Марк Д. Фершильд. Модели цветового восприятия
Подождите немного. Документ загружается.
размер был утвержден, дабы привести поле зрения в соответствие стандартно
му колориметрическому наблюдателю CIE 1931, который соответствует стиму
лам, лежащим в диапазоне углового размера от 1° до 4° (CIE 1986). При стиму
лах существенно меньшего размера трихроматическое зрение начинает, как
говорят, «разваливаться».
Для работы со стимулами большего углового размера (10° и выше) был при
нят дополнительный стандартный колориметрический наблюдатель CIE 1964.
Для данного нами определения стимула существует фундаментальное тео
ретическое ограничение — неоднородность сетчатки в плане цветовой чувстви
тельности. Вместе с тем, с 1931 г. и по сей день приведенное определение вполне
удовлетворяет требованиям базовой колориметрии.
Практическим ограничением действующего определения, особенно в работе
с изображениями, является то, что элементы изображения по угловому разме
ру зачастую либо много меньше 2°, либо (реже) больше 10°. К счастью, в цвето
вом репродуцировании изображений данные ограничения часто сходят на нет,
поскольку в задачу репродуцирования входит воспроизведение пространствен
ного взаиморасположения цветовых стимулов, почти идентичное оригиналу.
Таким образом, любые отклонения по пространственным допускам одинаково
соотносятся друг с другом и в оригинале, и в копии.
В то же время, нужно быть очень осторожным, когда в процессе репродуци
рования резко меняется размер изображений или когда пытаются воспроизве
сти некий цвет из конкретной сцены в новом визуальном контексте (к примеру,
спотцвета или образец цвета, взятый из изображения).
При рассматривании реальных сцен наблюдатели часто воспринимают цель
ные объекты как «однородные» стимулы, к примеру, на вопрос «какого цвета
169
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
Рис. 7.1 Спецификация компонентов поля зрения. Если рассматривать данное изображение с
расстояния 13 см, угловой размер будет корректным (то есть область стимула будет уклады
ваться в визуальный угол 2°).
этот автомобиль?» большинство наблюдателей даст единичный ответ, даже не
смотря на то, что разные участки поверхности машины вызывают разные цвето
вые ощущения (и при этом в весьма широком диапазоне). Таким образом, стиму
лом в данном случае является не двухградусное поле, а весь объект
1
.
Сказанное, как правило, не касается изображений в целом, но относится
скорее к составным элементам изображения, на которые его мысленно дробит
наблюдатель.
Проксимальное поле
ð
Проксимальное поле определено как ближайшее окружение стимула,
расширяющее стимул по всем краям и по всем направлениям на 2° угло
вого размера.
Понятие проксимального поля необходимо для моделирования эффектов
локального контраста: светлотной или хроматической индукции, оконтурива
ния или смазывания. Отметим, что из ныне действующих моделей только
в хантовской (1991) разделяются понятия проксимального поля и фона.
Несмотря на то, что данные о проксимальном поле необходимы для детально
го моделирования цветового восприятия, его точная спецификация затруднена,
к примеру: в изображении проксимальное поле любого элемента будет определе
но окружающими пикселами, данные о которых вполне доступны (как мини
мум, в цифровых системах), но их переработка потребует от модели цветового
восприятия наличия механизма обсчета каждого пространственного элемента
изображения, что весьма непрактично.
2
В тех случаях, когда проксимальное
поле неизвестно, уместно приравнять его к фону.
Фон
ð
Фон определен как окружение стимула, расширяющее стимул (или его
проксимальное поле, если таковое известно) по всем краям и по всем
направлениям на 10° углового размера .
Спецификация фона крайне необходима для моделирования симультанного
контраста. Если наряду с фоном известно и проксимальное поле, то специфика
170
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
1
Здесь (и во многих других местах текста) в отношении понятия «стимул» автор употребляет
профессиональный жаргон, видимо, для краткости изложения отождествляя стимул с поверх
ностью (или объектом). Отметим, что CIEопределение цветового стимула, данное в Междуна
родном осветительном словаре (CIEIEC, 1987, стр. 68), звучит соответственно так: «Цветовой
стимул — Видимое излучение, попадающее в глаз и вызывающее ощущение либо хроматиче
ского цвета, либо ахроматического». — Прим. пер.
