Система описание цветов xyz

Обновлено: 18.09.2024

В современном цифровом мире существует достаточно много форматов цветов, или цветовых моделей. Простому пользователю достаточно визуально увидеть цвет, в то время как разработчику или дизайнеру необходимо передать этот же цвет через его математическое описание или формулу в конкретном формате в зависимости от интерфейса.

Кратко рассмотрим наиболее распространенные цветовые модели, используемые в популярном конвертере цветов: HEX, RGB, RGB %, CMYK, HSL, HSV, LAB, XYZ, YIQ, RYB, WEBSAFE, Decimal, Yxy, Android, YUV, Hunter-Lab.

Самая популярная и существующая со времен первых браузеров цветовая модель. Способ кодирования цвета для цветовоспроизведения с помощью трёх цветов, которые принято называть основными: red, green, blue — красный, зелёный, синий. Смешивание этих цветов позволяет получить приблизительно 16,7 млн различных оттенков. Значение каждого цвета варьируется от 0 до 255.

Пример: 255, 212, 221

В процентах: 100%, 83%, 87%

Также есть формат rgba. Буква a означает альфа-канал, с помощью которого можно задать прозрачность цвета в CSS.

Пример: rgba(255,212,221,0.5)

CMYK - Cyan, Magenta, Yellow, Key или Black. Смешивая в разных пропорциях эти цвета, мы можем получить на бумаге оттенки любого цвета. Чаще всего используется в полиграфии. Является субтрактивной цветовой моделью, так как поверхность поглощает в себе часть лучей спектра, а часть отражает. То, что она отражает, мы и видим как цвет.

Цветовая модель осуществляется поворотом по цветовому кругу на определённый градус. Точка отсчета 0 градусов находится в середине красного спектра. 60 градусов - желтый цвет, 120 - зелёный, 180 - циан, 240 - синий, 300 - пурпурный (маджента), и возвращаемся в исходную точку — 360 градусов - красный цвет. Формат обозначается в долях или процентах.

Пример: 0.00, 0.17, 0.13, 0.00

В процентах: 0%,17%,13%,0%

Иногда пользуются таким обозначением: C0M17Y13K0

Цветовая модель, в которой цветовыми координатами являются тон, насыщенность и светлота. Следует отметить, что HSL и HSV — две разные цветовые модели, хотя и основаны на 3-х координатном методе записи цвета.

Данные цветовые модели имеют чисто прикладное применение в обыденной жизни человека и при проведении работ с цветным зрением и зрением вообще необходимо учитывать явления метамерии — когда цвета воспринимаются и оцениваются разными людьми одинаково, хотя воспроизводятся с использованием различных эталонов для сравнения, коррекции, аттестации.

Пример: 347°, 100%, 92%

Hue, Saturation, Value — тон, насыщенность, значение. HSL, HSV, HSI или связанные модели также используются в компьютерном видении и в анализе en:Image_analysis для обнаружения особенностей изображения en:Feature_detection_(computer_vision) или отображения сегментации en:Segmentation_(image_processing).

Пример: 347°, 100%, 17%

Аббревиатура названия двух разных цветовых пространств. Более известным и распространенным является CIELAB, другим - Hunter Lab. Таким образом, Lab - это неформальная аббревиатура, не определяющая цветовое пространство однозначно. Чаще всего, говоря о пространстве Lab, подразумевают CIELAB.

LAB используют как промежуточное цветовое пространство для конвертирования RGB в CMYK и наоборот, поскольку оно не привязано к конкретному носителю. В цветокоррекции его применяют, чтобы быстро убрать желтизну или усилить естественные цвета фотографии. Некоторые цветокорректоры предпочитают LAB, если с его помощью внести изменения будет проще, нежели через корректирующие слои.

Пример: 88.72, 16.42, 1.21

Название объясняется тем, что в нормированном варианте координаты х и y сохраняются, а координата z исчезает, поскольку этот вариант цветового пространства двухмерный (цветовая диаграмма или локус). Она строится путем проецирования треугольника цветности на плоскость xy.

Основные цвета в системе XYZ позволяют упростить расчеты в связи с отсутствием отрицательных значений удельных координат цвета.

Пример: 77.83, 73.57, 78.49

В цветовых системах YIQ и YUV информация о цвете представляется в виде сигнала яркости (Y) и двух цветоразностных сигналов (IQ и UV соответственно). Популярность этих цветовых систем обусловлена в первую очередь появлением цветного телевидения.

