Легкость

Свойство цвета

Три оттенка в цветовой модели Munsell . Каждый цвет различается по значению сверху вниз в равных шагах восприятия. Правый столбец претерпевает резкое изменение воспринимаемого цвета.

Легкость – это визуальное восприятие яркости объекта. Его часто оценивают по отношению к аналогично освещенному объекту. В колориметрических моделях и моделях внешнего вида цвета яркость — это прогноз того, как освещенный цвет будет выглядеть стандартному наблюдателю. В то время как яркость — это линейное измерение света, яркость — это линейный прогноз человеческого восприятия этого света. ${\displaystyle (L)}$

Это различие имеет смысл, поскольку восприятие света человеческим зрением нелинейно относительно света. Удвоение количества света не приводит к удвоению воспринимаемой легкости, а лишь к небольшому увеличению.

Символ воспринимаемой легкости обычно используется либо в CIECAM02 , либо в CIELAB и CIELUV . («Lstar») не следует путать с показателем яркости. В некоторых системах упорядочения цветов, таких как Munsell , яркость упоминается как ценность . ${\displaystyle J}$ ${\displaystyle L^{*}}$ ${\displaystyle L^{*}}$ ${\displaystyle L}$

И светотень , и тенебризм используют драматические контрасты ценностей, чтобы усилить драматизм в искусстве. Художники также могут использовать затенение , тонкую манипуляцию со значением.

Легкость в разных цветовых пространствах

В некоторых цветовых пространствах или цветовых системах, таких как Munsell, HCL и CIELAB, яркость (значение) ахроматически ограничивает максимальный и минимальный пределы и действует независимо от оттенка и цветности . Например, значение Манселла 0 — чисто черный, а значение 10 — чисто белый. Поэтому цвета с различимым оттенком должны иметь значения между этими крайностями.

В субтрактивной цветовой модели (например, краска, краситель или чернила) изменение светлоты цвета посредством различных оттенков, теней или тонов может быть достигнуто путем добавления белого, черного или серого цвета соответственно. Это также снижает насыщенность .

В HSL и HSV отображаемая яркость зависит от оттенка и цветности для данного значения яркости, другими словами, выбранное значение яркости не предсказывает ни фактическую отображаемую яркость, ни ее восприятие. Обе системы используют тройки координат, где многие тройки могут отображаться в один и тот же цвет.

В HSV все тройки со значением 0 чисто черные. Если оттенок и насыщенность остаются постоянными, то увеличение значения увеличивает яркость, так что значение 1 соответствует самому светлому цвету с заданным оттенком и насыщенностью. HSL аналогичен, за исключением того, что все тройки с яркостью 1 чисто белые. В обеих моделях все чистые насыщенные цвета обозначают одинаковую яркость или значение, но это не относится к отображаемой яркости, которая определяется оттенком. Т.е. желтый имеет более высокую яркость, чем синий, даже если значение яркости установлено на заданное число.

Хотя HSL, HSV и подобные пространства служат достаточно хорошо для выбора или настройки одного цвета, они не являются единообразными по восприятию. Они жертвуют точностью ради простоты вычислений, поскольку были созданы в эпоху, когда производительность компьютерных технологий была ограничена. ^[1]

Если мы возьмем изображение и извлечем компоненты оттенка, насыщенности и яркости или значений для данного цветового пространства , мы увидим, что они могут существенно отличаться от другого цветового пространства или модели. Например, изучите следующие изображения огнедышащего ( рис. 1 ). Оригинал находится в цветовом пространстве sRGB. CIELAB — это прогнозирование однородной по восприятию яркости, которое получается на основе яркости , но отбрасывает и цветового пространства CIE XYZ . Обратите внимание, что по воспринимаемой светлоте это изображение похоже на исходное цветное изображение. Яркость — это гамма-кодированный компонент яркости некоторых систем кодирования видео, таких как и . Он примерно похож, но отличается высокой цветностью, больше всего отклоняясь от ахроматического сигнала, такого как линейная яркость или нелинейная яркость . HSL и HSV не являются ни единообразными по восприятию, ни по яркости. ${\displaystyle L^{*}}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle X}$ ${\displaystyle Z}$ ${\displaystyle (Y^{\prime })}$ ${\displaystyle (Y^{\prime }IQ)}$ ${\displaystyle (Y^{\prime }UV)}$ ${\displaystyle Y}$ ${\displaystyle L^{*}}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle V}$

