Barevné prostory a správa barev

1. Barevné prostory a správa barev Oldřich Zmeškal, Michal Čeppan a Petr Dzik Fakulta chemická, Vysoké učení technické v Brně Purkyňova 118, 612 00 Brno e-mail: zmeskal@fch.vutbr.cz

2. CIE (Commission Internationale de ľÉclairage - International Commission on Illumination) • sjednotila přístup k hodnocení optických vlastností objektů • definovala vlastnosti standardního kolorimetrického pozorovatele (v roce 1931 a 1964) • definovala vlastnosti základních barevných prostorů používaných k hodnocení zařízení produkujících barevné obrazy a ke zjišťování odchylek mezi nimi ICC (International Color Consortium, Mezinárodní konsorcium pro barvu, 1993). • sjednotilo přístup různých výrobců při výrobě zařízení, které s těmito systémy pracují • definovalo tzv. systém správy barev (Color Management System) s využitím nezávislých barevných prostorů

3. Standardní barevné prostory Kolorimetrie • zabývá se návrhem barevných zobrazovacích systémů a vytvářením barevných schémat, která hrají významnou roli při stimulaci barev pomocí jiných barev • vychází ze srovnávacích měření mezi analyzovanou barvou a definovanými barevnými složkam • hodnocení je prováděno tzv. standardním pozorovatelem, který po-suzuje, kdy nastane stejný vjem (metamerie) při srovnávání obrazu analyzovaného a obrazu složeného zpravidla ze tří barevných složek • srovnání lze provést např. se základními barvami RGB nebo s matematicky definovaným spektrem tří barevných složek XYZ

4. Funkce trichromatických členitelů soustavy RGB • podle CIE se provádí srovnání analyzovaných monochromatických barev (definovaných v rozsahu vlnových délek 380 nm až 780 nm obvykle s krokem 5 nm) s barvou složenou ze tří monochroma-tických složek (červené λr= 700 nm, zelené λg= 546,1 nm a modré λb= 435,8 nm)

5. Funkce trichromatických členitelů soustavy RGB • záporné hodnoty odpovídají situaci, kdy testovanou barvu nelze složit z definovaných základních monochromatických barev, ale přidáním odpovídající barevné složky (červené, zelené nebo modré) k testované barvě

6. Trichromatické hodnoty RGB • trichromatické hodnoty R, G, B (tristimulus values) mohou být urče-ny podle následujících vztahů kde S(λ) je spektrální rozdělení intenzity světelného zdroje, R(λ) je spektrální odrazivost (propustnost) objektu, r(), g(), b()jsou funkce trichromatických členitelů (color-matching functions • pro jiné zvolené vlnové délky primárních barev budou zjištěné funkce r(), g(), b()odlišné, lze je určit jako lineární kombinaci uvedených spektrálních funkcí

7. Funkce normálního pozorovatele CIE 1931 • nevýhodou trichromatických členitelů R, G, B je, že nabývají pro ně-které vlnové délky záporných hodnot • CIE navrhla modelové zdroje světla (metamerické ke zdrojům CIE RGB), kterým odpovídají kladné funkce trichromatických členitelů • takto transformované funkce se nazývají funkce trichromatických členitelů CIE nebo funkce normálního pozorovatele CIE 1931

8. Funkce trichromatických členitelů soustavy XYZ • spektrální charakteristiky odpovídajících zdrojů světla jsou metamerické k světelným zdrojům CIE RGB pozorovatele • byly definovány tak, aby funkce pozorovatele (color-matching functions) nabývaly pouze kladných hodnot • to je možné pouze tehdy, když hypotetické osvětlení nabývá pro určité vlnové délky hodnot záporných

9. Funkce normálního pozorovatele CIE 1931 • funkce trichromatických členitelů CIE 1931 (x, y, z) byly odvozeny pro podmínky přísně foveálního vidění, tj. vnímání barev centrální částí sítnice, která obsahuje pouze čípky • platí tedy pouze v případě, když zorné pole zabírá úzký prostorový úhel, byly odvozeny pro pozorování v zorném úhlu 2°, v praxi až do 4°  