YIQ — цветовая модель, используемая системой цветного ТВ NTSC, и применяется в Северной и Центральной Америке, а также в Японии.

Пример YIQ: 225.88, 22.74, 10.85

Пример YUV: 225.88, -2.40, 25.54

Red, Yellow, Blue. Цветовая модель субтрактивного синтеза, основанная на составлении цвета из красного, жёлтого и голубого/синего. Смешивая эти цвета можно получить все остальные в физическом мире. Эта модель отображена на цветовом круге Иттена, которым пользуются художники.

Пример: 255, 212, 221

Пример: FFCCCC

Decimal - позиционная система счисления по целочисленному основанию 10 (десятичная система). Одна из наиболее распространённых систем. В ней используются цифры 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 0, называемые арабскими цифрами. В цветах применяется достаточно редко.

Пример: 16766173

Обычно диаграмма Yxy используется для иллюстрации характеристик гамутов (цветовой гаммы) различных устройств воспроизведения цвета - дисплеев и принтеров. Конкретный гамут обычно имеет вид треугольника, углы которого образованы точками основных, или первичных, цветов. Внутренняя область гамута описывает все цвета, которые способно воспроизвести данное устройство.

Пример: 73.57, 0.34, 0.32

Аndroid.graphics.Color используется в разработке мобильных приложений. Иногда значения указываются не в десятичной форме, а в шестнадцатеричной от 00 до FF вместо 0 и 255. В этом случае обычно пишут не ARGB, а AARRGGBB.

Пример: 0xFFFFD4DD

Рис.2a. В Диаграмме CIE rg цветность пространства показывает построенный треугольник, определяющий цветовое пространство CIE XYZ.
Треугольник Cb-Cg-Cr это только xy=(0,0),(0,1),(1,0), треугольник CIE xy— цветность пространства. Линия, соединяющая Cb и Cr это линия нулевой яркости на цветовом графике (alychne).
Обратите внимание, что спектральный локус проходит через rg=(0,0) на 435.8 нм, через rg=(0,1) в 546.1 нм и через rg=(1,0) при 700 нм. (По старой системе применялось цветовое пространство RGB и рассчитывалось без учёта линейной функции, а область полученной цветовой палитры была внутри треугольника с углами в точках 430 нм, 540 нм и 570 нм).
Значение же энергии точки (E) при rg=xy=(1/3,1/3) равное. (См. также Цветовые координаты).

$<\displaystyle <\overline <x> XYZ (цветовая модель) — на базе разработки RGB-модели человеческого зрения с помощью CIE RGB с соответствующими функциями, члены специальной комиссии МОК, пожелали, чтобы развивать другое цветовое пространство, которое будет касаться CIE цветового пространства RGB — основных цветов. Предполагалось, что закон Грассманна [1] провели, и новое пространство будет связано с CIE RGB пространством линейного преобразования. Новое пространство будет определяться в терминах трех новых функций подбора цветов >(\lambda ),<\overline <y>>(\lambda )>$
и >(\lambda )>" width="" height="" />
, как описано выше (cм. рис.2a). Новое цветовое пространство будет выбрано со следующими полезнымы свойствами:

$<\displaystyle <\overline <y> <ol> <li>Новые функции подбора цветов должны были быть везде, большими или равными нулю. В 1931 году расчеты были сделаны вручную или логарифмической линейкой, а спецификация положительных значений является полезным вычислительным упрощением.</li> <li>>(\lambda )>$
Функция подбора цветов будет в точности равна фотопической (подбор ярких цветов — типа дневных) световой функции эффективности [2] V(λ) для "CIE стандартного фотопического наблюдателя". [1] Функция яркости описывает изменение воспринимаемой яркости с длиной волны. Тот факт, что функция яркости может быть построена с помощью линейной комбинации подбора цветов RGB функций, что не гарантируется с помощью любых средств, но и можно было ожидать, что будет почти верно в связи с почти линейным характером человеческого зрения. Опять же, основной причиной этого требования было вычислительное упрощение.

Для постоянной энергии белой точки [3] требовалось, что бы х = у = z = 1/3. (Cм. Цветовые координаты).

В силу определения цветности и требованием положительных значений х и у , можно увидеть, что охват всех цветов будет лежать внутри треугольника [1,0], [0,0], [0,1] . Это требовалось, чтобы это пространство заполнить гаммой практически полностью.

