Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
тогда, когда стимул полностью изолирован от других стимулов. Примером сти
мула, демонстрирующего чистоту цвета (но не насыщенность) является изоли
рованный от других ночной сигнальный огонь — обычно красные, желтые или
зеленые, такие огни весьма чисты и по цветовому восприятию их можно срав
нивать со светом фар приближающегося автомобиля, чистота цвета которых
близка к нулю (поскольку они, как правило, белые).
Чистоту цвета иногда описывают на примере т.н. теневых рядов, апеллируя
при этом к изменению цвета, которое наблюдают тогда, когда единичный объ
ект попадает в тень: когда объект оказывается в глубокой тени, он начинает
восприниматься более темным, но чистота его цвета остается неизменной, что
можно проследить по рис. 4.1, предположив при этом, что пространство осве
щено единственным источником. В этом случае все стороны всех трех окрашен
ных кубиков будут иметь более или менее постоянную чистоту цвета.
4.7 ИЗОЛИРОВАННЫЕ И НЕИЗОЛИРОВАННЫЕ ЦВЕТА
ð
Изолированный цвет (Unrelated Color) — это цвет области просмотра
или объекта, воспринимаемый изолированно от иных цветов.
ð
Неизолированный цвет (Related Color) — это цвет области просмотра
или объекта, воспринимаемый в сравнении с иными цветами.
Разница между изолированными и неизолированными цветами критична
для четкого понимания процессов цветового восприятия, но определения про
сты: неизолированные цвета оцениваются по отношению к цвету других цвето
вых стимулов, тогда как изолированные цвета — это цвета самостоятельные.
Почти в каждой области, имеющей отношение к цветовому восприятию, опери
руют неизолированными цветами, которые, наряду с изолированными, также
находятся в центре внимания нашей книги; при этом важно отметить, что мно
гие эксперименты, заложившие основу понимания механизмов цветового зре
ния и цветового восприятия, были выполнены с изолированными стимула
ми — изолированными цветами: об этом всегда нужно помнить и не пытаться
прогнозировать явления, происходящие с неизолированными цветами, прибе
гая к моделям, построенным на изолированных цветах, и наоборот.
Время от времени о неизолированных цветах говорят как о восприятии цве
товых стимулов неких объектов, а об изолированных — как о восприятии само
светящихся стимулов. Такие суждения ошибочны, ведь стимул от объекта мо
жет быть воспринят изолированно и, следовательно, цвет будет изолирован
ным, в то же время, самосветящиеся стимулы (скажем, стимулы CRTдисплея)
могут наблюдаться один в сравнении с другим и, таким образом, восприни
маться как неизолированные цвета.
Различные явления, обсуждаемые в данной книге, касаются либо изолиро
ванных, либо неизолированных цветов. Очень интересным примером является
восприятие серого и коричневого цветовых стимулов. Серый и коричневый не
возможно воспринимать безотносительно к другим цветам: серый — это ахро
матический цвет, светлота которого существенно ниже белого; коричневый —
119
ГЛАВА 4 ТЕРМИНОЛОГИЯ МОДЕЛЕЙ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
это оранжевый с низкой светлотой. Оба цветовых наименования определены
тем или иным уровнем светлоты, но поскольку светлота и насыщенность требу
ют оценки по отношению к какимлибо иным стимулам, полученным при сход
ном освещении, эти цвета не могут быть изолированными.
Для того чтобы убедиться в справедливости вышесказанного, попробуйте
найти свет, который виден изолированно (то есть в очень темном окружении)
и воспринимается при этом как серый или коричневый — вряд ли вам это уда
стся. Эффектно продемонстрировать относительность этих цветов можно с по
мощью светового пятна, воспринимаемого как белое (или как оранжевое) и на
ходящегося в белом окружении. Если начать повышать яркость белого окру
жения, то спустя некоторое время восприятие оригинального стимула изме
нится от белого (или оранжевого) к серому (или к коричневому); если же яр
кость окружения увеличить очень сильно, то оригинальный стимул будет вос
приниматься вообще как черный.
Интересный разговор о коричневом цвете предлагают Бартлесон (1976),
Фулд и др. (1983), Маусфельд и Нидерэ (1993).