10. Funkce normálního pozorovatele CIE 1964 • v mnoha případech světlo vyvolávající vjem barvy vniká do oka tak, že dopadá na celou sítnici • CIE proto definovala funkce doplňkového pozorovatele CIE 1964 (x10, y10, z10) pro pozorování pod větším zorným úhlem (aktivní receptory jsou tyčinky i čípky) • tyto trichromatické členitele byly stanoveny z měření pro zorný úhel 10°

11. Trichromatické hodnoty XYZ • každou barvu lze charakterizovat pomocí určitých hodnot tří měr-ných podnětů X, Y, Z kolorimetrické soustavy • tato množství měrných podnětů se nazývají trichromatické složky • počítají se pomocí funkcí normálního pozorovatele CIE 1931 nebo doplňkového pozorovatele CIE 1964 podle vztahů kde S(λ) je spektrální rozdělení intenzity světelného zdroje, R(λ) je spektrální odrazivost (propustnost) objektu, x(), y(), z() jsou funkce normálního (doplňkového) pozorovatele CIE • hodnoty X, Y, Z se nazývají trichromatické složky • konstanta k se volí tak, aby hodnota Y = 100 pro absolutně bílé (nebo absolutně průzračné) těleso.

12. Diagram chromatičnosti CIE Yxy • trichromatické složky X, Ya Z definují polohu barvy v trojrozměr-ném kolorimetrickém prostoru CIEXYZ • na geometrické znázornění barev se častěji využívá rovinný řez kolorimetrickým prostorem – kolorimetrický trojúhelník, diagram chromatičnosti • chromatičnost (pestré vlastnosti barvy) se vyjadřuje dvěma trichro-matickými souřadnicemi xa y • trichromatické souřadnice pro normálního pozorovatele x, y, z, resp. pro doplňkového pozorovatele x10, y10, z10 lze vypočítat z přísluš-ných trichromatických složek • k definování barvy stačí pouze dvě z nich (x, y) a trichromatická hodnota složky Y, která přibližně vyjadřuje jas • proto se označuje jako CIE Yxy

13. Diagram chromatičnosti CIE Yxy • na obvodu trojúhelníka se nacházejí syté barevné tóny • sytost barvy se snižuje směrem k jeho středu • barvy se stejným odstínem leží na přímce spojující bod na obvodu trojúhelníka a bod odpovídající bílé barvě Diagram chromatičnosti RGB • (tzv. gamut) je podmnožinou diagramu Yxy • je vymezen trojúhelníkem R(700 nm), G(546,1 nm) a B (435,8 nm) • barvy mimo trojúhelník nelze vytvořit složením uvedených základních barev • ve spektrálních charakteristi-kách jsou to ty, kterým odpo-vídají záporné hodnoty funk-cí.

14. Diagram chromatičnosti CIE Yu’v’ • diagram chromatičnosti CIE Yu’v’ (CIE 1961) odstraňuje nerovno-měrnosti rozdílů barev v diagramu chromatičnosti CIE Yxy

15. Konstrukce prostorových diagramů Standardní barevný prostor CIE 1976 (L*a*b*) - CIELAB • pravoúhlé osy tohoto prostoru tvoří • měrná světlostL*, která nabývá hodnot z intervalu 0 (černá) až 100 (bílá) • chromatická osaa* probíhá od zelené barvy k červené • chromatická osab* probíhá od modré barvy ke žluté

16. Souřadnice barevného prostoru CIELAB • souřadnice barvy se počítá z trichromatických složek pro X > 0,008856Xn, Y > 0,008856Yn a Z > 0,008856Zn pomocí násle-dujících vztahů kde Xn, Yn, Zn jsou trichromatické složky použitého normalizované-ho (bílého) světla. Pro ostatní X, Y, Z se provádí lineární extrapolace

17. Chromatické souřadnice zdrojů světla Sytost a odstín • z chromatických souřadnic a* a b* prostoru CIELAB lze vypočítat veličiny, které jsou intuitivní, protože odpovídají lidskému pojetí tvorby barev • je to měrná čistota - chromaC*ab (sytost) • a měrný úhel barevného tónu - hueh°ab(barevný tón, odstín)