2
Не следует путать пространственные элементы цифрового изображения (состоящие из
групп пикселов) с самими пикселами. Учет проксимального поля действительно потребует ко
лоссальных программных и вычислительных ресурсов, поскольку понадобится простран
ственноцветовой анализ элементов изображения. — Прим. пер.
ция последнего может быть использована в сложных моделях цветового вос
приятия.
В работе с изображениями фон стимула, подобно проксимальному полю, оп
ределить сложно: фон данного элемента изображения, как правило, организо
ван соседними областями этого элемента, спецификация которых будет ме
няться от области к области изображения по мере изменения его общего содер
жания. Таким образом, высокоточная спецификация фона стимулов в изобра
жениях вновь потребовала бы от модели цветового восприятия наличия меха
низма поточечного пересчета, что весьма непрактично. Поэтому, как правило,
фон объявляют неизменным с некоей средней цветностью и коэффициентом
яркости (к примеру, нейтральносерый с коэффициентом яркости 20%).
Альтернативное определение фона звучит как «область, непосредственно
прилегающая к изображению». Однако такое определение приписывает фону
б
¢
ольшую значимость, нежели она есть на самом деле.
Сложность в определении фона и его влияние на результат репродуцирова
ния обсуждались в свое время Брауном и Фершильдом (1995, 1997).
К счастью, в большинстве случаев работы с изображениями необходимость в
высокоточном определении фона минимальна, поскольку и в оригиналеивре
продукции пространственное взаиморасположение цветовых стимулов почти
одинаковое. Однако в спотовом цветовоспроизведении учет фона критичен, по
скольку нашей задачей в данном случае является цветовоспроизведение при раз
ных пространственных конфигурациях стимулов (к примеру, работа с пантон
ной системой).
Окружение
ð
Окружение стимула определено как внешнее поле фона.
На практике окружение представляет собой помещение либо просмотровое
место, на котором рассматриваются изображения (или иные стимулы), к при
меру: на отпечатки изображений обычно смотрят при некоей средней освещен
ности окружения, проекционный показ слайдов проводят в темном окруже
нии, а видео смотрят при тускло освещенном окружении.
1
Таким образом,
даже в сфере работы с изображениями дать определение окружению довольно
легко: окружение — это внешняя область изображения, статично заполняю
щая собой все поле зрения.
Спецификация окружения важна для моделирования т.н. дальнодействую
щей индукции (longrange induction), бликов (стимульных и внутриглазных),
а также эффектов визуального контраста изображений (Бартлесон и Брене
ман, 1967; Фершильд, 1995). На практике со сложностями в высокоточной
спецификации окружения сталкиваются обычно тогда, когда в окружение во
171
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
1
Работа цветокорректора, согласно ISO 3664:2000, также должна проводиться при тускло
освещенном нейтральном окружении дисплея (32–64 lux). — Прим. пер.
влечены стимулы широкого диапазона относительных яркостей и неравномер
ных пространственных конфигураций.
7.2 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ ПОЛЯ ЗРЕНИЯ
Различные модели цветового восприятия обрабатывают большее или мень
шее количество колориметрической информации о каждом компоненте поля
зрения. Строго говоря, необходимо знать абсолютные (в единицах фотометри
ческой яркости или освещенности) трехстимульные значения каждого компо
нента поля зрения, однако разные модели цветового восприятия требуют раз
ного объема данных.
В дополнение к описанным компонентам поля зрения, моделям цветового
восприятия часто необходима спецификация т.н. «адаптирующего стимула».
Под адаптирующим стимулом иногда подразумевают фон, а иногда — долевое
участие источника света. Таким образом, возникает необходимость в определе
нии абсолютных трехстимульных значений самоего освещения или белого объ
екта под данным осветителем.
При вычислении абсолютных трехстимульных значений стимулов поля
зрения необходимо использовать стандартного колориметрического наблюда
теля CIE (обычно CIE 1931 2°) и стандартные геометрии измерения и просмотра.
В идеале колориметрию следует выполнять со строго той же геометрией, с кото
рой будут рассматриваться изображения, но зачастую это невозможно. Поэто
му обычно приходится идти на некий компромисс, о котором в дальнейшем
нельзя забывать, поскольку уступка может повлиять на корреляцию расчетов
(выполненных по той или иной модели цветового восприятия) с результатами
визуальной оценки стимулов.
В работе с самосветящимися дисплеями (такими, как CRT и LCDмониторы)
абсолютные трехстимульные значения могут быть получены напрямую, путем
измерения дисплея колориметром или спектрорадиометром. Однако при работе
с отражающими или пропускающими носителями ситуация усложняется.
Как правило, отражающие или пропускающие материалы характеризуют
ся спектральным коэффициентом отражения или пропускания, измеряемым
спектрофотометром. Колориметрические координаты (трехстимульные значе
ния) вычисляются затем с использованием стандартного колориметрического
наблюдателя и обычно при том или ином стандартном осветителе (к примеру,
CIEосветители D65, D50, A, F2). Такие измерения и вычисления, как правило,
успешно выполняются большинством колориметрических приложений.
К сожалению, изображения (или иные цветные объекты) крайне редко рас
сматривают в свете источника, близкого к какомулибо стандартному освети
телю CIE (Хант, 1992). На практике отличия между цветами, вычисленными
с использованием CIEосветителя, и теми цветами, что мы ощущаем в свете
фактического источника (пусть даже пытающегося имитировать стандартный
осветитель) могут оказаться весьма существенными.
Типичный пример таких отличий дан в таблице 7.1: спектральные коэффи
циенты отражения семи разных патчей, выполненных цифровым фотопринте
172
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
ром, были измерены и использованы для вычисления CIELABкоординат с ис
пользованием осветителей D50 и F8.
F8осветитель, специфицированный как типичный флуоресцентный осве
титель с коррелированной цветовой температурой 5000 К, считается одним из
самых лучших D50имитаторов. Реальные флуоресцентные лампы просмотро
вых кабин, имитирующие D50осветитель, чаще всего имеют б
¢
ольшее спек
тральное отклонение от D50, нежели F8. Спектральные распределения энергии
осветителей D50 и F8 (с шагом 10 нм) показаны на рис. 7.2.
В нашем примере (таблица 7.1) заметными в изображениях (и легко замет
ными на отдельных цветовых патчах) будут цветовые отличия в районе
DE
ab
*
= 2.5 (прочими можно пренебречь). Однако другие источники света будут
давать гораздо б
¢
ольшие ошибки. Типичный пример — использование колори
метрических величин (CIELABкоординат) при цветовой балансировке печа
тающих устройств: колориметрические координаты указывают на то, что отпе
чатанные образцы должны восприниматься нейтральными (a
*
= b
*
= 0.0), но
выраженный хроматический компонент при этом все равно виден. Так проис
ходит, вопервых, изза отличий между стандартным осветителем, использо
ванным для вычислений, и фактическим источником света, используемым для
наблюдения, и, вовторых, изза отличий между стандартным наблюдателем
CIE и конкретным человеком, оценивающим результат.
Отличия между отдельными наблюдателями могут быть весьма выражен
ными: считается, что при цветовоспроизведении средняя CIELAB
DE
ab
*
между
визуально одинаковыми (метамерными — Прим. пер.) стимулами для разных
наблюдателей приблизительно равна 2.5 с максимально возможным разбросом
до 20 единиц (Фершильд и Альфвин, 1995, 1997).
Итак, первую причину несоответствия можно устранить за счет использова
ния при колориметрических вычислениях спектрального распределения энер
гии фактического просмотрового источника, но вторая причина — это принци
пиальное ограничение колориметрии (неизбежное следствие любого усредне
ния), которое невозможно устранить и можно лишь понять.
Подытожим сказанное: когда требуется высокоточная оценка цветового
173
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
Таблица 7.1 CIELABкоординаты и
DE
*
ab
значения для фотографических образцов,
рассчитанных с использованием спектра D50 и F8осетителей
Образец
D50 F8
DE
*
ab
L
*
a
*
b
*
L
*
a
*
b
*
Серый 53.7 –2.6 –9.7 53.6 –3.2 –9.8 0.6
Красный 39.1 41.0 20.4 39.4 41.5 21.0 0.8
Зеленый 43.2 –41.4 22.8 42.9 –40.6 22.0 1.2
Синий 26.5 11.2 –28.8 26.4 9.2 –28.5 2.0
Голубой 64.2 –38.7 –29.4 63.7 –40.8 –30.6 2.5
Пурпурный 54.7 57.3 –24.8 55.0 56.3 –23.6 1.6
Желтый 85.3 0.5 63.2 85.5 2.2 63.0 1.7
Среднее 1.49
восприятия, предпочтительнее использовать фактическое спектральное рас
пределение энергии источников освещения, а не CIEстандартное. Если тако
вое невозможно, то должны использоваться просмотровые кабины, источники
которых максимально приближены к CIEосветителям.
Идеальным явилось бы знание абсолютных спектральных распределений
энергии (и, соответственно, абсолютных трехстимульных значений) по каждо
му компоненту поля зрения, но моделям цветового восприятия не требуется
столь детализированная информация. Ниже описан минимум данных, необхо
димый по каждому компоненту поля зрения (некоторые модели требуют еще
меньших данных, поскольку не учитывают всех его компонентов).
Адаптирующее поле должно быть специфицировано, как минимум, абсолют
ными трехстимульными значениями (альтернативно: относительными трехсти
мульными значениями при абсолютных яркости или освещенности).
Стимул также должен быть специфицирован абсолютными трехстимульны
ми значениями (желательно рассчитанными по фактическому источнику).
Подобные данные нужны как по проксимальному полю, так и по фону, хотя
довольно часто фон предполагается ахроматичным и, следовательно, может
быть описан только своим коэффициентом яркости.
Цвет окружения не учитывается ни одной моделью: достаточно знать яркость
окружения по отношению к области изображения (или стимула). Однако зачас
тую и эта информация оказывается избыточной, и окружение в полной мере мо
жет быть описано такими прилагательными, как «темное», «тусклое» или
«среднее». Практические словесные определения возможных относительных
яркостей окружения таковы: темное — 0%, тусклое — 0–20%, среднее —
20–100% от яркости сцены или яркости белой точки изображения.
174
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
Рис. 7.2 Относительное спектральное распределение энергии CIEосветителей D50 и F8 (норми
рованы к 100 по длине волны 560 нм).
7.3 ЗРИТЕЛЬСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ
Часто бывает трудно (особенно тем, кто имеет близкое отношение к физике
и инженерному делу) поверить в то, что т.н. зрительская интерпретация и, сле
довательно, цветовое ощущение, зависят от конфигурации стимула и его ис
толкования сознанием. Однако наш личный опыт тому яркое подтверждение.
Один пример из личных наблюдений автора (и его коллег): соседский дом
был выкрашен в светложелтый цвет и парадная дверь на нем тоже была
светложелтой. Както поздним вечером дверь вдруг стала казаться... синей.
Синяя дверь в желтом доме? — любопытно... Однако стоило присмотреться,
как дверь вновь приобрела привычный желтый цвет. Весь дом был освещен
интенсивножелтым закатным солнцем, и только маленькая, едва заметная
кирпичная стенка отбрасывала тень на дверь, которая оказалась освещенной
только светом неба (прямые солнечные лучи на нее не попадали) и, следова
тельно, воспринималась синее, чем остальная часть здания. В первый момент
сцена интерпретировалась как равномерно освещенные желтый дом с синей
дверью. Однако, как только стало понятно, что освещение неравномерно и что
дверь фактически освещена синим светом, так сразу ее восприятие сменилось с
синего на желтое. Изменение в цветовом восприятии двери было полностью ос
новано на когнитивной интерпретации освещения, и с того момента, как фак
тическое освещение стало понятным, ощущение уже не могло вернуться назад.
На рис. 7.3, имитирующем описанный эффект, показана геометрически не
определенная фигура, которая может быть интерпретирована двояко. Первое
возможное геометрическое толкование фигуры таково: затемненная область
смотрится как тень, а весь объект выглядит цельножелтым. Второе возможное
толкование: темная область не может быть тенью и интерпретируется как
фрагмент объекта, «покрашенный» в другой цвет. Поворот рисунка вверх тор
машками иногда усиливает впечатление. Данный эффект подобен эффекту
прозрачности, показанному на рис. 6.14.
Еще один авторский пример: в темной комнате, освещенной рыжим неакти
ничным светом, проявлялись чернобелые фотографии, за которыми наблюда
ла маленькая девочка. Разумеется, отпечатки были полностью ахроматичны
ми, но освещение имело единственный, весьма выраженный, цвет. Однако ма
лышка настаивала на том, что узнает цвета знакомых объектов, медленно про
являющихся на фотобумаге. И только когда папа вынес фотографии на обыч
ный свет, ребенок поверил, что «узнанных» цветов на фотографиях нет. Итак,
перед нами еще один пример того, когда знание объекта рождает цветовое ощу
щение.
Данный феномен полностью совместим с когнитивной моделью цветового
распознавания, предложенной Давыдофф (1991). Также в контексте зритель
ских интерпретаций интересный разговор о субъективной яркости снега пред
лагают Коэндеринг и Ричардс (1992).
Прочие подобные эффекты, а также систематическое описание зрительских
интерпретаций, эти эффекты вызывающих, подробно описаны в пятой главе
«Науки о цвете», текст которой принадлежит OSA (1963).
175
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
OSA выделяет пять зрительских интерпретаций (суть которых будет рас
крыта ниже):
1. «Осветитель».
2. «Освещение».
3. «Поверхность».
4. «Объем».
5. «Пленка».
Таблица 7.2 сводит воедино атрибуты цветового восприятия (см. также гла
ву 4), имеющие большее сродство тому или иному варианту интерпретации.
Наряду с обычными атрибутами цветового восприятия, теоретически могут
быть учтены дополнительные: длина, размер, форма, позиция, текстура, гля
нец, прозрачность, подвижность, устойчивость и четкость (согласно определе
нию OSA, 1963).
Зрительские интерпретации описаны в плане ментального толкования цве
тового восприятия, что удивительным образом сходно с типологией «объек
тов» компьютерной графики, ориентированных на их реалистичную визуали
зацию (Фолей, 1990; также см. гл. 16).
Данное сходство указывает на фундаментальную, неразрывную связь меж
ду восприятием и когнитивной интерпретацией стимулов.
Интерпретация «Осветитель»
Зрительская интерпретация «Осветитель» определена как цветовое ощуще
ние, когнитивно относимое к источнику света. Возможно, данное цветовое
ощущение формируется под воздействием самых ярких стимулов, находящих
ся в поле зрения. Таким образом, объекты, которые много светлее окружения,
могут поднять восприятие на «осветительный» уровень.
176
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
Рис. 7.3 Неопределенная фигура, иллюстрирующая концепцию когнитивного обесцвечивания
осветителя. В одной пространственной интерпретации серая область смотрится как тень, в дру
гой — воспринимается как закрашенный фрагмент фигуры.
Зрительская интерпретация «Осветитель» — это «объектная интерпрета
ция» (то есть, цвет принадлежит объектам), которую можно классифициро
вать как «отблеск».
Интерпретация «Освещение»
Зрительская интерпретация «Освещение» определена как цветовое ощуще
ние, когнитивно относимое скорее к свойству превалирующего освещения, не
жели к объектам. Ранее упомянутая «синяя дверь» — это пример перехода вос
приятия из интерпретации «Освещение»
1
в интерпретацию «Поверхность».
OSA (1963) приводит пример восприятия нерегулярных пятен, окрашенных
в интенсивный желтый цвет (интерпретация «Поверхность») на теневой стороне
серого железнодорожного вагона: если наблюдатель подойдет поближе, зная при
этом положение солнца, и станет разглядывать полутона, он поймет, что желтые
пятна возникают изза разных преград на пути солнечного света (интерпретация
«Освещение»).
Зрительская интерпретация «Освещение» — это «необъектная» интерпре
тация , обусловленная присутствием преград, отражающих свет и отбрасываю
щих тени (иногда преградами могут быть частицы, взвешенные в воздухе).
Интерпретация «Поверхность»
Зрительская интерпретация «Поверхность» определена как цветовое ощу
щение, когнитивно относимое к поверхности. Распознавание любого освещен
ного объекта — это пример интерпретации «Поверхность», которая требует на
личия физической поверхности и отраженного от нее света.
Зрительская интерпретация «Поверхность» — это «объектная» интерпрета
ция.
177
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА
Таблица 7.2 Атрибуты цветового восприятия, имеющие большее сродство с той или иной
зрительской интерпретацией. Указанное в скобках означает возможность, но при малой
вероятности.
Атрибут
«Осветитель»
(отблеск)
«Освещение»
(залитое
пространство)
«Поверхность»
(объект)
«Объем»
(объект)
«Пленка»
(«Апертура»)
Субъективная
яркость
*** *** ***
Светлота *** *** (***)
Полнота цвета *** *** ***
Насыщенность *** *** (***)
Цветовой тон *** *** *** *** ***
1
В оригинале допущена опечатка: вместо «Освещение» («Illumination») набрано «Освети
тель» («Illuminant»). В переводе исправлено. — Прим. пер.
Интерпретация «Объем»
Зрительская интерпретация «Объем» определена как цветовое ощущение,
когнитивно относимое к массе некоего более или менее однородного и прозрач
ного вещества, к примеру: чем больше воздушных пузырей в глыбе льда, тем
более ее светлота стремится к белому, но прозрачность при этом стремится
к нулю. Таким образом, ощущение объема преобразуется в ощущение поверх
ности.
Зрительская интерпретация «Объем» — это «объектная» интерпретация,
требующая наличия прозрачных трехмерных структур в поле зрения.
Интерпретация «Пленка»
Зрительская интерпретация «Пленка» (также называемая «Апертура») оп
ределена как цветовое ощущение, когнитивно относимое к рассматриванию
объектов через некую пленку или отверстие в некоей плоскости, то есть без пря
мого «контакта» зрения с объектом, к примеру: расфокусировка поверхности
может вызвать переход восприятия из интерпретации «Поверхность» к интер
претации «Пленка» («Апертура»). Заслон с отверстием на пути к объекту пере
водит зрение в зрительскую интерпретацию «Апертура», поскольку наблюда
тель обычно фокусирует зрение на плоскости этого заслона.
Интерпретация «Пленка» («Апертура») — это «необъектная» зрительская
интерпретация. Все прочие зрительские интерпретации могут быть сведены к
интерпретации «Пленка» («Апертура»).
7.4 ЕЩЕ ОБ ИЗОЛИРОВАННЫХ И НЕИЗОЛИРОВАННЫХ
ЦВЕТАХ
В четвертой главе были описаны т.н. изолированные и неизолированные цве
товые стимулы, однако их фундаментальное значение в спецификации цветово
го восприятия, их упрощение и унификация в контексте зрительских интерпре
таций и их влияние на спецификацию цветовых ощущений (по критериям субъ
ективная яркость/полнота цвета и светлота/насыщенность) требуют повторного
разбора. Понимание разницы между неизолированными и изолированными
цветами — это наиважнейший момент в понимании концепции зрительских ин
терпретаций.
Изолированный цвет
ð
Цветовое ощущение от поверхности или объекта, изолированное от
других цветов.
Неизолированный цвет
ð
Цветовое ощущение от поверхности или объекта, связанное с другими
цветами.
178
ГЛАВА 7 УСЛОВИЯ ПРОСМОТРА