Выбор наименования, определяющего цветовое восприятие, зависит от
предварительного учета различия между неизолированными и изолированны
ми цветами. У изолированных цветов существуют лишь следующие атрибуты
восприятия: цветовой тон, субъективная яркость, полнота цвета и его чистота.
У изолированных цветов отсутствуют те атрибуты цветового восприятия, кото
рые являются результатом оценки относительно белого (и сходным образом ос
вещенного) объекта. С другой стороны, у неизолированных цветов присутству
ют все атрибуты восприятия: цветовой тон, субъективная яркость, светлота,
полнота цвета, насыщенность и чистота.
4.8 ОПРЕДЕЛЕНИЯ В ВИДЕ ФОРМУЛ
Понятия, точно описывающие цветовое восприятие, периодически путают.
Поэтому, для того чтобы сохранить точность определений, часто прибегают
к простым формулам, которые не являются строго математическими и дают
лишь общее описание взаимоотношений между различными атрибутами цвето
вого восприятия. Понимание определений в логике данных формул — это крае
угольный камень понимания сути различных моделей цветового восприятия.
О насыщенности можно говорить как о полноте цвета, взятой относительно
субъективной яркости белого объекта, освещенного сходным образом (форму
ла 4.1):
Насыщенность
Полнота цвета
Субъективная яркость белог
=
(
о)
(4.1)
Чистота может быть описана как полнота цвета стимула, взятая относитель
но его субъективной яркости (формула 4.2):
Чистота цвета
Полнота цвета
Субъективная яркость
=
(4.2)
120
ГЛАВА 4 ТЕРМИНОЛОГИЯ МОДЕЛЕЙ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Наконец, светлота может быть представлена как отношение субъективной
яркости стимула к субъективной яркости сходным образом освещенного бело
го объекта (формула 4.3):
Светлота
Субъективная яркость
Субъективная яркость бе
=
(
лого)
(4.3)
Пользу от формулировки определений в виде формул можно продемонстри
ровать с помощью альтернативного определения чистоты (используемого в не
которых моделях цветового восприятия), в котором чистота цвета — это отно
шение насыщенности к светлоте (формула 4.4):
Чистота цвета
Насыщенность
Светлота
=
(4.4)
Доказать это можно путем замены насыщенности и светлоты в данной фор
муле формулами их первичного определения: формулы 4.1 и 4.3. На выходе по
лучим формулу 4.5:
Чистота цвета
Полнота цвета
Субъективная яркость белог
=
(
о
Субъективная яркость белого
Субъективная яркость)
()
×
(4.5)
Выполнив алгебраическое сокращение понятия «Субъективная яркость (бе
лого)», получим, что чистота цвета представляет собой отношение полноты
цвета стимула к его субъективной яркости (формула 4.6), которое окажется
идентичным оригинальному определению по формуле 4.2:
Чистота цвета
Полнота цвета
Субъективная яркость
=
(4.6)
4.9 СУБЪЕКТИВНАЯ ЯРКОСТЬ/ПОЛНОТА ПРОТИВ
СВЕТЛОТЫ/НАСЫЩЕННОСТИ
О цвете, как правило, думают как о трехмерном явлении, и цветовые соот
ветствия, как правило, оценивают при помощи только трех чисел. Однако вы
ясняется, что для детального описания цветового восприятия трех измерений
недостаточно и что фактически для спецификации цветового восприятия необ
ходимы пять перцепционных измерений:
•Субъективная яркость
•Светлота
•Полнота цвета
•Насыщенность
•Цветовой тон
121
ГЛАВА 4 ТЕРМИНОЛОГИЯ МОДЕЛЕЙ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Чистота избыточна, потому что автоматически известна, если известны все
пять атрибутов, перечисленных выше. Однако на практике почти никогда не
возникает необходимости знать все пять параметров: обычно наибольший ин
терес представляют неизолированные цвета и только относительные атрибуты
восприятия понастоящему важны. Таким образом, чаще всего стоит интересо
ваться относительными атрибутами восприятия, такими, как светлота, насы
щенность и цветовой тон.
