Barevné modely

Barevný model je abstraktní matematický model popisující způsob, jakým lze barvy reprezentovat jako trojice čísel, obvykle jako tři nebo čtyři hodnoty nebo barevné složky. Pokud je tento model spojen s přesným popisem toho, jak mají být složky interpretovány (podmínky zobrazení atd.), nazývá se výsledná množina barev barevný prostor. Tato část popisuje způsoby, jakými lze modelovat lidské barevné vidění.

3D zobrazení lidského barevného prostoru.

Tento prostor si můžeme představit jako oblast v trojrozměrném euklidovském prostoru, pokud osy x, y a z ztotožníme s podněty pro receptory dlouhé (L), střední (M) a krátké (S) vlnové délky. Počátek (S,M,L) = (0,0,0) odpovídá černé barvě. Bílá barva nemá v tomto diagramu žádnou definovanou pozici; je spíše definována podle požadované teploty barev nebo vyvážení bílé barvy, nebo podle toho, jak je k dispozici z okolního osvětlení. Lidský barevný prostor je kužel ve tvaru podkovy, jak je znázorněno zde (viz také diagram chromatičnosti CIE níže), který se táhne od počátku v zásadě do nekonečna. V praxi se lidské barevné receptory při extrémně vysokých intenzitách světla nasytí nebo dokonce poškodí, ale takové chování není součástí barevného prostoru CIE a ani měnící se vnímání barev při nízkých hladinách osvětlení (viz: Kruithofova křivka).

Lidský tristimulový prostor má tu vlastnost, že aditivní míchání barev odpovídá sčítání vektorů v tomto prostoru. Díky tomu lze například snadno popsat možné barvy (gamut), které lze sestavit z červené, zelené a modré primární barvy na počítačovém displeji.

Standardní kolorimetrické pozorovací funkce CIE1931 mezi 380 nm a 780 nm (v intervalech po 5 nm).

Jedním z prvních matematicky definovaných barevných prostorů je barevný prostor CIE XYZ (známý také jako barevný prostor CIE 1931), který vytvořila Mezinárodní komise pro osvětlení v roce 1931. Tato data byla měřena pro lidské pozorovatele a zorné pole 2 stupně. V roce 1964 byly zveřejněny doplňující údaje pro 10stupňové zorné pole.

Obrázek vlevo ukazuje související diagram chromatičnosti s vlnovými délkami v nanometrech.

V tomto diagramu jsou x a y vztaženy k hodnotám tristimulu X, Y a Z ve výše uvedeném lidském tristimulovém barevném prostoru podle:

Z matematického hlediska jsou x a y projektivní souřadnice a barvy chromatického diagramu zaujímají oblast reálné projektivní roviny. Protože křivky citlivosti CIE mají stejné plochy pod křivkami, světlo s plochým energetickým spektrem odpovídá bodu (x,y) = (0,333,0,333).

Doporučujeme:  Bradford Keeney

Hodnoty X, Y a Z se získají integrací součinu spektra světelného paprsku a publikovaných funkcí pro porovnávání barev. Modrá a červená vlnová délka se na svítivosti výrazně nepodílí, což ilustruje následující příklad:

Pro člověka s normálním barevným viděním je zelená barva jasnější než červená, která je jasnější než modrá. Přestože se čistá modrá barva jeví jako velmi tmavá a při pozorování z dálky ji lze jen stěží rozeznat od černé, ve směsi se zelenou nebo červenou barvou má modrá výraznou barvicí schopnost.

U některých forem „červeno-zelené barvosleposti“ je zelená barva jen o málo jasnější než modrá a červená je tak tmavá, že ji lze jen stěží rozeznat. Červená světla na semaforech se za jasného denního světla jeví jako rozbitá (bez světla). Zelené světlo semaforu se jeví jako špinavě bílé a těžko rozeznatelné od nočního pouličního osvětlení.

Barevný prostor CIE-xyz je na rozdíl od výše uvedeného kuželového tristimulového prostoru hranol. Ve dvourozměrném zobrazení xy tvoří všechny možné aditivní směsi dvou barev A a B přímku. Aditivní směs dvou barev však obecně neleží ve středu této přímky.

Média, která přenášejí světlo (např. televize), používají aditivní míchání barev se základními barvami červenou, zelenou a modrou, z nichž každá stimuluje jeden ze tří typů očních barevných receptorů s co nejmenší stimulací ostatních dvou. Tomu se říká barevný prostor „RGB“ – viz také barevný model RGB. Směsi světla těchto základních barev pokrývají velkou část lidského barevného prostoru a vytvářejí tak velkou část lidských barevných vjemů. Proto barevné televizory nebo barevné počítačové monitory musí produkovat pouze směsi červeného, zeleného a modrého světla. Viz Aditivní barva.

V zásadě by bylo možné použít i jiné základní barvy, ale pomocí červené, zelené a modré lze zachytit největší část lidského barevného prostoru. Bohužel neexistuje přesná shoda na tom, jaká místa v diagramu chromatičnosti by měly mít červená, zelená a modrá barva, takže stejné hodnoty RGB mohou na různých obrazovkách vyvolat mírně odlišné barvy.

