Яркость — это визуальное восприятие яркости объекта . Ее часто оценивают относительно аналогично освещенного объекта. В колориметрии и моделях цветового восприятия яркость — это прогноз того, как освещенный цвет будет выглядеть для стандартного наблюдателя. В то время как яркость — это линейное измерение света, светлота — это линейное прогнозирование человеческого восприятия этого света.
Это различие имеет смысл, поскольку восприятие светлоты человеческим зрением нелинейно относительно света. Удвоение количества света не приводит к удвоению воспринимаемой светлоты, а лишь к скромному увеличению.
Символ для воспринимаемой светлоты обычно используется либо как в CIECAM02 , либо как в CIELAB и CIELUV . ("Lstar") не следует путать с тем, что используется для яркости. В некоторых системах упорядочения цветов, таких как Munsell , светлота обозначается как значение .
Кьяроскуро и тенебризм оба используют драматические контрасты ценности для усиления драматизма в искусстве. Художники также могут использовать затенение , тонкую манипуляцию ценностью.
В некоторых цветовых пространствах или цветовых системах, таких как Munsell, HCL и CIELAB, светлота (значение) ахроматически ограничивает максимальные и минимальные пределы и действует независимо от оттенка и цветности . Например, значение 0 по Манселлу — это чистый черный, а значение 10 — это чистый белый. Цвета с различимым оттенком должны, следовательно, иметь значения между этими крайностями.
В субтрактивной цветовой модели (например, краска, краситель или чернила) изменение яркости цвета через различные оттенки, тени или тона может быть достигнуто путем добавления белого, черного или серого соответственно. Это также снижает насыщенность .
В HSL и HSV отображаемая яркость соотносится с оттенком и цветностью для заданного значения яркости, другими словами, выбранное значение яркости не предсказывает фактическую отображаемую яркость или ее восприятие. Обе системы используют координатные тройки, где многие тройки могут отображаться на один и тот же цвет.
В HSV все триплеты со значением 0 являются чисто черными. Если оттенок и насыщенность остаются постоянными, то увеличение значения увеличивает яркость, так что значение 1 является самым светлым цветом с заданным оттенком и насыщенностью. HSL похож, за исключением того, что все триплеты со светлотой 1 являются чисто белыми. В обеих моделях все чистые насыщенные цвета указывают на одинаковую светлоту или значение, но это не относится к отображаемой яркости, которая определяется оттенком. То есть желтый имеет более высокую яркость, чем синий, даже если значение светлоты установлено на заданном числе.
Хотя HSL, HSV и подобные пространства достаточно хорошо подходят для выбора или настройки одного цвета, они не являются перцептивно однородными. Они жертвуют точностью ради вычислительной простоты, поскольку были созданы в эпоху, когда компьютерные технологии были ограничены в производительности. [1]
Если мы возьмем изображение и извлечем компоненты оттенка, насыщенности и яркости или значения для заданного цветового пространства , мы увидим, что они могут существенно отличаться от другого цветового пространства или модели. Например, рассмотрим следующие изображения огнедышащего существа ( рис. 1 ). Оригинал находится в цветовом пространстве sRGB. CIELAB — это перцептуально однородное предсказание яркости, которое выводится из яркости , но отбрасывает и , цветового пространства CIE XYZ . Обратите внимание, что это похоже по воспринимаемой яркости на исходное цветное изображение. Яркость — это гамма-кодированный компонент яркости некоторых систем кодирования видео, таких как и . Он примерно похож, но отличается при высокой цветности, отклоняясь больше всего от ахроматического сигнала, такого как линейная яркость или нелинейная яркость . HSL и HSV не являются ни перцептуально однородными, ни однородными по яркости.
Значение Манселла долгое время использовалось в качестве перцептивно однородной шкалы яркости. Интерес представляет вопрос взаимосвязи между шкалой значений Манселла и относительной яркостью . Зная о законе Вебера-Фехнера , Альберт Манселл заметил: «Следует ли нам использовать логарифмическую кривую или кривую квадратов?» [2] Ни один из вариантов не оказался вполне правильным; ученые в конечном итоге сошлись на приблизительно кубико-корневой кривой, соответствующей степенному закону Стивенса для восприятия яркости, отражающему тот факт, что яркость пропорциональна числу нервных импульсов на нервное волокно в единицу времени. [3] Оставшаяся часть этого раздела представляет собой хронологию моделей яркости, ведущую к CIECAM02 .
