Цветовое пространство CIELAB

Стандартное цветовое пространство со значениями цветов-оппонентов

Вид сверху цветового пространства CIELAB

Вид спереди цветового пространства CIELAB

Цветовое пространство CIE 1976 ( L *, a *, b *) (CIELAB), показывающее только цвета, которые соответствуют гамме sRGB (и, следовательно, могут отображаться на типичном дисплее компьютера). Каждая ось каждого квадрата имеет диапазон от −128 до 127.

Цветовое пространство CIELAB , также называемое L*a*b* , — это цветовое пространство, определенное Международной комиссией по освещению (сокращенно CIE) в 1976 году. ^[a] Оно выражает цвет в виде трех значений: L* для воспринимаемой светлоты и a* и b* для четырех уникальных цветов человеческого зрения: красного, зеленого, синего и желтого. CIELAB было задумано как перцептивно однородное пространство, где заданное числовое изменение соответствует аналогичному воспринимаемому изменению цвета. Хотя пространство LAB не является по-настоящему перцептивно однородным, оно, тем не менее, полезно в промышленности для обнаружения небольших различий в цвете.

Подобно пространству CIEXYZ , из которого оно вытекает, цветовое пространство CIELAB является независимой от устройства моделью «стандартного наблюдателя». Цвета, которые оно определяет, не относятся ни к какому конкретному устройству, например, к монитору компьютера или принтеру, а вместо этого относятся к стандартному наблюдателю CIE , который является усреднением результатов экспериментов по сопоставлению цветов в лабораторных условиях.

Координаты

Пространство CIELAB является трехмерным и охватывает всю гамму (диапазон) восприятия цвета человеком. Оно основано на модели оппонента человеческого зрения, где красный и зеленый образуют пару оппонента, а синий и желтый образуют пару оппонента. Значение светлоты, L* (произносится как «звезда L»), определяет черный цвет как 0, а белый как 100. Ось a* относится к цветам оппонента зелено-красного цвета, с отрицательными значениями в сторону зеленого и положительными значениями в сторону красного. Ось b* представляет оппонентов синего и желтого цвета, с отрицательными числами в сторону синего и положительными в сторону желтого.

Оси a* и b* не ограничены и в зависимости от эталонного белого могут легко превышать ±150, чтобы охватить человеческий диапазон. Тем не менее, программные реализации часто ограничивают эти значения по практическим причинам. Например, если используется целочисленная математика, то обычно ограничивают a* и b* в диапазоне от −128 до 127.

CIELAB рассчитывается относительно эталонного белого цвета , для которого CIE рекомендует использовать стандартный источник света CIE D65 . ^[1] D65 используется в подавляющем большинстве отраслей и приложений, за исключением полиграфии , где используется D50. Международный консорциум по цвету в значительной степени поддерживает полиграфию и использует D50 либо с CIEXYZ, либо с CIELAB в пространстве соединений профилей для профилей ICC v2 и v4 . ^[2]

Хотя целью CIELAB было создание пространства, которое было бы более перцептивно однородным, чем CIEXYZ, используя только простую формулу ^[3] , известно, что CIELAB не обладает перцептивной однородностью , особенно в области синих оттенков. ^[4]

Значение яркости L* в CIELAB рассчитывается с использованием кубического корня относительной яркости со смещением около черного. Это приводит к эффективной кривой мощности с показателем степени приблизительно 0,43, которая представляет реакцию человеческого глаза на свет в условиях дневного света ( фотопических ).

Цветовой охват sRGB ( слева ) и видимый цветовой охват при освещении D65 ( справа ), построенные в цветовом пространстве CIELAB. a и b — горизонтальные оси; L — вертикальная ось.

Три координаты CIELAB представляют светлоту цвета ( L* = 0 дает черный, а L* = 100 указывает на белый), его положение между красным и зеленым ( a* , где отрицательные значения указывают на зеленый, а положительные значения указывают на красный) и его положение между желтым и синим ( b* , где отрицательные значения указывают на синий, а положительные значения указывают на желтый). Звездочки (*) после L* , a* и b* произносятся как star и являются частью полного названия, чтобы отличать L * a * b * от Hunter's Lab , описанной ниже.

Поскольку модель L*a*b* имеет три оси, для ее полного представления требуется трехмерное пространство. ^[5] Кроме того, поскольку каждая ось нелинейна, невозможно создать двумерную диаграмму цветности. Кроме того, визуальные представления, показанные на графиках полной гаммы CIELAB на этой странице, являются приблизительными, поскольку монитор не может отображать полную гамму цветов LAB.

