är att åtgärda flera av problemen med modeller som CIELAB och CIELUV, och att förklara inte bara svar i noggrant kontrollerade experimentmiljöer, utan också att modellera färgutseendet på scener i verkligheten. Dess dimensioner J (ljushet), C (kromatografi) och h (nyans) definierar en polär koordinatgeometri.
Färgsystem
Det finns olika typer av färgsystem som klassificerar färg och analyserar deras effekter. Det amerikanska Munsell-färgsystemet utarbetat av Albert H. Munsell är en berömd klassificering som organiserar olika färger i en fast färg baserat på nyans, mättnad och värde. Andra viktiga färgsystem inkluderar Swedish Natural Color System (NCS), Optical Society of America 's Uniform Color Space (OSA-UCS) och det ungerska Coloroid- systemet utvecklat av Antal Nemcsics från Budapest University of Technology and Economics . Av dessa är NCS baserad på motståndarprocessfärgmodellen , medan Munsell, OSA-UCS och Coloroid försöker modellera färglikformighet. De amerikanska Pantone och tyska RAL kommersiella färgmatchningssystem skiljer sig från de tidigare genom att deras färgrymder inte är baserade på en underliggande färgmodell.
Andra användningsområden för "färgmodell"
Modeller av mekanism för färgseende
Vi använder också "färgmodell" för att indikera en modell eller mekanism för färgseende för att förklara hur färgsignaler bearbetas från visuella koner till ganglionceller. För enkelhetens skull kallar vi dessa modeller för färgmekanismmodeller. De klassiska färgmekanismmodellerna är Young – Helmholtz trikromatiska modell och Herings opponent -process modell . Även om dessa två teorier från början ansågs vara motstridiga, kom det senare att förstås att de mekanismer som är ansvariga för färgmotstånd tar emot signaler från de tre typerna av koner och bearbetar dem på en mer komplex nivå. En allmänt accepterad modell kallas zonmodellen. En symmetrisk zonmodell som är kompatibel med den trikromatiska teorin, opponentteorin och Smiths färgtransformeringsmodell kallas avkodningsmodellen
Vertebrats utveckling av färgseende
Ryggradsdjur var primitivt tetrakromatiska . De hade fyra typer av kottar - långa, medelstora, korta våglängder och ultraviolettkänsliga kottar. Idag är fiskar, groddjur, reptiler och fåglar alla tetrakromatiska. Placentala däggdjur förlorade både mellan- och kortvåglängdskonerna. De flesta däggdjur har alltså inte komplex färgseende - de är dikromatiska men de är känsliga för ultraviolett ljus, även om de inte kan se dess färger. Människans trikromatiska färgseende är en ny evolutionär nyhet som först utvecklades i den gemensamma förfadern till Gamla världens primater. Vårt trikromatiska färgseende utvecklades genom duplicering av den långa våglängdskänsliga opsinen , som finns på X-kromosomen. En av dessa kopior utvecklades till att vara känslig för grönt ljus och utgör vår medelvåglängdsopsin. Samtidigt utvecklades vår korta våglängds opsin från den ultravioletta opsinen från våra ryggradsdjur och däggdjursförfäder.
Människans rödgröna färgblindhet uppstår eftersom de två kopiorna av de röda och gröna opsingenerna förblir i omedelbar närhet på X-kromosomen. På grund av frekvent rekombination under meios kan dessa genpar lätt omarrangeras, vilket skapar versioner av generna som inte har distinkta spektrala känsligheter.
Se även
Anteckningar
Bibliografi
- Fairchild, Mark D. (2005). Färgutseendemodeller (2:a upplagan). Addison-Wesley. Arkiverad från originalet den 19 oktober 2013 . Hämtad 11 september 2018 . Den här boken diskuterar inte HSL eller HSV specifikt, men är en av de mest läsbara och exakta resurserna om aktuell färgvetenskap.
- Joblove, George H.; Greenberg, Donald (augusti 1978). "Färgutrymmen för datorgrafik" . Datorgrafik . 12 (3): 20–25. CiteSeerX 10.1.1.413.9004 . doi : 10.1145/965139.807362 . Joblove och Greenbergs tidning var den första som beskrev HSL-modellen, som den jämför med HSV.
- Kuehni, Rolf G. (2003). Färgrymd och dess indelningar: Färgordning från antiken till nutid . New York: Wiley. ISBN 978-0-471-32670-0 . Denna bok nämner bara kortfattat HSL och HSV, men är en omfattande beskrivning av färgordningssystem genom historien.
- Levkowitz, Haim; Herman, Gabor T. (1993). "GLHS: En generaliserad modell för ljushet, nyans och mättnadsfärg". CVGIP: Grafiska modeller och bildbehandling . 55 (4): 271–285. doi : 10.1006/cgip.1993.1019 . Denna artikel förklarar hur både HSL och HSV, såväl som andra liknande modeller, kan ses som specifika varianter av en mer allmän "GLHS"-modell. Levkowitz och Herman tillhandahåller pseudokod för konvertering från RGB till GLHS och tillbaka.
- MacEvoy, Bruce (januari 2010). "Färgsyn" . handprint.com . . Speciellt avsnitten om "Modern Color Models" och "Modern Color Theory" . MacEvoys omfattande sida om färgvetenskap och färgblandning är en av de bästa resurserna på webben. På den här sidan förklarar han färgtillverkningsattributen och de allmänna målen och historien för färgordningssystem – inklusive HSL och HSV – och deras praktiska relevans för målare.
- Smith, Alvy Ray (augusti 1978). "Färgomfångstransformationspar" . Datorgrafik . 12 (3): 12–19. doi : 10.1145/965139.807361 . Detta är originalpapperet som beskriver "hexcone"-modellen, HSV. Smith var forskare vid NYIT :s Computer Graphics Lab. Han beskriver HSV:s användning i ett tidigt digitalt målningsprogram .
externa länkar
- Illustrationer och sammanfattningar av RGB, CMYK, LAB, HSV, HSL och NCS
- Demonstrativ applet för färgkonvertering
- HSV Colors av Hector Zenil, The Wolfram Demonstrations Project .
- HSV till RGB av CodeBeautify.
| KAM | |
|---|---|
| CIE | |
| RGB | |
| YUV | |
| Övrig | |
|
Färgsystem och standarder |
|
 För synförmågan hos organismer eller maskiner, se Färgseende . | |
| Färgvetenskap |
|
 |
||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Färgfilosofi _ |
|
|||||||||
| Färgtermer |
|
|||||||||
|
Färgorganisationer _ |
||||||||||
| Listor | ||||||||||
| Nyanser av: | ||||||||||
| Relaterad | ||||||||||