Примечание. – V Манселла колеблется от 0 до 10, тогда как Y обычно колеблется от 0 до 100 (часто интерпретируется как процент). Обычно относительная яркость нормализуется так, чтобы «эталонный белый» (например, оксид магния ) имел трехцветное значение Y = 100. Поскольку отражательная способность оксида магния (MgO) относительно идеального отражающего диффузора составляет 97,5%, V = 10 соответствует Y = 100/97,5 % ≈ 102,6 , если в качестве эталона используется MgO. [4]
Ирвин Прист , Кассон Гибсон и Гарри МакНиколас дают базовую оценку значения Манселла ( в данном случае Y изменяется от 0 до 1): [5]
Александр Манселл, Луиза Слоан и Айзек Годлав начинают исследование нейтральной шкалы значений Манселла, рассматривая несколько предложений, связывающих относительную яркость со значением Манселла, и предлагают: [6] [7]
Сидни Ньюхолл, Дороти Никерсон и Дин Джадд готовят отчет для Оптического общества Америки (OSA) по переобозначению Манселла. Они предлагают параболу пятой степени (связывающую отражательную способность с точки зрения значения): [8]
Используя Таблицу II отчета OSA, Пэрри Мун и Домина Спенсер выражают значение через относительную яркость: [9]
Джейсон Сондерсон и Б.И. Милнер вводят вычитательную константу в предыдущее выражение для лучшего соответствия значению Манселла. [10] Позже Доротея Джеймсон и Лео Гурвич утверждают, что это исправляет одновременные эффекты контраста . [11] [12]
Лэдд и Пинни из Eastman Kodak интересуются значением Манселла как воспринимаемо однородной шкалой яркости для использования в 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]
Понимая, что это довольно близко к кубическому корню , они упрощают его до:
Глассер и др. определяют светлоту как десятикратное значение Манселла (так что светлота варьируется от 0 до 100): [14]
Гюнтер Вышецкий упрощает это до: [15]
Эта формула аппроксимирует функцию значения Манселла для 1% < Y < 98% (она неприменима для Y < 1% ) и используется для цветового пространства CIE 1964 .
CIELAB использует следующую формулу:
где Y n — это трехцветное значение CIE XYZ Y опорной белой точки (нижний индекс n означает «нормализованное») и подчиняется ограничению И/Д н > 0,01 . Паули устраняет это ограничение, вычисляя линейную экстраполяцию , которая отображает И/Д н = 0 до L * = 0 и касается формулы выше в точке, в которой линейное расширение вступает в силу. Сначала определяется точка перехода, которая будет И/Д н = ( 6/29 ) 3 ≈ 0,008856 , тогда наклон ( 29/3 ) 3 ≈ 903,3 вычисляется. Это дает двухчастную функцию: [16]
Тогда легкость составит:
На первый взгляд, вы можете аппроксимировать функцию светлоты кубическим корнем, аппроксимацией, которая встречается во многих технических работах. Однако линейный сегмент около черного имеет значение, поэтому коэффициенты 116 и 16. Наиболее подходящая чистая степенная функция имеет показатель около 0,42, что далеко от 1/3 . [17] Примерно 18% серая карта , имеющая точную отражательную способность ( 33/58 ) 3 , имеет значение светлоты 50. Он называется « среднесерым », потому что его светлота находится посередине между черным и белым.