Может показаться, что для описания цветового восприятия использование
всех пяти атрибутов излишне, однако это не всегда так, на что элегантно наме
кает Наятани (1990). В своей статье Наятани описывает теоретическую и экспе
риментальную разницу между перцепционным соответствием стимулов по
субъективной яркости/полноте и перцепционным соответствием по светло
те/насыщенности и показывает, что в большинстве условий просмотра эти два
способа сравнения различны.
Представьте себе, что в солнечный день вы смотрите на желтый школьный
автобус — его пример продемонстрирует типичные атрибуты восприятия: цве
товой тон (желтый), субъективная яркость (высокая), светлота (высокая), пол
нота цвета (высокая) и насыщенности (высокая). Теперь представьте себе, что
вы рассматриваете фоторепродукцию нашего школьного автобуса при относи
тельно слабом офисном или домашнем освещении: изображение автобуса будет
идеально соответствовать оригинальному объекту по цветовому тону (жел
тый), светлоте (высокая) и насыщенности (высокая), однако субъективная яр
кость и полнота цвета при рассматривании отпечатка в тусклом свете никогда
не будут равны таковым у реального автобуса, стоящего на ярком солнечном
свету. Так получается потому, что от отпечатка отражается гораздо меньше
световой энергии, чем от оригинального объекта, но если теперь с этим отпечат
ком выйти на залитую солнцем улицу и подойти к самому автобусу, то вполне
вероятно, что репродукция будет соответствовать оригиналу по всем пяти пара
метрам восприятия.
Встает вопрос: что важнее? — соответствие (то есть репродуцирование) по
субъективной яркости и полноте цвета или по светлоте и насыщенности? (От
метим, что цветовой тон определяется одинаково в обоих случаях.) Ответ, ко
нечно, зависит от конкретной задачи, но чаще всего результат определяется со
ответствием по светлоте и насыщенности, поскольку они являются наиболее
важными параметрами. Проиллюстрируем сказанное: в сфере цветового ре
продуцирования обычно возможно (и желательно) добиваться соответствия по
параметрам светлоты/насыщенности. Представьте, что вы пытаетесь выпол
нить репродуцирование по критерию «субъективная яркость/полнота цвета»
с помощью отражающей поверхности: чтобы воспроизвести изображение осве
щенного ярким солнцем школьного автобуса, пригодное для рассматривания
при офисном освещении, придется выполнить отпечаток, который должен в бу
квальном смысле слова гореть, дабы воспроизвести субъективную яркость
и полноту цвета оригинала. Решить такую задачу физически невозможно, но
можно пойти иным путем: с отпечатком в руках выйти на яркий свет. Но хотим
ли мы этого? Представьте себе, берем фотографию некоей персоны, сделанную
122
ГЛАВА 4 ТЕРМИНОЛОГИЯ МОДЕЛЕЙ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
при свете свечи, и выполняем репродукцию, предназначенную для рассматри
вания на солнечном свету: нам будет легко репродуцировать субъективную яр
кость и полноту цвета оригинальной сцены, но при бытовом освещении такая
фотография будет выглядеть очень темной (почти черной), и мы решим, что это
просто очень плохой отпечаток. Следовательно, заказчик цветовой репродук
ции на самом деле ожидает соответствия изображения по критерию «светлота
насыщенность».
Попытки выполнить репродуцирование, используя модель цветового вос
приятия, не учитывающую изменения яркости, даны на рис. 4.2 и 4.3.
Существует ряд ситуаций, когда критерий «субъективная яркость/полно
та» намного важнее, чем «светлота/насыщенность». Наятани (1990) отмечает
следующие:
1. Спецификация цветовоспроизводящих свойств источников освещения:
в данном контексте важнее знать, каковы будут не столько светлота и насы
щенность, сколько субъективная яркость и полнота цвета объектов под дан
ным световым источником.