Каналы оппонента зелено-красный и сине-желтый относятся к процессу оппонента цвета зрительной системы человека. Это делает CIELAB цветовым пространством оппонента Геринга . Природа преобразований также характеризует его как цветовое пространство хроматических значений .

Различия в восприятии

Нелинейные отношения для L* , a* и b* предназначены для имитации нелинейной реакции зрительной системы. Кроме того, равномерные изменения компонентов в цветовом пространстве L*a*b* стремятся соответствовать равномерным изменениям в воспринимаемом цвете, поэтому относительные перцептивные различия между любыми двумя цветами в L*a*b* могут быть аппроксимированы путем рассмотрения каждого цвета как точки в трехмерном пространстве (с тремя компонентами: L* , a* , b* ) и взятия евклидова расстояния между ними. ^[6]

Преобразования RGB и CMYK

Для преобразования значений RGB или CMYK в или из L*a*b* данные RGB или CMYK должны быть линеаризованы относительно света. Должен быть известен опорный источник света данных RGB или CMYK, а также основные координаты RGB или опорные данные принтера CMYK в форме таблицы поиска цветов (CLUT).

В системах управления цветом профили ICC содержат необходимые данные, которые затем используются для выполнения преобразований.

Диапазон координат

Как упоминалось ранее, координата L * номинально находится в диапазоне от 0 до 100. Диапазон координат a * и b * технически не ограничен, хотя он обычно ограничивается диапазоном от −128 до 127 для использования с целочисленными кодовыми значениями, хотя это приводит к потенциальному отсечению некоторых цветов в зависимости от размера исходного цветового пространства. Большой размер гаммы и неэффективное использование координатного пространства означают, что лучше всего использовать значения с плавающей точкой для всех трех координат.

Преимущества

В отличие от цветовых моделей RGB и CMYK , CIELAB разработан для приближения к человеческому зрению. Компонент L* близко соответствует человеческому восприятию светлоты, хотя он не учитывает эффект Гельмгольца-Кольрауша . CIELAB менее однороден по цветовым осям, но полезен для прогнозирования небольших различий в цвете.

Координатное пространство CIELAB представляет собой всю гамму человеческого фотопического (дневного) зрения и значительно превосходит гамму для sRGB или CMYK. В целочисленной реализации, такой как TIFF, ICC или Photoshop, большое координатное пространство приводит к существенной неэффективности данных из-за неиспользуемых кодовых значений. Только около 35% доступных кодовых значений координат находятся внутри гаммы CIELAB с целочисленным форматом. ^[7]

Использование CIELAB в 8-битном на канал целочисленном формате обычно приводит к значительным ошибкам квантования. Даже 16-битный на канал может привести к отсечению, поскольку полная гамма выходит за пределы ограничивающего координатного пространства. В идеале CIELAB следует использовать с данными с плавающей точкой, чтобы минимизировать очевидные ошибки квантования.

Стандарты и документы CIE защищены авторским правом CIE и должны быть приобретены; однако формулы для CIELAB доступны на веб-сайте CIE. ^[8]

Преобразование между координатами CIELAB и CIEXYZ

От CIEXYZ к CIELAB

${\displaystyle {\begin{aligned}L^{\star }&=116\,f{{\bigl (}Y/Y_{\mathrm {n} }{\bigr )}}-16,\\[5mu]a^{\star }&=500{\bigl (}f(X/X_{\mathrm {n} })-f(Y/Y_{\mathrm {n} }){\bigr )}\\[5mu]b^{\star }&=200{\bigl (}f(Y/Y_{\mathrm {n} })-f(Z/Z_{\mathrm {n} }){\bigr )}\end{aligned}}}$

где t — это или : ${\displaystyle X/X_{\mathrm {n} },}$ ${\displaystyle Y/Y_{\mathrm {n} },}$ ${\displaystyle Z/Z_{\mathrm {n} }}$

${\displaystyle {\begin{aligned}f(t)&={\begin{cases}{\sqrt[{3}]{t}}&{\text{if }}t>\delta ^{3}\\[4mu]{\tfrac {1}{3}}t\delta ^{-2}+{\tfrac {4}{29}}&{\text{otherwise}}\end{cases}}\\\delta &={\tfrac {6}{29}}\end{aligned}}}$