Было обнаружено, что >(\lambda )>" width="" height="" />
функция подбора цветов может быть установлена в ноль выше 650 нм, оставаясь при этом в пределах экспериментальной ошибки. Для вычислительной простоты, было указано, что это будет так.

$<\displaystyle <\overline <y> В геометрических терминах, выбирая новый космический цвет (space) составил выбор нового треугольника в rg цветности пространства. На рисунке выше-справо, rg цветность координаты отображаются на двух осях в чёрный цвет вместе с гаммой 1931 стандартного наблюдателя. Красным цветом показано, что координаты являются CIE xy цветности осей, которые были определены требованиями выше. Требование о том, что XYZ координаты быть неотрицательным, означает, что треугольник, образованный CrCgCb должен охватить всю гамму стандартного наблюдателя. Линии, соединяющей Cr и Cb устанавливают требование о том, что функция >(\lambda )>$
равна функции яркости. Эта линия является линией нулевой яркости, так и называется alychne. Требование о том, что >(\lambda )>" width="" height="" />
функция нуля выше 650 нм означает, что линия, соединяющая Cg и Cr, должна быть касательной к гамме в регионе Kr. Это определяет положения точки Cr. Требование о том, что равная величина энергетических точек определяется x = y = 1/3, ставит ограничение на линии, соединяющей Cb и Cg и , наконец, требование о том, что гамма заполнения пространства ставит второе ограничение на эту строку, которое должно быть очень близкой к гамме в зелёной области, которое определяет местоположение Cg и Cb.

Описанные выше линейные преобразования CIE RGB пространства относятся к пространству XYZ.

Стандартизированные трансформации, принятые в CIE специальной комиссии, были следующими:

Цифры в преобразовании матрицы ниже приведены точные, с числом разрядов, указанных в стандарты CIE. [2]

А выше матрица точно определена в стандартах в другом направлении, используя обратную матрицу, что точно не определено, но примерно такова:

$<\displaystyle <\begin R\\G\\B\end>=<\begin0.41847&-0.15866&-0.082835\\-0.091169&0.25243&0.015708\\0.00092090&-0.0025498&0.17860\end>\cdot <\beginX\\Y\\Z\end>,>$

Интегралы XYZ color matching functions все должны быть равными по требованию 3 выше, и это определяет интеграл от дневной светящейся эффективности функции по требованию 2 выше. Табулированные чувствительности кривых имеют определенное количество произвола в них. Форма индивидуальной X , Y и Z чувствительности кривых может быть измерена с достаточной степенью точности. Однако, общая светимость кривой (которая на самом деле является взвешенной суммой этих трех кривых) является субъективной, поскольку оно включает в себя вопросы к испытуемому: имеют ли два источника света ту же яркость даже если они находятся в районе совершенно разных цветов Вдоль тех же линий, относительных величин X, Y, и Z произвольных кривых. Кроме того, можно определить допустимое цветовое пространство с X чувствительной кривой, которая имеет удвоенную амплитуду. Это новое цветовое пространство будет иметь другую форму. Чувствительность кривых в CIE 1931 и 1964 XYZ цветовых пространств масштабируются и имеют равные площади под кривыми.

Числовое представление

RGB и на её базе XYZ как цветовая модель представлена в виде куба в виде графиков линейных уравнений

RGB-цветовая модель представленная в виде куба как формирующая краски в виде графиков линейных уравнений

Для большинства приложений значения отрезку [0,1], что представляет пространство RGB в виде линейных уравнений. (См. рис. 2a).

Исследования человеческого зрения показали, что аддитивный синтез цвета по схеме с тремя базовыми световыми потоками (см. рис. 1.3.8) имеет существенные ограничения. В частности, если источники излучают свет визуально воспринимаемого диапазона, то при любом сочетании базовых цветов не удается получить все цвета, видимые глазом.

На протяжении первой трети XX века Международная комиссия по освещению проводила исследования физиологии человеческого зрения, на основе которых в 1931 году была предложена перцептивная цветовая модель, получившая название XYZ.

Примечание

Международная комиссия по освещению, МКО (Commission Internacionale de l'Eclairage, CIE) – интернациональный орган, работавший первоначально под эгидой Парижской палаты мер и весов, внесла огромный вклад в изучение цвета. На основе полученных этой комиссией научных результатов работают все современные технологии, связанные с воспроизведением цвета. Термин "перцептивный" происходит от слова perception – восприятие. Таким образом, перцептивная модель цвета – это модель, основанная на особенностях восприятия цвета человеком.