Связь со значением и относительной яркостью

Значение Манселла уже давно используется в качестве шкалы восприятия однородной яркости. Интересен вопрос о взаимосвязи между шкалой значений Манселла и относительной яркостью . Зная о законе Вебера-Фехнера , Альберт Манселл заметил: «Должны ли мы использовать логарифмическую кривую или кривую квадратов?» ^[2] Ни один из вариантов не оказался вполне правильным; в конечном итоге ученые пришли к кривой примерно с кубическим корнем, соответствующей степенному закону Стивенса для восприятия яркости и отражающему тот факт, что легкость пропорциональна количеству нервных импульсов на нервное волокно в единицу времени. ^[3] Оставшаяся часть этого раздела представляет собой хронологию моделей легкости, ведущих к CIECAM02 .

Примечание. – V Манселла принимает значения от 0 до 10, тогда как Y обычно составляет от 0 до 100 (часто интерпретируется как процент). Обычно относительная яркость нормализуется так, что «эталонный белый цвет» (скажем, оксид магния ) имеет трехцветное значение Y = 100 . Поскольку коэффициент отражения оксида магния (MgO) относительно идеального отражающего рассеивателя составляет 97,5%, V = 10 соответствует Y =100/97,5% ≈ 102,6, если в качестве эталона используется MgO. ^[4]

Обратите внимание, что яркость составляет 50% при относительной яркости около 18% относительно эталонного белого.

1920 год

Ирвин Прист , Кассон Гибсон и Гарри МакНиколас приводят базовую оценку значения Манселла ( в данном случае Y от 0 до 1): ^[5]

${\displaystyle V=10{\sqrt {Y}}.}$

1933 год

Александр Манселл, Луиза Слоан и Исаак Годлав запускают исследование шкалы нейтральных значений Манселла, рассматривая несколько предложений, связывающих относительную яркость со значением Манселла, и предлагают: ^{[6] [7]}

${\displaystyle V^{2}=1.4742Y-0.004743Y^{2}.}$

1943 год

Сидни Ньюхолл, Дороти Никерсон и Дин Джадд готовят отчет для Оптического общества Америки (OSA) о ренотации Манселла. Они предлагают параболу пятой степени (связывающую коэффициент отражения через величину): ^[8]

${\displaystyle Y=1.2219V-0.23111V^{2}+0.23951V^{3}-0.021009V^{4}+0.0008404V^{5}.}$

1943 год

Используя Таблицу II отчета OSA, Парри Мун и Домина Спенсер выражают значение через относительную яркость: ^[9]

${\displaystyle V=5\left({\frac {Y}{19.77}}\right)^{0.426}=1.4Y^{0.426}.}$

1944 год

Джейсон Сондерсон и Б.И. Милнер вводят в предыдущее выражение вычитающую константу для лучшего соответствия значению Манселла. ^[10] Позже Доротея Джеймсон и Лео Хурвич утверждают, что это корректирует одновременные контрастные эффекты . ^{[11] [12]}

${\displaystyle V=2.357Y^{0.343}-1.52.}$

1955 год

Лэдд и Пинни из Eastman Kodak заинтересованы в значении Манселла как в воспринимаемой однородной шкале яркости для использования на телевидении . После рассмотрения одной логарифмической и пяти степенных функций (согласно степенному закону Стивенса ) они связывают значение с отражательной способностью, возводя отражательную способность в степень 0,352: ^[13]

${\displaystyle V=2.217Y^{0.352}-1.324.}$

Понимая, что это очень близко к корню куба , они упрощают его до:

${\displaystyle V=2.468{\sqrt[{3}]{Y}}-1.636.}$

1958 год

Глассер и др. определите яркость как десятикратное значение Манселла (так, чтобы яркость находилась в диапазоне от 0 до 100): ^[14]

${\displaystyle L^{\star }=25.29{\sqrt[{3}]{Y}}-18.38.}$

1964 год

Гюнтер Выжецкий упрощает это: ^[15]

${\displaystyle W^{\star }=25{\sqrt[{3}]{Y}}-17.}$

Эта формула аппроксимирует функцию значения Манселла для 1% < Y < 98 % (она неприменима для Y < 1 % ) и используется для цветового пространства CIE 1964 .

1976 год

CIELAB использует следующую формулу:

${\displaystyle L^{\star }=116\left({\frac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}\right)^{\frac {1}{3}}-16.}$

где Y _n — трехцветное значение CIE XYZ Y эталонной точки белого (нижний индекс n предполагает «нормализованное») и на него распространяется ограничениеДа/_да н> 0,01 . Паули снимает это ограничение, вычисляя линейную экстраполяцию , которая отображаетДа/_да нот = 0 до L * = 0 и касается приведенной выше формулы в точке, в которой линейное расширение вступает в силу. Сначала определяется точка перехода.Да/_да н"="6/29) ³ ≈ 0,008856 , то наклон (29/3) ³ ≈ 903,3 . Это дает двухчастную функцию: ^[16]

${\displaystyle f(t)={\begin{cases}t^{\frac {1}{3}}&{\text{if }}t>\left({\frac {6}{29}}\right)^{3}\\{\frac {1}{3}}\left({\frac {29}{6}}\right)^{2}t+{\frac {4}{29}}&{\text{otherwise}}\end{cases}}}$

Тогда легкость:

${\displaystyle L^{\star }=116f\left({\frac {Y}{Y_{\mathrm {n} }}}\right)-16.}$

На первый взгляд, вы можете аппроксимировать функцию легкости кубическим корнем — приближение, которое встречается в большей части технической литературы. Однако линейный сегмент рядом с черным имеет значение, как и коэффициенты 116 и 16. Наиболее подходящая чистая степенная функция имеет показатель степени около 0,42, что далеко от1/3. ^[17] Серая карта с примерно 18% содержанием серого цвета , имеющая точный коэффициент отражения (33/58) ³ имеет значение яркости 50. Он называется « средне-серым », потому что его светлота находится посередине между черным и белым.

1997 год

Еще в 1967 г. у рыб была обнаружена гиперболическая связь между интенсивностью света и реакцией колбочек в соответствии с кинетической моделью биохимических реакций Михаэлиса-Ментен . ^[18] В 70-е годы такая же зависимость 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/В ~ 1 + (σ/I) ^0,74

где V — измеренный потенциал, I — интенсивность света, а σ — константа. В 1986 году Сейм и Вальберг поняли, что эти отношения могут помочь в создании более однородного цветового пространства. ^[20] Это вдохновило на развитие цветового моделирования, и когда Международная комиссия по освещению провела симпозиум в 1996 году, были сформулированы цели для новой стандартной цветовой модели, а в 1997 году CIECAM97 (Международная комиссия по освещению, модель цветового восприятия, 1997, простая версия) был стандартизирован. ^[21] CIECAM97 проводит различие между яркостью (насколько светлым кажется что-то по сравнению с аналогичным образом освещенным белым объектом) и яркостью (сколько света исходит от чего-либо). ^[22] Согласно CIECAM97, 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 было выбрано таким образом, что:

${\displaystyle {\text{cz}}={\frac {1+{\sqrt {n}}}{1+{\sqrt {\frac {1}{5}}}}}}$

Это моделирует то, что образец будет выглядеть темнее на светлом фоне, чем на темном. См. эффект контраста для получения дополнительной информации по этой теме. Когда n =1/5, cz = 1, что соответствует предположению, что большинство сцен имеют среднюю относительную яркость1/5по сравнению с ярко-белым, и поэтому образец в таком окружении должен восприниматься с должной яркостью. Величина A моделирует реакцию ахроматического конуса; это зависит от цвета, но для серого образца при ярком освещении это выглядит так:

${\displaystyle {\frac {\text{A}}{{\text{N}}_{\text{bb}}}}={\frac {122}{1+2{\Bigl (}{\tfrac {1}{10}}Y{\sqrt[{3}]{5L_{A}}}{\Bigr )}^{-0.73}}}+1}$

N _bb — коэффициент ложности, который обычно равен 1; это вызывает беспокойство только при сравнении оценок яркости, основанных на немного разных эталонных белых тонах.

Здесь Y — относительная яркость по сравнению с белым по шкале от 0 до 1, а L _A — средняя яркость адаптирующегося поля зрения в целом, измеренная в кд/м ² . Ахроматическая реакция следует своего рода S-образной кривой в диапазоне от 1 до 123, числа, которые следуют из способа усреднения ответов колбочек и которые в конечном итоге основаны на грубой оценке полезного диапазона нервных импульсов в секунду. довольно большой промежуточный диапазон, где он примерно соответствует кривой квадратного корня. Тогда яркость согласно CIECAM97 составит:

Q = (1,24/c) (J/100) ^0,67 (А _белый + 3) ^0,9

Коэффициент 1,24/c — это коэффициент объемного звучания, который показывает, что сцены кажутся ярче в темных окружающих условиях. Также были сформулированы предложения по более полной модели CIECAM97C, чтобы учесть несколько эффектов в очень темных или ярких условиях, цветное освещение, а также эффект Гельмгольца-Кольрауша , когда высокохроматические образцы 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 рассчитывается на основе J _HK , а не на основе J. Эта формула повышает яркость и яркость цветных образцов. Чем больше цветность, тем сильнее эффект; для очень насыщенных цветов C может приближаться к 100 и даже выше. Абсолютный синусоидальный член имеет резкую V-образную впадину с нулем в желтом цвете и широкое плато в темно-синем цвете. ^[23]

2002 г.

Ахроматический ответ в CIECAM97 представляет собой взвешенное сложение ответов колбочек минус 2,05. Поскольку сумма общего шума составляет 3,05, это означает, что A и, следовательно, J и Q не равны нулю для абсолютно черного цвета. Чтобы исправить это, Ли, Луо и Хант предложили вместо этого вычесть 3,05, чтобы шкала начиналась с нуля. ^[24] Хотя CIECAM97 была успешной моделью для стимулирования и направления колориметрических исследований, Фэйрчайлд считал, что для практического применения необходимы некоторые изменения. Те, что имели отношение к расчетам легкости, заключались в том, чтобы вместо использования нескольких дискретных значений для коэффициента объемного окружения c разрешить линейную интерполяцию c и тем самым позволить использовать модель в промежуточных условиях объемного окружения, а также упростить z, чтобы исключить особый случай для больших стимулы, потому что он чувствовал, что это не имеет значения для приложений визуализации. ^[25] Основываясь на экспериментальных результатах, Хант, Ли, Хуан и Луо предложили ряд улучшений. Для рассматриваемой темы актуально то, что они предложили немного снизить z. ^[26] Ли и Луо обнаружили, что цветовое пространство, основанное на такой модифицированной CIECAM97, использующей яркость в качестве одной из координат, было более единообразным по восприятию, чем CIELAB. ^[27]

Из-за формы S-кривой отклика колбочки, когда яркость цвета снижается, даже если его спектральный состав остается прежним, различные отклики колбочек не изменяются с одинаковой скоростью по отношению друг к другу. Поэтому вполне вероятно, что воспринимаемый оттенок и насыщенность будут меняться при низких уровнях яркости. Но CIECAM97 предсказывает гораздо большие отклонения, чем обычно считается вероятным, и поэтому Хант, Ли и Луо предложили использовать кривую реакции конуса, которая аппроксимирует кривую мощности для гораздо большего диапазона стимулов, поэтому оттенок и насыщенность сохраняются лучше. ^[28]

Все эти предложения, а также другие, касающиеся цветности, привели к созданию новой модели цветового оформления CIECAM02. В этой модели формула легкости остается прежней:

J = 100 ( _{Образец} / _Белый ) ^cz

Но все величины, входящие в эту формулу, каким-то образом изменяются. Параметр c теперь является бесступенчатым, как обсуждалось выше, и z = 1,48 + √n. Хотя в CIECAM97 это значение выше, чем z, общий эффективный коэффициент мощности очень похож, поскольку эффективный коэффициент мощности ахроматического отклика намного ниже:

${\displaystyle {\frac {\text{A}}{{\text{N}}_{\text{bb}}}}={\frac {1220}{1+{\frac {27.13}{\left({\frac {{\sqrt[{3}]{5{\text{L}}_{\text{A}}}}{\text{Y}}}{10}}\right)^{0.42}}}}}}$

Как и раньше, эта формула предполагает яркие условия. За исключением 1220, которое является результатом произвольно принятой константы отклика конуса, различные константы в CIECAM02 были адаптированы к наборам экспериментальных данных. Выражение для яркости также значительно изменилось:

${\displaystyle Q={\frac {4}{c}}{\frac {\sqrt {J}}{10}}(A_{white}+4)\left({\frac {\sqrt[{3}]{5L_{A}}}{10}}\right)^{0.25}}$

Обратите внимание, что в отличие от предложения CIECAM97C, CIECAM02 не содержит положений об эффекте Гельмгольца-Кольрауша. ^{[29] [30]}

Другие психологические эффекты

Это субъективное восприятие яркости нелинейным образом — одна из причин, которая делает гамма-сжатие изображений целесообразным. Помимо этого явления существуют и другие эффекты, связанные с восприятием легкости. Цветность может влиять на воспринимаемую легкость, что описывается эффектом Гельмгольца-Кольрауша . Хотя пространство CIELAB и его родственники не учитывают это влияние на яркость, это может подразумеваться в цветовой модели Манселла. Уровни освещенности также могут влиять на воспринимаемую цветность, как в случае с эффектом Пуркинье .

Смотрите также

• Яркость
• Оттенок, оттенок и тон

Рекомендации

1. Большинство приведенных ниже недостатков перечислены в «Техническом введении в цифровое видео» (1996) Чарльза Пойнтона , но в виде простых утверждений, без примеров.
2. Куени, Рольф Г. (февраль 2002 г.). «Раннее развитие системы Манселла». Исследование и применение цвета . 27 (1): 20–27. дои : 10.1002/col.10002.
3. Хант, Роберт У.Г. (18 мая 1957 г.). «Энергия света и ощущение яркости». Природа . 179 (4568): 1026. Бибкод : 1957Natur.179Q1026H. дои : 10.1038/1791026a0 . ПМИД  13430776.
4. Вальберг, Арне (2006). Светлый цвет видения. Джон Уайли и сыновья. п. 200. ИСБН 978-0470849026.
5. Священник, Ирвин Г.; Гибсон, Канзас; МакНиколас, HJ (сентябрь 1920 г.). «Исследование цветовой системы Манселла. I: Спектральное и полное отражение и шкала ценностей Манселла». Технический документ 167 (3). Бюро стандартов США: 27.
6. Манселл, AEO; Слоан, LL; Годлав, штат Иллинойс (ноябрь 1933 г.). «Нейтральные шкалы ценностей. Шкала нейтральных ценностей И. Манселла». ДЖОСА . 23 (11): 394–411. дои : 10.1364/JOSA.23.000394. Примечание. Эта статья содержит исторический обзор, относящийся к 1760 году.
7. Манселл, AEO; Слоан, LL ; Годлав, штат Иллинойс (декабрь 1933 г.). «Нейтральные шкалы ценностей. II. Сравнение результатов и уравнений, описывающих шкалы ценностей». ДЖОСА . 23 (12): 419–425. дои : 10.1364/JOSA.23.000419.
8. Ньюхолл, Сидни М.; Никерсон, Дороти; Джадд, Дин Б. (май 1943 г.). «Окончательный отчет подкомитета OSA о расстоянии между цветами Манселла». Журнал Оптического общества Америки . 33 (7): 385–418. дои : 10.1364/JOSA.33.000385.
9. Мун, Парри; Спенсер, Домина Эберле (май 1943 г.). «Метрика на основе составного цветового стимула». ДЖОСА . 33 (5): 270–277. дои : 10.1364/JOSA.33.000270.
10. Сондерсон, Джейсон Л.; Милнер, Б.И. (март 1944 г.). «Дальнейшее исследование ω-пространства». ДЖОСА . 34 (3): 167–173. дои : 10.1364/JOSA.34.000167.
11. Гурвич, Лео М.; Джеймсон, Доротея (ноябрь 1957 г.). «Теория оппозиционного процесса цветового зрения». Психологический обзор . 64 (6): 384–404. дои : 10.1037/h0041403. PMID  13505974. S2CID  27613265.
12. Джеймсон, Доротея; Лео М. Гурвич (май 1964 г.). «Теория яркости и цветового контраста в зрении человека». Исследование зрения . 4 (1–2): 135–154. дои : 10.1016/0042-6989(64)90037-9. ПМИД  5888593.
13. Лэдд, Дж. Х.; Пинни, Дж. Э. (сентябрь 1955 г.). «Эмпирические связи со шкалой ценностей Манселла». Труды Института радиоинженеров . 43 (9): 1137. doi :10.1109/JRPROC.1955.277892.
14. Глассер, LG; А. Х. МакКинни; CD Рейли; П.Д. Шнелле (октябрь 1958 г.). «Кубическая корневая цветовая система координат». ДЖОСА . 48 (10): 736–740. дои : 10.1364/JOSA.48.000736.
15. Выжецкий, Гюнтер (ноябрь 1963 г.). «Предложение по новой формуле цветового различия». ДЖОСА . 53 (11): 1318–1319. дои : 10.1364/JOSA.53.001318. Примечание. В статье звездочки не используются.
16. Паули, Хартмут К.А. (1976). «Предлагаемое расширение рекомендации CIE по «Единым цветовым пространствам, цветовым пространствам и уравнениям цветоразности, а также метрическим цветовым терминам»". JOSA . 66 (8): 866–867. doi : 10.1364/JOSA.66.000866.
17. Пойнтон, Чарльз; Фант, Брайан (февраль 2014 г.). «Перцептуальная однородность представления и отображения цифровых изображений». Исследование и применение цвета . 39 (1): 6–15. дои : 10.1002/col.21768.
18. Кен-Ичи Нака и Уильям Альберт Хью Раштон: Генерация и распространение S-потенциалов у рыб (Cyprinidae)
19. Жан Матье Валетон и Дирк ван Норрен: Световая адаптация шишек приматов: анализ, основанный на внеклеточных данных.
20. Торстейн Сейм и Арне Вальберг: На пути к единому цветовому пространству: лучшая формула для описания цветовых шкал Манселла и OSA.
21. Марк Д. Фэйрчайлд: Модели цветового оформления § Модель цветового оформления CIE (1997), CIECAM97s
22. Роберт Уильям Гейнер Хант: Некоторые комментарии по использованию модели цветопередачи CIECAM97.
23. Минг Ронньер Луо и Роберт Уильям Гейнер Хант: Структура модели цветового внешнего вида CIE 1997 года.
24. Чанджун Ли, Мин Ронье Луо и Роберт Уильям Гейнер Хант: пересмотр модели CIECAM97s
25. Марк Д. Фэйрчайлд: Версия CIECAM97 для практического применения.
26. Роберт Уильям Гейнер Хант, Чанджун Ли, Лу-Инь Грейс Хуан и Мин Ронье Луо: Дальнейшие улучшения CIECAM97 (также называемые « Дальнейшие усовершенствования CIECAM97 »)
27. Чанджун Ли и Мин Ронье Луо: единое цветовое пространство на основе CIECAM97.
28. Роберт Уильям Гейнер Хант, Чанджун Ли и Мин Ронье Луо: Функции динамического отклика конуса для моделей цветового внешнего вида
29. Натан Морони, Марк Д. Фэйрчайлд, Роберт Уильям Гейнер Хант, Чанджун Ли, Минг Ронье Луо и Тодд Ньюман: Модель цветового оформления CIECAM02
30. Технический комитет CIE: Модели цветового восприятия для приложений управления цветом.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с легкостью, на Викискладе?