X , Y и Z описывают рассматриваемый цветовой стимул, а X _n , Y _n , Z _n описывают указанный белый ахроматический эталонный источник света. Для стандартного колориметрического наблюдателя CIE 1931 (2°) и при условии нормализации, когда эталонный белый имеет Y = 100 , значения следующие:

Для стандартного источника света D65 :

${\displaystyle {\begin{aligned}X_{\mathrm {n} }&=95.0489,\\Y_{\mathrm {n} }&=100,\\Z_{\mathrm {n} }&=108.8840\end{aligned}}}$

Для осветителя D50 , который используется в полиграфической промышленности:

${\displaystyle {\begin{aligned}X_{\mathrm {n} }&=96.4212,\\Y_{\mathrm {n} }&=100,\\Z_{\mathrm {n} }&=82.5188\end{aligned}}}$

Разделение области функции f на две части было сделано для предотвращения бесконечного наклона при t = 0. Предполагалось, что функция f является линейной ниже некоторого t = t ₀ и что она совпадает с частью функции при t ₀ как по значению, так и по наклону. Другими словами: ${\displaystyle {\sqrt[{3}]{t}}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\sqrt[{3}]{t_{0}}}&=mt_{0}+c&{\text{ (match in value)}}\\[3mu]{\tfrac {1}{3}}\left(t_{0}\right)^{-2/3}&=m&{\text{ (match in slope)}}\end{aligned}}}$

Точка пересечения f (0) = c была выбрана таким образом, чтобы L * была равна 0 при Y = 0 : c = ⁠16/116⁠ = ⁠4/29⁠ . Два приведенных выше уравнения можно решить относительно m и t ₀ :

${\displaystyle {\begin{aligned}m&={\tfrac {1}{3}}\delta ^{-2}&=7.787037\ldots \\t_{0}&=\delta ^{3}&=0.008856\ldots \end{aligned}}}$

где δ = ⁠6/29⁠ . ^[9]

^[10]

От CIELAB к CIEXYZ

Обратное преобразование проще всего выразить с помощью обратной функции f , приведенной выше:

${\displaystyle {\begin{aligned}X&=X_{\mathrm {n} }f^{-1}\left({\frac {L^{\star }+16}{116}}+{\frac {a^{\star }}{500}}\right)\\Y&=Y_{\mathrm {n} }f^{-1}\left({\frac {L^{\star }+16}{116}}\right)\\Z&=Z_{\mathrm {n} }f^{-1}\left({\frac {L^{\star }+16}{116}}-{\frac {b^{\star }}{200}}\right)\\\end{aligned}}}$

где

${\displaystyle f^{-1}(t)={\begin{cases}t^{3}&{\text{if }}t>\delta \\3\delta ^{2}\left(t-{\tfrac {4}{29}}\right)&{\text{otherwise}}\end{cases}}}$

и где δ = ⁠6/29⁠ .

Цилиндрическая модель

Цветовой охват sRGB ( слева ) и видимый цветовой охват при освещении D65 ( справа ), построенные в цветовом пространстве CIELCHab. L — вертикальная ось; C — радиус цилиндра; h — угол по окружности.

Пространство «CIELCh» или «CIEHLC» — это цветовое пространство на основе CIELAB, которое использует полярные координаты C * ( цветность , относительная насыщенность) и h ° (угол оттенка, угол оттенка в цветовом круге CIELAB) вместо декартовых координат a * и b *. Яркость CIELAB L* остается неизменной.

Преобразование a * и b * в C * и h ° выполняется следующим образом:

${\displaystyle C^{\star }={\sqrt {{a^{*}}^{2}+{b^{*}}^{2}}},\qquad h^{\circ }=\operatorname {atan} \left({b^{*}}/{a^{*}}\right)}$

Наоборот, если заданы полярные координаты , преобразование в декартовы координаты достигается с помощью:

${\displaystyle a^{\star }=C^{\star }\cos(h^{\circ }),\qquad b^{\star }=C^{\star }\sin(h^{\circ })}$

Цветовое пространство LCh (или HLC) не то же самое, что цветовые модели HSV, HSL или HSB, хотя их значения также можно интерпретировать как базовый цвет, насыщенность и яркость цвета. Значения HSL представляют собой полярное координатное преобразование того, что технически определяется как кубическое цветовое пространство RGB. LCh по-прежнему воспринимается однородно .

L — вертикальная ось; C — радиус цилиндра; h — угол по окружности.