2. Оценка качества изображения при том или ином способе репродуцирова
ния: к примеру, при сравнении качества диапозитивов, проектируемых на эк
ран с помощью эпидиаскопа в затемненном (или не очень затемненном) поме
щении, наблюдателей в первую очередь интересует субъективная яркость
123
ГЛАВА 4 ТЕРМИНОЛОГИЯ МОДЕЛЕЙ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Ñâåòëîòà/Íàñûùåííîñòü
Ñóá. ÿðêîñòü/Ïîëíîòà öâåòà
Ðåçóëüòàò
ðåïðîäóöèðîâàíèÿ
(5000 cd/m
2
)
Îðèãèíàë (50 cd/m
2
)
Ðåïðîäóöèðîâàíèå íà áîëüøóþ ñâåòèìîñòü
Рис. 4.2 Сравнение репродуцирования по светлоте/насыщенности с репродуцированием по
субъективной яркости/полноте. Яркость оригинала меньше, чем яркость репродукции. Ре
продуцирование по субъективной яркости/полноте приводит к тому, что изображение (для
компенсации повышенного уровня освещенности репродукции) становится очень темным. Ре
продуцирование по светлоте/насыщенности вполне адекватно оригиналу, поскольку опериру
ет относительными атрибутами восприятия.
и полнота цвета объектов изображения, нежели их светлота и насыщенность,
и если вдруг снизится яркость лампы эпидиаскопа, светлота и насыщенность
элементов изображения останутся в целом неизменными, но качество воспри
нимаемого изображения соответственно понизится.
ГЛАВА 4 ТЕРМИНОЛОГИЯ МОДЕЛЕЙ ЦВЕТОВОГО ВОСПРИЯТИЯ
Ðåçóëüòàò
ðåïðîäóöèðîâàíèÿ
(50 cd/m
2
)
Îðèãèíàë (5000 cd/m
2
)
Ðåïðîäóöèðîâàíèå íà ìåíüøóþ ñâåòèìîñòü
Ñâåòëîòà/Íàñûùåííîñòü
Ñóá. ÿðêîñòü/Ïîëíîòà öâåòà
Рис. 4.3 Сравнение репродуцирования по светлоте/насыщенности с репродуцированием по
субъективной яркости/полноте. Яркость оригинала больше, чем яркость репродукции. Репро
дуцирование по субъективной яркости/полноте приводит к тому, что изображение (для ком
пенсации пониженного уровня освещенности репродукции) становится очень светлым. Репро
дуцирование по светлоте/насыщенности вполне адекватно оригиналу, поскольку оперирует
относительными атрибутами восприятия.
5 ЦВЕТОВЫЕ
КООРДИНАТНЫЕ СИСТЕМЫ
К
оль скоро цвет зиждется на восприятии, то методом непосредственного
измерения цвета является метод психофизический, построенный на ис
пользовании равномерных перцепционных шкал, о которых шел разговор
в четвертой главе. Благодаря психофизическим экспериментам появилась воз
можность описывать стимулы на основе данных базовой колориметрии, преоб
разуя последние в атрибуты цветового восприятия.
Совокупность измеренных и описанных стимулов формирует цветовую ко
ординатную систему, которая позволяет давать однозначную спецификацию
цветовому восприятию, но при этом не стоит ожидать, что описание цветов,
данное в рамках той или иной координатной системы, будет распространяться
на все возможные условия просмотра или что оно будет иметь прямую матема
тическую связь с физическими измерениями. Таким образом, цветовые коор
динатные системы обеспечивают нас методиками и данными, необходимыми
для спецификации цветового восприятия, но при этом не предлагают матема
тической структуры, позволяющей интерпретировать эти данные в нестан
дартных условиях просмотра, — поэтому, несмотря на очень важную роль цве
товых координатных систем в создании и испытании моделей цветового вос
приятия, цветовые координатные системы не могут заменить собой сами эти
модели.
В данной главе мы даем обзор тех координатных систем, что особенно важны
в деле моделирования цветового восприятия и аппаратнонезависимого цвето
воспроизведения. Значимость цветовых координатных систем и их роль будут
подробно обсуждаться как в текущей, так и в последующих главах.
Дополнительные сведения о цветовых координатных системах можно най
ти в статье Бернса по колориметрии (Бернс, 2000), статье Ханта о цветовых из
мерениях (Хант, 1991, 1998), фундаментальной книге Вышецкого и Стайлса
«Наука о цвете» (Вышецкий, Стайлс, 1982), обзорной статье Вышецкого о цве
товом восприятии (Вышецкий, 1986), обзоре систем цветового восприятия, вы
полненном Дерефельд (Дерефельд, 1991), и историческом обзоре цветовых про
странств, сделанном Кюхни (Кюхни, 2003).
