Легкость - Lightness

Три тона в цветовой модели Munsell . Каждый цвет отличается по величине сверху вниз с одинаковыми шагами восприятия. Правый столбец претерпевает резкое изменение воспринимаемого цвета.

Легкость - это визуальное восприятие яркости объекта. Его часто судят относительно такого же освещенного объекта. В колориметрических моделях и моделях внешнего вида светлота - это предсказание того, как освещенный цвет будет казаться стандартному наблюдателю. В то время как яркость - это линейное измерение света, легкость - это линейное предсказание человеческого восприятия этого света.

Это связано с тем, что восприятие легкости человеческим зрением нелинейно по отношению к свету. Удвоение количества света не приводит к удвоению воспринимаемой легкости, а только к небольшому увеличению.

Символ воспринимаемой легкости обычно используется либо в CIECAM02, либо в CIELAB и CIELUV . ("Lstar") не следует путать с обозначением яркости. В некоторых системах упорядочивания цветов, таких как Munsell , светлота указывается как значение . Некоторые цветовые модели, такие как HSV, также используют значение как альтернативный термин для обозначения яркости. и теория цвета


Легкость в разных цветовых пространствах

Рис. 2а. SRGB гамма отображается в CIELAB пространстве. Обратите внимание, что линии, указывающие на красный, зеленый и синий основные цвета, неравномерно распределены по углу оттенка и имеют неодинаковую длину. Первичные цвета также имеют разные значения L *.
Рис. 2б. Adobe RGB цветовой гаммы отображается в CIELAB пространстве. Также обратите внимание, что эти два пространства RGB имеют разные гаммы и, следовательно, будут иметь разные представления HSL и HSV.

В некоторых цветовых пространствах или цветовых системах, таких как Munsell, HCL и CIELAB, яркость (значение) ахроматически ограничивает максимальные и минимальные пределы и действует независимо от оттенка и цветности. Например, значение Манселла 0 - чистый черный, а значение 10 - чисто белый. Следовательно, цвета с различимым оттенком должны иметь значения между этими крайними значениями.

В субтрактивной цветовой модели (например, краска, краситель или чернила) светлота изменяется на цвет с помощью различных оттенков, оттенков или тонов, которые могут быть достигнуты путем добавления белого, черного или серого соответственно. Это также снижает насыщенность . И светотень, и тенебризм используют преимущества драматических контрастов ценностей, чтобы усилить драматизм в искусстве. Художники также могут использовать затенение , тонкую манипуляцию ценностями.

В HSL и HSV отображаемая яркость зависит от оттенка и цветности для данного значения яркости, другими словами, выбранное значение яркости не предсказывает фактическую отображаемую яркость или 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 являются чисто черными. Если оттенок и насыщенность остаются постоянными, то увеличение значения увеличивает яркость, так что значение 1 является самым светлым цветом с заданными 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 связано с отображаемой яркостью, которая определяется оттенком. Т.е. желтый цвет имеет более высокую яркость, чем синий, даже если значение яркости установлено на заданное число.

Хотя HSL, HSV и аналогичные пространства достаточно хорошо подходят для выбора или настройки одного цвета, они не являются однородными по восприятию. Они жертвуют точностью ради вычислительной простоты, поскольку они были созданы в эпоху, когда компьютерные технологии были ограничены в производительности.

Если мы возьмем изображение и извлечем компоненты оттенка, насыщенности и яркости или значения для данного цветового пространства, мы увидим, что они могут существенно отличаться от другого цветового пространства или модели. Например, рассмотрите следующие изображения дыхательного аппарата огня ( рис. 1 ). Оригинал находится в цветовом пространстве sRGB. CIELAB является перцептивно равномерным предсказанием светлоты , который является производной от яркости , но отбрасывает и , из цветового пространства CIE XYZ . Обратите внимание, что по воспринимаемой легкости это 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 перцептивно однородными, ни однородными по яркости.

Полноцветное изображение показывает высококонтрастную и весьма драматичную сцену огнедышащего с большим оранжево-желтым пламенем, выходящим из его губ.  Он носит темную, но яркую оранжево-красную одежду.
Рис. 1а. Цветная фотография (цветовое пространство sRGB).
Изображение в градациях серого, показывающее компонент яркости CIELAB фотографии, кажется точным воспроизведением сцены: оно выглядит примерно так, как будет выглядеть черно-белая фотография, сделанная на панхроматической пленке, с четкими деталями в пламени, которое намного ярче чем мужской костюм или фон.
Рис. 1б. CIELAB L * (преобразован обратно в sRGB для согласованного отображения).
Изображение в оттенках серого, показывающее яркость, выглядит примерно так, как изображение яркости CIELAB, но немного ярче в областях, которые изначально были очень красочными.
Рис. 1в. Рек. 601 яркость Y .
Изображение в градациях серого, показывающее компонентную среднюю (интенсивность HSI) фотографии, является гораздо менее убедительным факсимиле цветной фотографии с пониженным контрастом, особенно с его более темным пламенем, чем в оригинале.
Рис. 1г. Средний компонент: «интенсивность» Я .
Изображение в градациях серого, показывающее компонент значения HSV фотографии, оставляет пламя полностью белым (на языке фотографов, «потухшим»), а одежда мужчины - слишком яркой.
Рис. 1д. ВПГ значение V .
Изображение в градациях серого, показывающее компонент яркости HSL фотографии, отображает пламя примерно как средне-серый и разрушает драматический эффект оригинала, радикально уменьшая его контраст.
Рис. 1е. HSL светлота L .

Отношение к значению и относительной яркости

Величина Манселла долгое время использовалась как воспринимаемая единообразная шкала легкости. Интересный вопрос - соотношение между шкалой значений Манселла и относительной яркостью . Зная о законе Вебера – Фехнера , Манселл заметил: «Что нам следует использовать: логарифмическую кривую или кривую квадратов?» Ни один из вариантов не оказался правильным; в конечном итоге ученые сошлись на кривой кубического корня, соответствующей степенному закону Стивенса для восприятия яркости, отражающему тот факт, что легкость пропорциональна количеству нервных импульсов на нервное волокно в единицу времени. Остальная часть этого раздела представляет собой хронологию приближений легкости, ведущую к CIELAB .

Примечание. - V Манселла изменяется от 0 до 10, а Y обычно 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 коэффициент отражения 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.

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

1920 г.

Priest et al. предоставить базовую оценку значения Манселла ( в данном случае Y изменяется от 0 до 1):

1933 г.

Манселл, Слоан и Годлав запускают исследование шкалы нейтральных значений Манселла, рассматривая несколько предложений, связывающих относительную яркость со значением Манселла, и предлагают:

1943 г.

Ньюхолл, Никерсон и Джадд готовят для Оптического общества Америки отчет о ренотации Манселла. Они предлагают квинтическую параболу (относящую отражательную способность к величине):

1943 г.

Используя Таблицу II отчета OSA, Мун и Спенсер выражают значение в терминах относительной яркости:

1944 г.

Сондерсон и Милнер вводят вычитающую константу в предыдущем выражении для лучшего соответствия значению Манселла. Позже Джеймсон и Хурвич утверждают, что это исправляет одновременные эффекты контраста .

1955 г.

Лэдд и Пинни из Eastman Kodak интересуются значением Манселла как воспринимаемой однородной шкалой яркости для использования на телевидении . После рассмотрения одной логарифмической и пяти степенных функций (согласно степенному закону Стивенса ) они связывают значение с коэффициентом отражения, повышая коэффициент отражения до степени 0,352:

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

1958 г.

Glasser et al. определите яркость как десятикратное значение Манселла (так, чтобы яркость варьировалась от 0 до 100):

1964 г.

Вышецкий упрощает это до:

Эта формула аппроксимирует функцию значений Манселла для 1% < Y <98% (не применимо для Y <1% ) и используется для цветового пространства CIE 1964 .

1976 г.

CIELAB использует следующую формулу:

где Y n - трехцветное значение CIE XYZ Y контрольной белой точки (нижний индекс n означает «нормализованный») и подлежит ограничению.Y/Да нет> 0,01 . Паули снимает это ограничение, вычисляя линейную экстраполяцию, которая отображаетY/Да нет= 0 до L * = 0 и касается приведенной выше формулы в точке, в которой линейное удлинение вступает в силу. Во-первых, точка перехода определяется какY/Да нет знак равно6/29) 3 ≈ 0,008856 , то наклон (29/3) 3 ≈ 903,3 . Это дает двухчастную функцию:

Тогда легкость:

На первый взгляд, вы могли бы аппроксимировать функцию яркости кубическим корнем - приближение, которое можно найти в большей части технической литературы. Тем не менее, линейный сегмент рядом с черным имеет значение, как и коэффициенты 116 и 16. Наиболее подходящая функция чистой мощности имеет показатель порядка 0,42, что далеко от1/3. Серая карта примерно 18% , имеющая точную отражательную способность (33/58) 3 , имеет значение яркости 50. Он называется « средне-серым », потому что его яркость находится на полпути между черным и белым.

1997 г.

Еще в 1967 году у рыб была обнаружена гиперболическая взаимосвязь между интенсивностью света и реакциями колбочек в соответствии с кинетической моделью биохимических реакций Михаэлиса-Ментен . В 70-х годах такая же взаимосвязь 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:

1 / V ~ 1 + (σ / I) 0,74 , 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. Это вдохновило на успехи в цветном моделировании, и когда Международная комиссия по освещению провела симпозиум в 1996 году, были сформулированы цели для новой стандартной цветовой модели, а в 1997 году были стандартизированы CIECAM97s (Международная комиссия по освещению, модель внешнего вида, 1997, простая версия). CIECAM97s различает яркость, то есть то, как что-то кажется светом по сравнению с таким же освещенным белым объектом, и яркость, то есть сколько света кажется, что светит что-то. Согласно CIECAM97s 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 был выбран таким образом, чтобы:

Это моделирует то, что образец будет темнее на светлом фоне, чем на темном фоне. См. Эффект контраста для получения дополнительной информации по теме. Когда n =1/5, cz = 1, что соответствует предположению, что большинство сцен имеют среднюю относительную яркость 1/5по сравнению с ярко-белым, и поэтому образец в таком окружении должен восприниматься с должной легкостью. Величина A моделирует отклик ахроматического конуса; это зависит от цвета, но для серого образца в ярких условиях это работает как:

N bb - коэффициент выдумки, 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 адаптируемого поля зрения в целом, измеренная в кд / м 2 . Ахроматический отклик следует за своего рода S-образной кривой в диапазоне от 1 до 123, числа, которые следуют из способа усреднения откликов колбочки и которые в конечном итоге основаны на грубой оценке полезного диапазона нервных импульсов в секунду, и которая имеет довольно большой промежуточный диапазон, в котором он примерно соответствует кривой квадратного корня. Тогда яркость согласно CIECAM97s составляет:

Q = (1,24 / c) (Дж / 100) 0,67 ( Белый + 3) 0,9

Коэффициент 1,24 / c - это коэффициент объемного звучания, который отражает то, что сцены выглядят ярче в темных окружающих условиях. Также были сформулированы предложения по более полной модели, CIECAM97C, чтобы учесть несколько эффектов в чрезвычайно темных или ярких условиях, цветное освещение, а также эффект Гельмгольца-Кольрауша, когда образцы с высокой хроматичностью 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 вычисляется из J HK, а не из J. Эта формула имеет эффект увеличения яркости и яркости цветных образцов. Чем больше цветность, тем сильнее эффект; для очень насыщенных цветов C может быть близко к 100 или даже выше. Абсолютный синус имеет резкую V-образную долину с нулем на желтом и широкое плато в глубоком синем.