Еще в 1967 году у рыб была обнаружена гиперболическая зависимость между интенсивностью света и реакцией колбочек, соответствующая кинетической модели биохимических реакций Михаэлиса-Ментен . [18] В 70-х годах 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 зависимость: [19]
где V — измеренный потенциал, I — интенсивность света, а σ — константа. В 1986 году Сейм и Вальберг поняли, что эта взаимосвязь может помочь в построении более однородного цветового пространства. [20] Это вдохновило на прогресс в моделировании цвета, и когда Международная комиссия по освещению провела симпозиум в 1996 году, были сформулированы цели для новой стандартной цветовой модели, и в 1997 году была стандартизирована CIECAM97s (Международная комиссия по освещению, модель внешнего вида цвета, 1997, простая версия). [21] CIECAM97s различает светлоту, то есть то, как что-то выглядит светлым по сравнению с аналогичным освещенным белым объектом, и яркость, то есть то, насколько много света исходит от чего-то. [22] Согласно CIECAM97s, светлота образца равна:
В этой формуле для небольшого образца в условиях яркого освещения в окружающем поле с относительной яркостью n по сравнению с белым значение c выбрано таким образом, что:
Это моделирует, что образец будет выглядеть темнее на светлом фоне, чем на темном. См. эффект контраста для получения дополнительной информации по теме. Когда n = 1/5 , cz = 1, что представляет собой предположение, что большинство сцен имеют среднюю относительную яркость 1/5 по сравнению с ярко-белым, и поэтому образец в таком окружении должен восприниматься при его надлежащей яркости. Величина A моделирует ахроматический ответ колбочки; она зависит от цвета, но для серого образца в ярких условиях она работает как:
Здесь Y — относительная яркость по сравнению с белым по шкале от 0 до 1, а L A — средняя яркость адаптирующегося поля зрения в целом, измеряемая в кд/м 2 . Ахроматическая реакция следует своего рода S-образной кривой , варьирующейся 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, и которая имеет довольно большой промежуточный диапазон, где она примерно следует кривой квадратного корня. Яркость согласно CIECAM97s тогда составляет:
Фактор 1,24 / c — это фактор объемного освещения, который отражает, 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 нейтральным серым. Для моделирования последнего эффекта в CIECAM97C формула для J корректируется следующим образом:
где C — цветность, а h — угол цветового тона
Q затем рассчитывается из J HK вместо J. Эта формула имеет эффект подтягивания светлоты и яркости цветных образцов. Чем больше цветность, тем сильнее эффект; для очень насыщенных цветов C может быть близок к 100 или даже выше. Абсолютный синусоидальный член имеет острую V-образную долину с нулем в желтом и широкое плато в глубоких синих тонах. [23]
Ахроматический отклик в CIECAM97s представляет собой взвешенное сложение ответов колбочек минус 2,05. Поскольку общий шумовой член добавляется к 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 вычитать 3,05, чтобы шкала начиналась с нуля. [24] Хотя CIECAM97s была успешной моделью для стимулирования и направления колориметрических исследований, Фэрчайлд чувствовал, что для практических приложений необходимы некоторые изменения. Те, которые имели отношение к расчетам яркости, должны были, вместо использования нескольких дискретных значений для фактора объемного изображения c, допускать линейную интерполяцию c и, таким образом, позволять использовать модель в промежуточных условиях объемного изображения, а также упрощать z, чтобы удалить особый случай для больших стимулов, поскольку он считал, что это не имеет значения для приложений визуализации. [25] Основываясь на экспериментальных результатах, Хант, Ли, Хуан и Луо предложили ряд улучшений. Для рассматриваемой темы важно то, что они предложили немного понизить z. [26] Ли и Луо обнаружили, что цветовое пространство, основанное на таком модифицированном CIECAM97s, использующем яркость в качестве одной из координат, воспринимается более однородно, чем CIELAB. [27]
Из-за формы S-образной кривой колбочкового отклика, когда яркость цвета уменьшается, даже если его спектральный состав остается прежним, различные колбочковые отклики не совсем изменяются с одинаковой скоростью по отношению друг к другу. Поэтому вполне вероятно, что воспринимаемый оттенок и насыщенность будут меняться при низких уровнях яркости. Но CIECAM97s предсказывает гораздо большие отклонения, чем обычно считается вероятным, и поэтому Хант, Ли и Луо предложили использовать кривую колбочкового отклика, 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 появлению новой модели цветового восприятия CIECAM02. В этой модели формула для светлоты остается прежней:
Но все величины, которые входят в эту формулу, изменяются каким-то образом. Параметр c теперь непрерывно изменяется, как обсуждалось выше, и z = 1,48 + √n. Хотя это выше, чем z в CIECAM97s, общий эффективный коэффициент мощности очень похож, поскольку эффективный коэффициент мощности ахроматического отклика намного ниже:
Как и прежде, эта формула предполагает яркие условия. За исключением 1220, что является результатом произвольно предполагаемой константы отклика колбочки, различные константы в CIECAM02 были подогнаны к экспериментальным наборам данных. Выражение для яркости также значительно изменилось:
Обратите внимание, что в отличие от предложения CIECAM97C, CIECAM02 не содержит положений об эффекте Гельмгольца-Кольрауша. [29] [30]
Это субъективное восприятие яркости нелинейным образом — одна из вещей, которая делает гамма-сжатие изображений стоящим. Помимо этого явления существуют и другие эффекты, связанные с восприятием светлоты. Цветность может влиять на воспринимаемую светлоту, как описано эффектом Гельмгольца-Кольрауша . Хотя пространство CIELAB и родственные ему пространства не учитывают этот эффект на светлоту, он может подразумеваться в цветовой модели Манселла. Уровни освещенности также могут влиять на воспринимаемую цветность, как в случае эффекта Пуркинье .