5.1 КРАТКИЙ ОБЗОР И ТРЕБОВАНИЯ
Существует множество определений цветовых координатных систем, и, ве
роятно, имеет смысл принять некую комбинацию этих определений. Вышец
кий (1986) отмечает, что цветовые координатные системы делятся на три боль
ших группы:
125
— системы, основанные на принципах аддитивного смешения цветовых
стимулов (классический пример — система Оствальда);
— системы, основанные на принципах смешения колорантов (колориметр
Ловибонда — пример цветовой координатной системы, основанной на субтрак
тивной смеси колорантов);
— системы, основанные на принципах цветового восприятия.
Дерефельд (1991) отмечает, что системы, описывающие цветовое воспри
ятие, — это единственный тип систем, пригодный к широкому употреблению,
и настаивает на том, что системы цветового восприятия зиждутся на координа
тах (или шкалах) цветовых ощущений и что шкалы эти согласованы с равными
(или равномерно изменяющимися) визуальными интервалами.
В центре внимания данной главы лежат две координатных системы:
т.н. Система естественных цветов (Natural Color System — NCS) и система Ман
селла. Хант (1991) добавляет весьма важное и полезное ограничение к опреде
лению цветовых координатных систем, говоря о том, что эти системы должны
давать возможность однозначной интерполяции между координатами образ
цов. Наконец, еще одно, сугубо практическое требование к координатным сис
темам: они должны обеспечивать стабильность малых цветовых отличий меж
ду образцами.
В целом, к координатным системам предъявляют следующие требования:
1. Упорядоченность и равномерность в расположении цветов.
2. Логичная система обозначений.
3. Перцепционнозначимая размерность.
4. Стабильность, верность и точность цветовых показателей образцов.
Общее назначение цветовых координатных систем состоит в том, что их пер
цепционные шкалы должны быть адекватны величинам восприятия, то есть
отличия на шкалах должны быть равны отличиям по восприятию.
Из вышеприведенного определения выпадает ряд координатных систем, ис
пользуемых в промышленной практике, к примеру: Pantone Color Formula
Guide (широко используемая система цветовой спецификации красок) в целом
не является цветовой координатной системой, потому что не включает в себя не
прерывных шкал (или какоголибо их эквивалента). Pantone Color Formula
Guide скорее можно отнести к цветовой именной системе, поскольку образцы
представляют собой цвета выкрасок, подпадающие под ту или иную категории.
В изучении цветового восприятия координатные системы используются
поразному: они обеспечивают независимость данных (которые в дальнейшем
могут быть использованы для построения математических моделей) по различ
ным атрибутам восприятия (к примеру, таким, как светлота, цветовой тон и на
сыщенность); воспроизводят проверенные цветовые стимулы, которые можно
смело использовать в психофизических экспериментах по изучению цветового
восприятия; представляют собой удобный инструментарий для изучения
и объяснения различных феноменов и атрибутов цветового восприятия.
Подробнее об использовании цветовых координатных систем мы поговорим
в параграфе 5.6.
126
ГЛАВА 5 ЦВЕТОВЫЕ КООРДИНАТНЫЕ СИСТЕМЫ
5.2 МАНСЕЛЛОВСКИЙ АТЛАС ЦВЕТОВ
Одной из наиболее распространенных координатных систем, в частности,
в Соединенных Штатах, является система Манселла, физически реализован
ная в виде манселловского атласа цветов (Munsell Book of Color). История воз
никновения и развития манселловской системы описана Никерсоном (1940,
1976), но также весьма любопытным является обзор экспериментов, привед
ших к пересмотру манселловской системы в сороковых годах прошлого века
(Ньюхолл, 1940).
Система была разработана в начале XXго столетия художником Альбертом
Х. Манселлом, для которого специфический интерес представляло создание ин
струмента, помогающего художественному образованию детей. Идеологической
основой системы является деление цветового восприятия на три параметра:
— Цветовой тон (H),
— Светлоту (V),
— Насыщенность (С).