Далее, H и h не идентичны, поскольку пространство HSL использует в качестве основных цветов три аддитивных основных цвета: красный, зеленый и синий ( H = 0, 120, 240°). Вместо этого система LCh использует четыре цвета: красный, желтый, зеленый и синий ( h = 0, 90, 180, 270°). Независимо от угла h , C = 0 означает ахроматические цвета (ненасыщенные), то есть серую ось.

Упрощенные написания LCh, LCh(ab), LCH, LCH(ab) и HLC являются распространенными, но буква представляет другой порядок. Цветовое пространство HCL (оттенок-цветность-яркость), с другой стороны, является широко используемым альтернативным названием для цветового пространства L*C*h(uv) , также известного как цилиндрическое представление или полярное CIELUV . Это название обычно используют специалисты по визуализации информации , которые хотят представить данные без смещения, подразумеваемого при использовании переменной насыщенности . ^{[11] [12]} Название Lch(ab) иногда используется для отличия от L*C*h(uv).

Другие родственные цветовые пространства

Родственное цветовое пространство, цветовое пространство CIE 1976 L * u * v * (также известное как CIELUV ), сохраняет тот же L*, что и L*a*b*, но имеет другое представление компонентов цветности. CIELAB и CIELUV также могут быть выражены в цилиндрической форме (CIELCh ab ^[13] и CIELCh _uv , соответственно), с компонентами цветности, замененными коррелятами цветности и оттенка .

С момента работы над CIELAB и CIELUV CIE включила все большее количество явлений цветового восприятия в свои модели и дифференциальные уравнения, чтобы лучше предсказать восприятие цвета человеком. Эти модели цветового восприятия , простым примером которых является CIELAB, ^[14] достигли кульминации в CIECAM02 .

Oklab построен на той же пространственной структуре и обеспечивает большую однородность восприятия.

Использование

Некоторые системы и программные приложения, поддерживающие CIELAB, включают:

• CIELAB используется спектрофотометрами Datacolor , включая соответствующие расчеты разницы цветов .
• CIELAB используется библиотекой PantoneLive.
• CIELAB широко используется компанией XRite в качестве цветового пространства в ее аппаратных и программных системах измерения цвета.
• CIELAB D50 доступен в Adobe Photoshop , где он называется «Lab mode». ^{[15] [16]}
• CIELAB доступен в Affinity Photo путем изменения формата цвета документа на "Lab (16 бит)". Белая точка , которая по умолчанию равна D50 , может быть изменена с помощью профиля ICC .
• CIELAB D50 доступен в профилях ICC как пространство соединения профилей под названием «Цветовое пространство Lab». ^[2]
• CIELAB (любая белая точка) — поддерживаемое цветовое пространство в файлах изображений TIFF . ^[17]
• CIELAB (любая белая точка) доступна в документах PDF , где она называется «цветовое пространство Lab». ^{[18] [19]}
• CIELAB — это опция в цифровом измерителе цвета на macOS, описываемая как «L*a*b*».
• CIELAB доступен в фоторедакторе RawTherapee , где он называется «цветовое пространство Lab». ^[20]
• CIELAB используется GIMP для фильтра регулировки оттенка-цветности, fuzzy-select и paint-bucket. Также есть LCh(ab) color picker. ^[21]
• Поддержка CIELAB в веб-браузерах была введена как часть CSS Color Module Level 4 и поддерживается всеми основными браузерами. ^{[22] [23]}

Лаборатория Хантера

Hunter Lab (также известное как Hunter L,a,b) — это цветовое пространство, определенное в 1948 году ^{[24] [25]} Ричардом С. Хантером . Оно было разработано для вычисления с помощью простых формул из пространства CIEXYZ , но для большей перцептивной однородности. Хантер назвал свои координаты L , a и b .

Hunter Lab была предшественником CIELAB , созданной в 1976 году Международной комиссией по освещению (CIE), которая назвала координаты для CIELAB как L* , a* , b*, чтобы отличать их от координат Хантера. ^{[26] [27]}

Смотрите также

• Теория цвета
• Процесс оппонента
• HSL и HSV
• Цветовая модель RGB
• Цветовая модель CMYK
• CIELUV
• CIECAM02
• Цветовое пространство HCL
• Цветовое пространство Oklab

Примечания

1. Следует избегать упоминания CIELAB как «Lab» без звездочек, чтобы избежать путаницы с Hunter Lab .

Ссылки

1. CIE Colorimetry 15 (Третье изд.). CIE. 2004. ISBN 3-901-906-33-9.
2. Международный консорциум по цвету, Спецификация ICC.1:2004-10 (Версия профиля 4.2.0.0) Управление цветом в технологии обработки изображений — Архитектура, формат профиля и структура данных, (2006).
3. МакЭвой, Брюс. «Объяснение этой истории».
4. Обсуждение и предлагаемое улучшение, Брюс Линдблум
5. 3D-изображения гаммы L*a*b*, Брюс Линдблум.
6. Джейн, Анил К. (1989). Основы цифровой обработки изображений . Нью-Джерси, Соединенные Штаты Америки: Prentice Hall . С. 68, 71, 73. ISBN 0-13-336165-9.
7. "LAB Integer Gamut — Брюс Линдблум". brucelindbloom.com . Получено 12.12.2020 .
8. "Формула CIELAB". Список терминов CIE . Получено 2024-05-10 .
9. Янош Шанда (2007). Колориметрия. Уайли-Интерсайенс. п. 61. ИСБН 978-0-470-04904-4.
10. "CIE 1976 L*a*b* colour space | eilv". eilv.cie.co.at . Архивировано из оригинала 2019-12-28 . Получено 2020-12-12 .
11. Zeileis, Achim; Hornik, Kurt; Murrell, Paul (2009). «Выход из RGBland: выбор цветов для статистической графики» (PDF) . Computational Statistics & Data Analysis . 53 (9): 3259–3270. doi :10.1016/j.csda.2008.11.033.
12. Штауффер, Рето; Майр, Георг Дж.; Даберниг, Маркус; Цайлейс, Ахим (2015). «Где-то над радугой: как эффективно использовать цвета в метеорологических визуализациях» (PDF) . Бюллетень Американского метеорологического общества . 96 (2): 203–216. Bibcode : 2015BAMS...96..203S. doi : 10.1175/BAMS-D-13-00155.1. hdl : 10419/101098 .
13. Цветовая шкала CIE-L*C*h
14. Фэрчайлд, Марк Д. (2005). "Модели цветового и визуального восприятия". Модели цветового восприятия . John Wiley and Sons. стр. 340. ISBN 0-470-01216-1.
15. Маргулис, Дэн (2006). Photoshop Lab Color: The Canyon Conundrum and Other Adventures in the Most Powerful Colorspace . Беркли, Калифорния: Лондон: Peachpit; Pearson Education. ISBN 0-321-35678-0.
16. Цветовой режим Lab в Photoshop, Adobe TechNote 310838
17. TIFF: Версия 6.0 Архивировано 15 августа 2000 г. в Wayback Machine Adobe Developers Association, 1992 г.
18. Цветовая согласованность и Adobe Creative Suite. Архивировано 25 июля 2008 г. на Wayback Machine.
19. Руководство пользователя Adobe Acrobat Reader 4.0 «Цветовая модель, используемая Acrobat Reader, называется CIELAB…»
20. "Lab Adjustments - RawPedia". rawpedia.rawtherapee.com . Получено 2018-05-08 .
21. "2.6. Больше использования CIE LAB и CIE LCH". docs.gimp.org .
22. "Цветовой модуль уровня 4". w3.org . Получено 2023-10-06 .
23. "lab() - CSS: каскадные таблицы стилей MDN". developer.mozilla.org . Получено 2023-10-06 .
24. Хантер, Ричард Сьюэлл (июль 1948 г.). «Фотоэлектрический измеритель цветового различия». JOSA . 38 (7): 661.(Материалы зимнего заседания Оптического общества Америки)
25. Хантер, Ричард Сьюэлл (декабрь 1948 г.). «Точность, достоверность и стабильность нового фотоэлектрического измерителя разницы цветов». JOSA . 38 (12): 1094.(Материалы тридцать третьего ежегодного заседания Оптического общества Америки)
26. Хантер, Ричард Сьюэлл (июль 1948 г.). «Фотоэлектрический измеритель цветового различия». JOSA . 38 (7): 661.(Материалы зимнего заседания Оптического общества Америки)
27. Хантер, Ричард Сьюэлл (декабрь 1948 г.). «Точность, достоверность и стабильность нового фотоэлектрического измерителя разницы цветов». JOSA . 38 (12): 1094.(Материалы тридцать третьего ежегодного заседания Оптического общества Америки)

Внешние ссылки

• Демонстрационный апплет преобразования цвета
• CIE Colorimetry 15-3 Технический отчет CIE Colorimetry 15 третье издание (2004). Авторитетный справочник.
• Технический документ по пониманию цвета от X-rite.