18. Sytost a odstín • měrná čistota barvy určuje vzdálenost od středu chromatické roviny a*b* • odstín udává úhel ve stupních v rovině a*b* • poloosa a* (červená 0°), • poloosa b* (žlutá 90°), • poloosa –a* (zelená 180°), • poloosa –b* (modrá 270°)

19. Výpočet odchylek mezi barvami • barevný prostor CIELAB (CIELUV) umožňuje také výpočet • objektivních odchylek ΔE*ab (rozdíl barev) mezi jednotlivými barvami z odchylek jasu ΔL* • a odchylek chromatických souřadnic Δa* (resp. Δu*) a Δb* (resp. Δv*) • rozdíl barev ΔE*ab představuje důležitou, obecně uznávanou metodu hodnocení rozdílu barev. Podle její velikosti lze hodnotit např. kvalitu monitorů, shodu mezi tisky apod.

20. Hodnocení odchylek mezi barvami • samostatně lze hodnotit i odchylky jednotlivých složek • ΔL* > 0 vzorek je světlejší (a naopak) • Δa* > 0 vzorek je červenější (a naopak zelenější) • Δb* > 0 vzorek je žlutější (a naopak modřejší) • ΔC*ab > 0 vzorek je sytější - více chromatický

21. Další prostorové diagramy Standardní barevný prostor CIE 1976 (L*u*v*) - CIELUV • konstruuje se z chromatického diagramu CIE Yu’v’ • má podobné vlastnosti jako barevný prostor CIELAB Význam prostorových diagramů • uvedené barevné prostory, zejména prostor CIELAB mají významné postavení v technologiích správy barev (Color Managementu), protože umožňují spolehlivou archivaci nezkreslených barevných obrazů. • jsou nezávislé na typu zařízení a proto se používají v modulu správy barev (Color Management Modul) k převodu barev mezi jednotli-vými zařízeními (např. skenerem a tiskárnou).

22. Přístrojově závislé prostorové diagramy Prostorový model CIE RGB • model je podmnožinou modelu CIE L*a*b* • jeho základní složky tvoří červená (R), zelená (G) a modrá (B) barva • aditivním mícháním těchto tří primárních barev může vzniknout jakákoliv jiná barva. • převod na odstíny šedé se prová-dí s ohledem na citlivost lidské-ho oka (nejcitlivější je na zele-nou) podle vztahu • z barevného prostoru RGB lze odvodit doplňkový barevný pro-stor CMY, odečtením složek od bílé barvy • na prostoru RGB je založeno zo-brazování barev většiny elektro-nických zobrazovacích systémů

23. Přístrojově závislé prostorové diagramy Prostorový model HSB • je odvozen z modelu RGB • základními komponentami jsou hue (H), saturation (S) a brightness (B) • barevný tón označuje převládající spektrální barvu • sytost určuje příměsi jiných barev • jas určuje množství bílého světla • model má tvar šestibokého jehlanu, vrchol má černou barvu (K) • jas roste směrem k podstavě, střed podstavy tvoří bílá barva • sytost je dána vzdáleností bodu od osy jehlanu • dominantní barvy leží na plášti jehlanu • čisté barvy jsou u obvodu podstavy • v literatuře se tento prostor často označuje jako HSV (V - value).

24. Přístrojově závislé prostorové diagramy Prostorový model HLS • je odvozen z modelu RGB • základní komponenty jsou hue (H), lightness (L) a saturation (S) • má tvar dvou kuželů obrácených podstavami k sobě • barevný tón je vyjádřen úhlovou hod-notou (0 - 360°), • světlost se mění od nuly (black, dolní vrchol) do jedné (white, horní vrchol) • sytost nabývá na povrchu kuželu hod-noty jedna a klesá na nulu směrem k ose kuželů • čisté barvy leží na obvodu podstav kuželů • nejvíce různých barev vnímáme při průměrném osvětlení (oblast podstav) • schopnost rozlišit barvy klesá jak při velkém ztmavení, tak při přesvětlení.