Суть манселловских размерностей идентична сути сегодняшних атрибутов
цветового восприятия, где светлота по Манселлу соответствует обычной светло
те. Целью Манселла являлось описание цветов с психофизических и физических
позиций при условии равенства приращений по трем измерениям восприятия.
Манселловская светлота
Манселловская шкала светлоты — это стержень системы, имеющий десять ос
новных делений, где нуль соответствует черному, а промежуточные серые деле
ния расположены в диапазоне между нулем и 10. Манселловская шкала светлоты
построена так, что среднесерый имеет значение 5 (нейтральносерый образец со
светлотой 5 обозначается как №5) — это значит, что по ощущению он лежит по
средине между идеально белым (№10) и идеально черным (№0). Разница по свет
лоте между образцами №3 и №4 точно такая же, как разница между образцами
№6 и №7 или любыми другими образцами, отличающимися друг от друга на один
шаг. Восприятие светлоты в пределах одного шага (то есть между двумя соседни
ми значениями) обозначается десятичными цифрами, например, манселловская
светлота 4.5 по ощущению лежит посередине между значением4и5.
Важно отметить, что взаимоотношения между манселловской V и относи
тельной фотометрической яркостью Y нелинейны и математически описыва
ются полиномом пятого порядка
1
(уравнение 5.1), а график зависимости V от Y
представляет собой кривую, показанную на рис. 5.1.
YV V V V=- + - +12219 023111 023951 0 021009 0 0008404
23 4
.. . . .V
5
(5.1)
127
ГЛАВА 5 ЦВЕТОВЫЕ КООРДИНАТНЫЕ СИСТЕМЫ
1
Полином Джадда. Величина Y стоит в левой части уравнения, поскольку данный полином
неразрешим в радикалах (согласно теореме Абеля). Полином Джадда интересен сугубо акаде
мически, тогда как практическую ценность представляет корнекубический закон Стивенса,
о котором шла речь в главе 3. — Прим. пер.
Согласно рис. 5.1, образец, воспринимаемый как среднесерый (№5), имеет
относительную яркость (или нейтральный коэффициент отражения), равную
20%. Манселловская светлота прочих цветов (независимо от их цветового тона
и насыщенности) определяется такими же одномерными взаимоотношениями
с относительной яркостью стимула. Таким образом, если известно значение
манселловской светлоты, то известна относительная яркость стимула (CIE Y),
и наоборот. К сожалению, полином пятого порядка (уравнение 5.1) аналитиче
ски необратим и поэтому не имеет практической ценности. Поскольку
CIEшкала светлоты L
*
(наряду с другими осями) создана для моделирования
манселловской системы, она обеспечивает очень хорошее приближение к ман
селловской шкале светлоты, которую можно с большой точностью получить
путем простого деления на 10 оси CIE L
*
(Сосветитель, 2° набл.).
Манселловский цветовой тон
Следующее измерение в манселловской системе — цветовой тон.
Круг цветовых тонов в манселловской системе разделен на пять основных
секторов — фиолетовый (Purple), синий (Blue), зеленый (Green), желтый
(Yellow) и красный (Red), обозначенных соответственно как 5Р, 5В, 5G, 5Y
и 5R — и устроен так, что любые иные соседние секторы по всему кругу отлича
ются друг от друга на одну и ту же величину восприятия. Еще пять промежуточ
ных цветовых тонов обозначаются соответственно как 5PB, 5BG, 5GY, 5YR
и 5RP, то есть всего в цветовом круге Манселла 10 основных цветовых оттенков.
Для каждого из перечисленных десяти оттенков существует еще по десять
переходных, к примеру, диапазон от 5РВ до 5Р заполнен: 6PB, 7PB, 8PB, 9PB,
10PB, 1P, 2P, 3P и 4P. Таким образом, весь цветовой круг разбит на 100 одина
ковых секторов, отражающих равновеликое изменение ощущения цветового
128
ГЛАВА 5 ЦВЕТОВЫЕ КООРДИНАТНЫЕ СИСТЕМЫ
Рис. 5.1 Манселловская светлота как функция от относительной яркости.