По результатам исследований, проведенных над группой наблюдателей, была определена усредненная цветовая реакция на световые потоки с различным спектральным распределением (т. н. стандартный наблюдатель). В результате были определены спектральные распределения для базовых световых потоков аддитивной схемы синтеза цвета, получившие названия X, Y и Z (рис. 1.3.11).

Рис. 1.3.11. Спектральное распределение источников света в цветовой модели XYZ

Смешивая световые потоки от источников с таким спектральным распределением, можно синтезировать любой цвет спектра. Следует отметить, что X,Y и Z нельзя называть базовыми цветами, – таких цветов в природе не существует. Кроме того, и не любое сочетание значений этих цветовых координат соответствует видимому цвету. Поэтому цветовые пространства моделей цвета XYZ (рис. 1.3.12) и RGB существенно различаются.

Рис. 1.3.12. Цветовое пространство модели цвета XYZ

Цветовое пространство модели цвета XYZ представляет собой криволинейный конус с вершиной в начале цветовых координат. По мере удаления от вершины светлота цветов, соответствующих точкам, лежащим внутри этого конуса, возрастает. Представленная на рис. 1.3.12 видимая часть цветового треугольника в модели цвета XYZ имеет форму сегмента неправильной параболы. На ее криволинейной границе располагаются спектрально чистые цвета, на прямолинейной хорде – цвета, полученные смешиванием красного и пурпурного. При удалении от границы фигуры насыщенность цвета уменьшается и в центре располагается ахроматическая точка.

Поскольку работать с объемным представлением цветового пространства в виде неправильного конуса не слишком удобно, на практике чаще пользуются нормированным цветовым пространством, получившим название xyY.

Примечание

Это название объясняется тем, что в нормированном варианте координаты х и y сохраняются, а координата z исчезает, поскольку этот вариант цветового пространства двухмерный (цветовая диаграмма или локус). Она строится путем проецирования треугольника цветности на плоскость xy. Конечно, на цветовой диаграмме представлены не все цвета пространства XYZ, но для сравнения цветовых охватов и преобразования цветовых пространств, ради которых и создавалась эта цветовая модель, фактор светлоты оттенков можно не рассматривать.

Нормирование выполняется следующим образом: вместо координат XYZ вводятся координаты х = X/(X + Y + Z), y = X/(X + Y + Z) и z = X/(X + Y + Z). Затем из всего множества точек нового цветового пространства выбираются удовлетворяющие условию принадлежности к треугольнику цветности: х + у + z = 1. Для треугольника цветности значение третьей координаты не требуется, поскольку оно однозначно определяется значениями первых двух координат: z = 1 – (х + у). Тем не менее третья цветовая координата необходима для полного описания любого цвета. Поэтому в нормированную цветовую модель вводят еще одну координату (Y), описывающую светлоту, не имеющую прямого отношения к цветности, но влияющую на образование оттенков. На рис. 1.3.13 приведено графическое представление нормированной модели цвета xyY – цветовая диаграмма CIE 1931.

Рис. 1.3.13. Двухмерное нормированное цветовое пространство xyY

Рассмотрим особенности цветовой диаграммы CIE xyY.

1. Так же, как и треугольник цветности модели RGB, она включает в себя по одному оттенку всех цветов, визуально воспринимаемых стандартным наблюдателем. Таким образом, диаграмма представляет собой графическое отображение цветового охвата человеческого глаза – локус.

2. Чистые спектральные цвета, соответствующие излучению только одной из частот видимой части спектра, расположены в ней на криволинейной части границы – линии спектральной цветности. Цвета, отсутствующие в спектре, но синтезируемые в виде оттенков монохромной шкалы с базовыми красным и фиолетовым цветами, расположены на прямолинейном участке границы – линии пурпурной цветности.

3. В середине хроматической области цветовой диаграммы расположена ахроматическая точка, цветность которой не определена. Эта точка называется также точкой опорного белого цвета. При смещении из этой точки по прямой линии, соединяющей ее с любой точкой границы цветовой диаграммы, определяется насыщенность цвета, т. е. цвет становится ближе к чистому спектральному и менее бледным.

Примечание

Более подробно понятие насыщенности цвета рассмотрено в разд. 1.3.7.

Цветовая диаграмма не может содержать в себе всех цветов из цветового пространства CIE xyY, поскольку при ее построении использованы только две цветовые координаты. Значения координат х и у определяют цветность и насыщенность цвета, но не его светлоту.