Zobrazení HSV a HSL

Vzhledem k tomu, že geometrie modelu RGB je špatně sladěna s atributy tvorby barev rozpoznávanými lidským zrakem, vyvinuli výzkumníci v oblasti počítačové grafiky koncem 70. let 20. století dvě alternativní reprezentace RGB, HSV a HSL (hue, saturation, value a hue, saturation, lightness), které byly formálně definovány a popsány v článku Alvyho Raye Smithe „Color Gamut Transform Pairs“ z roku 1978. HSV a HSL vylepšují reprezentaci barevné kostky RGB tím, že barvy jednotlivých odstínů uspořádávají do radiálního řezu kolem centrální osy neutrálních barev, která sahá od černé dole po bílou nahoře. Plně syté barvy každého odstínu pak leží v kruhu, barevném kole.

Doporučujeme:  Raymond Dodge

HSV se modeluje podle směsi barev, přičemž jeho sytost a hodnota se podobají směsi jasně barevné barvy s bílou a černou. HSL se snaží podobat více percepčním modelům barev, jako je NCS nebo Munsell. Umísťuje plně syté barvy do kruhu světlosti ½, takže světlost 1 vždy znamená bílou a světlost 0 vždy znamená černou.

HSV i HSL se hojně používají v počítačové grafice, zejména jako nástroje pro výběr barev v softwaru pro úpravu obrázků. Matematickou transformaci z RGB do HSV nebo HSL bylo možné vypočítat v reálném čase i na počítačích ze 70. let a mezi barvami v obou těchto prostorech a jejich projevem na fyzickém zařízení RGB existuje snadno pochopitelné mapování.

Porovnání barevných modelů RGB a CMYK.

Kombinací azurových, purpurových a žlutých průhledných barviv na bílém podkladu lze dosáhnout velkého nesprávného rozsahu barev, které člověk vnímá. Jedná se o subtraktivní základní barvy. Často se přidává čtvrtá černá pro zlepšení reprodukce některých tmavých barev. Tento barevný prostor se nazývá „CMY“ nebo „CMYK“.

Azurový inkoust odráží všechno světlo kromě červeného, žlutý inkoust odráží všechno světlo kromě modrého a purpurový inkoust odráží všechno světlo kromě zeleného. Je to proto, že azurové světlo je stejnou směsí zelené a modré, žluté je stejnou směsí červené a zelené a purpurové je stejnou směsí červené a modré.

Existují různé typy barevných systémů, které klasifikují barvy a analyzují jejich účinky. Americký Munsellův barevný systém, který navrhl Albert H. Munsell, je známá klasifikace, která řadí různé barvy do barevných jednotek na základě odstínu, sytosti a hodnoty. Mezi další významné barevné systémy patří švédský systém přirozených barev (NCS) Skandinávského barevného institutu, jednotný barevný prostor Americké optické společnosti (OSA-UCS) a maďarský systém Coloroid, který vyvinul Antal Nemcsics z Budapešťské technické a ekonomické univerzity. Z těchto systémů je NCS založen na oponentně-procesním barevném modelu, zatímco Munsell, OSA-UCS a Coloroid se snaží modelovat jednotnost barev. Americký systém Pantone a německý komerční systém shody barev RAL se od předchozích liší tím, že jejich barevné prostory nejsou založeny na základním barevném modelu.

Doporučujeme:  Výčitky svědomí

Další použití výrazu „color model“

Modely mechanismu barevného vidění

Termín „barevný model“ používáme také pro označení modelu nebo mechanismu barevného vidění, který vysvětluje, jak jsou barevné signály zpracovávány ze zrakových čípků do gangliových buněk. Pro zjednodušení nazýváme tyto modely modely barevných mechanismů. Klasickými modely barevných mechanismů jsou Youngův-Helmholtzův trichromatický model a Heringův model optického procesu. Ačkoli se zpočátku mělo za to, že tyto dvě teorie jsou v rozporu, později se ukázalo, že mechanismy odpovědné za barevnou oponenci přijímají signály ze tří typů čípků a zpracovávají je na složitější úrovni.

Evoluce barevného vidění obratlovců

Obratlovci byli původně tetrachromatičtí. Měli čípky pro krátké, střední a dlouhé vlnové délky a čípky citlivé na ultrafialové záření. Dnes jsou tetrachromatické ryby, plazi a ptáci. Placentální savci ztratili čípky pro krátké i střední vlnové délky. Většina savců tedy nemá komplexní barevné vidění, ale je citlivá na ultrafialové světlo. Lidské trichromatické barevné vidění je nedávnou evoluční novinkou, která se poprvé vyvinula u společného předka primátů Starého světa. Naše trichromatické barevné vidění se vyvinulo duplikací opsinu citlivého na dlouhé vlnové délky, který se nachází na chromozomu X. Jedna z těchto kopií se vyvinula jako citlivá na zelené světlo a tvoří náš opsin pro střední vlnové délky. Zároveň se náš opsin pro krátké vlnové délky vyvinul z opsinu pro ultrafialové záření našich předků z řad obratlovců a savců.

Lidská červeno-zelená barvoslepost vzniká proto, že dvě kopie genů pro červený a zelený opsin zůstávají na chromozomu X v těsné blízkosti. Kvůli časté rekombinaci během meiózy se tyto páry genů mohou snadno přeskupit a vytvořit verze genů, které nemají odlišnou spektrální citlivost.