2002 г.

Ахроматический отклик в CIECAM97s представляет собой взвешенное добавление откликов конуса минус 2,05. Поскольку сумма общего шума составляет 3,05, это означает, что A и, следовательно, J и Q не равны нулю для абсолютного черного. Чтобы исправить это, Ли, Луо и Хант предложили вместо этого вычесть 3,05, чтобы шкала начиналась с нуля. Хотя CIECAM97s был успешной моделью для стимулирования и направления колориметрических исследований, Фэирчайлд чувствовал, что для практического применения необходимы некоторые изменения. Те, которые имели отношение к расчетам освещенности, заключались в том, чтобы вместо использования нескольких дискретных значений для коэффициента объемного звучания c учесть линейную интерполяцию с и, таким образом, позволить использовать модель в промежуточных условиях объемного звучания, а также упростить z, чтобы исключить особый случай для больших стимулы, потому что он чувствовал, что они не имеют отношения к приложениям визуализации. Основываясь на результатах экспериментов, Хант, Ли, Хуан и Луо предложили ряд улучшений. Актуальным для обсуждаемой темы является то, что они предложили немного снизить z. Ли и Луо обнаружили, что цветовое пространство, основанное на таком модифицированном CIECAM97, использующее яркость в качестве одной из координат, было более однородным по восприятию, чем CIELAB. Из-за формы S-кривой отклика конуса, когда яркость цвета уменьшается, даже если его спектральный состав остается неизменным, разные отклики конуса не совсем изменяются с одинаковой скоростью по отношению друг к другу. Поэтому вполне вероятно, что воспринимаемый оттенок и насыщенность изменятся при низких уровнях яркости. Но CIECAM97s предсказывает гораздо большие отклонения, чем обычно считается вероятным, и поэтому Хант, Ли и Луо предложили использовать кривую ответа конуса, которая аппроксимирует кривую мощности для гораздо большего диапазона стимулов, поэтому оттенок и насыщенность лучше сохраняются. Все эти предложения, а также другие, касающиеся цветности, привели к новой модели внешнего вида цвета, CIECAM02. В этой модели формула легкости осталась прежней:

J = 100 ( образец / белый ) cz

Но все количества, входящие в эту формулу, так или иначе меняются. Параметр c теперь непрерывно изменяется, как обсуждалось выше, и z = 1,48 + √n. Хотя это выше, чем z в CIECAM97, общий эффективный коэффициент мощности очень похож, потому что эффективный коэффициент мощности ахроматического отклика намного ниже:

Как и прежде, эта формула предполагает яркое освещение. Помимо 1220, которое является результатом произвольно принятой константы отклика конуса, различные константы в CIECAM02 были подогнаны к экспериментальным наборам данных. Выражение яркости также сильно изменилось:

Обратите внимание, что вопреки предложению CIECAM97C, CIECAM02 не содержит положений для эффекта Гельмгольца-Кольрауша.

Другие психологические эффекты

Это субъективное восприятие яркости нелинейным образом - это то, что делает гамма-сжатие изображений целесообразным. Помимо этого явления есть и другие эффекты, связанные с восприятием легкости. Цветность может влиять на воспринимаемую легкость, как описано с помощью эффекта Гельмгольца – Кольрауша . Хотя пространство CIELAB и его родственники не учитывают этот эффект на легкость, он может подразумеваться в цветовой модели Манселла. Уровни света также могут влиять на воспринимаемую цветность, как и в случае эффекта Пуркинье .

Смотрите также

Примечания

использованная литература

внешние ссылки

СМИ, связанные с легкостью, на Викискладе?