Ахроматическая точка на диаграмме может считаться белой только условно. Ее фактический оттенок и местоположение зависит от источника света, выбранного для синтеза цвета, или от источника освещения. Координаты этой точки однозначно определяются цветовой температурой источника. Цветовая температура – это характеристика интенсивности излучения источника света (табл. 1.3.1). Ее значение равняется температуре нагрева абсолютно черного тела, при которой последнее испускает излучение с той же цветностью, что и измеряемый источник.

Таблица 1.3.1. Некоторые источники света и их цветовые температуры

В практических целях цветовая диаграмма xyY применяется для сравнения цветовых охватов устройств ввода и вывода с локусом и между собой. Для этого внутри локуса выбираются точки, соответствующие выбранным для аддитивного синтеза цвета базовым цветам. После соединения их отрезками прямых получается геометрическая фигура, представляющая цветовой охват устройства. На рис. 1.3.14 изображены цветовые охваты стандартных цветовых пространств RGB и полиграфического процесса цветной офсетной печати.

Рис. 1.3.14. Сопоставление цветовых охватов устройств вывода на цветовой диаграмме xyY

Примечание

Цветовой охват модели CMYK, использующейся при цветной офсетной печати, имеет форму шестиугольника, а не треугольника, поскольку приходится учитывать в качестве базовых цветов результаты равномерного попарного смешивания всех трех хроматических базовых цветов этой модели (см. разд. 1.3.6).

Отметим, что для получения адекватных результатов сравнения цветовых охватов различных устройств следует применять стандартные источники освещения (как правило, D50).

Кроме сравнения цветовых охватов, цветовая модель XYZ и производная от нее модель xyY применяются для взаимного преобразования цветов из цветового пространства одной модели в цветовое пространство другой.

К недостаткам цветовых моделей XYZ и xyY следует отнести сложность учета светлоты цвета и отсутствие равноконтрастности. Последнее проявляется в том, что одинаковые расстояния в цветовом пространстве CIE XYZ и на цветовой диаграмме xyY в различных их частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между выбранными цветами при одинаковой светлоте. Иными словами, системы цветовых координат получаются нелинейными. Цветоразличительные свойства зрения минимальны на границе локуса (в зоне спектральных цветов) и максимальны в области нулевых цветностей (для ахроматической шкалы).

Эти недостатки были успешно преодолены в равноконтрастных цветовых моделях, одна из которых (CIE Lab) рассмотрена в разд. 1.3.8.

Колориметрическая система XYZ - математическая модель, с помощью которой можно представить цвет в виде коэффициентов базовых цветов, а также хранить информацию о цвете и обработке цветов в дискретном виде.

Любой цвет в колориметрической системе XYZ можно представить в виде коэффициентов (k1, k2, k3):

На примере RGB покажем, как строится хроматическая диаграмма для колориметрической системы. Цветовое пространство можно представить в виде куба, стороны которого будут осями координат R, G и B.

Полезной информацией при работе с цветом является насыщенность и тон. Эти характеристики можно представить в виде треугольного разреза куба, для которого справедливо равенство:

Этот треугольник можно представить в виде плоскости, при этом B координата для точки находится с помощью формулы:

Этот треугольник называется хроматической диаграммой RGB.

Может возникнуть вопрос, почему не использовать всем известную систему RGB? Колориметрическая система RGB обычно не применяется, потому что вычисления в этой системе приводят к отрицательным коэффициентам.

Используя формулу, можно перевести цвет из системы RGB в XYZ:

Цветовое пространство XYZ также представляется в виде куба, но так как многие из цветов монитор не может отобразить, видимая часть куба будет выглядеть иначе:

Для получения информации о насыщенности и тоне, также строится разрез, удовлетворяющий равенству:

А переход к 2D виду осуществляется исходя из формулы:

Этот треугольник называется хроматической диаграммой XYZ.

Хроматическая диаграмма XYZ

На диаграмме обозначают диапазон видимых цветов, он меньше, чем диапазон в пространстве XYZ. Обычно на этой диаграмме обозначают способность цветопередачи дисплеев. Она выглядит как треугольник и показывает в каком диапазоне дисплей может отображать цвета.

Часто при вычислениях используется опорный белый цвет. Но в природе отсутствует источник чистого белого цвета, вместо него применяется цвет абсолютно чёрного тела при различных температурах. Эти цвета представлены в виде кривой, которая проход через точки 2700, 3000, 4000.

Читайте также: