Моделирования цветового пространства в виде того или иного трехмерного цветового тела

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………………………………3

1.                  Краткий обзор цветовых моделей и требования к ним………………………….…………4

2.                  Система Манселла………………………………………………………………………………….…………..5

3.                  Эксперимент ……………………………………………………………………………………..……………….10

4.                  Система Оствальда…………………………………………………………………………………….……….12

5.                  Шведская система естественных цветов NCS……………………………….……………………15

6.                  Применение цветовых координатных систем………………………………………………..…17

Заключение………………………………………………………………………………………………………………….…20

Список литературы…………………………………………………………………………………………………….……21

Приложение……………………………………………………………………………………………………………………22

Введение

В данной курсовой работе будет рассмотрена тема моделирования цветового пространства в виде того или иного трехмерного цветового тела.

Эта тема является интересной для изучения, так как на основе трехмерных моделей цветового пространства создаются атласы цветов, получившие широкое применение в самых различных сферах деятельности человека. Однако, с первого взгляда сложно выбрать какую-либо определенную цветовую модель в силу того, что построены они с использованием различных параметров.

В ходе изучения данной темы будет исследовано то, с какими целями создавались различные цветовые модели, на основе каких данных они строились.

Основываясь на теоретических описаниях данной проблемы, будет описан эксперимент, в ходе которого будет показано насколько сложно точно воспроизвести определенный оттенок цвета и как важно уметь правильно настраивать все этапы технологического процесса для получения желаемого результата.

1               краткий обзор цветовых моделей и требования к ним

Определить цвет можно инструментальным способом, путем расчета, также существует способ определения цвета окрашенного образца, состоящий в подборе одноцветных накрасок. Этот способ применяется в тех случаях, когда речь идет об определении цвета светорассеивающей поверхности, и состоит в том, что из большого числа одноцветных накрасок, заранее заготовленных и расположенных в определенном порядке, выбирается та, которая отражает излучение того же цвета, что и интересующая нас поверхность.

Если каждая из накрасок имеет определенное название или обозначение, то весь набор представляет собой некоторую систему определения цвета. Если число накрасок достаточно велико и, следовательно, цветовые различия между ними достаточно малы, то такая система позволит определять цвета образцов с точностью, достаточной для многих практических задач [1].

Стандартные образцы цвета можно классифицировать в соответствии с их возможным назначением. Обычный образец, используемый для определения цветов поставляемой краски, совсем не имеет универсальности. Он годен лишь для одного цвета и очень часто для одного конкретного заказа. Тысячи таких образцов, выбираемых ежегодно, достаточно хорошо служат своему назначению, и в расчет их брать не следует. Затем имеются ограниченные ряды образцов цвета, представляющих изменение цвета в одном направлении. В повседневной практике используются сотни таких образцов цвета, иногда называемых цветовыми шкалами. 

Существует множество определений цветовых координатных систем. Цветовые координатные системы делятся на три основных класса:

- 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 субтрактивной смеси колорантов);

- системы, основанные на принципах цветового восприятия [2].

Системы, описывающие цветовое восприятие – единственный тип систем, пригодный к широкому употреблению. Эти системы основываются на координатах (или шкалах) цветовых ощущений, которые согласованы с равными (или равномерно меняющимися) визуальными интервалами [3].

К координатным системам предъявляют следующие требования:

- упорядоченность и равномерность в расположении цветов;

- логичная система обозначений;

- перцепционно-значимая размерность;

- стабильность, верность и точность цветовых показателей образцов.

Общее назначение цветовых координатных систем состоит в том, что их перцепционные шкалы должны быть адекватны величинам восприятия, то есть отличия на шкалах должны быть равны отличиям по восприятию.

Если нужно определить положение некоторого цвета с помощью ряда разноцветных накрасок, то естественно требовать, чтобы «расстояния» между цветами соседних накрасок, или различия между ними были одинаковы. К этому сводится условие равноступенности.

Из вышеприведенного определения выпадает ряд координатных систем, используемых в промышленной практике, например Pantone Color Formula Guide (широко используемая система цветовой спецификации красок) в целом не является цветовой координатной системой, потому что не включает в себя непрерывных шкал (или какого-либо их эквивалента). Pantone Color Formula Guide скорее можно отнести к цветовой именной системе, поскольку образцы представляют собой цвета накрасок, попадающие под ту или иную категории.

Подобный способ определения очень заманчив своей простотой, однако он обладает тем недостатком, что источник света остается неопределенным, а одноцветность образца и накраски зависит, вообще говоря от спектрального состава падающего света только в том случае, когда образец и накраска имеют одинаковые кривые спектрального состава падающего на них света. Равенство цветов отраженных излучений не зависит от спектрального состава падающего света только в том случае, когда образец и накраска имеют одинаковые кривые спектрального состава. Зависимость от состава падающего света будет выражена тем сильнее, чем больше различие в их спектральных свойствах. Выбрав из ряда цветных накрасок ту, которая больше всех подходит к интересующему образцу, нужно опасаться, что при других условиях освещения подобное равенство нарушится. Для того, чтобы уверенно пользоваться методом подбора цветных накрасок, необходимо было бы точно определить состав света, при котором такой подбор может совершаться.

В изучении цветового восприятия координатные системы используются по-разному: они обеспечивают независимость данных (которые в дальнейшем могут быть использованы для построения математических моделей) по различным атрибутам восприятия (таким как светлота, цветовой тон, насыщенность и др.); 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 вопрос использования цветовых координатных систем рассмотрен в главе 6.

2               система Манселла

Стремление к созданию наборов образцов цвета с постоянным цветовым тоном наблюдалось даже у создателей систем смешения красок. Данная идея использовалась во многих наборах образцов цвета. Разумеется, у цветов смеси красок с белой или черной лишь приблизительно одинаковый цветовой тон. В системе восприятия цвета сделана попытка следовать этой идее до логического завершения и получить группы образцов, которые будут точно соответствовать цвету без необходимых скидок.

Психологическое цветовое тело может рассматриваться как геометрическая модель цветов, воспринимаемых при наблюдении цветовых стимулов предметов. Например, цветовые восприятия, выраженные значениями психологических характеристик цветового тона, светлоты и насыщенности, могут быть представлены точками цветового тела, координаты которых соответствуют этим характеристикам.

Наиболее значительным примером системы восприятия цвета является система Манселла, физически реализованная в виде манселловского атласа цветов (Munsell Book of Color). История возникновения и развития манселловской системы описана Никерсоном (1940, 1976) [4].

Система была разработана в начале ХХ-го столетия художником Альбертом Х. Манселлом, для которого специфический интерес представляло создание инструмента, помогающего художественному образованию детей. Идеологической основой системы является деление цветового восприятия на три параметра:

- Цветовой тон (Hue),

- Светлоту (Value),

- Насыщенность (Chroma).

Суть манселловских размерностей идентична сути сегодняшних атрибутов цветового восприятия, где светлота по Манселлу соответствует обычной светлоте. 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 основных делений, где нуль соответствует черному, а промежуточные серые деления расположены в диапазоне между нулем и 10. Шкала светлоты построена так, что средне-серый имеет значение 5 (нейтрально-серый образец со светлотой 5 обозначается как №5) – это значит, что по ощущению он лежит посередине между идеально белым (№10) и идеально черным (№0). Разница по светлоте 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 соседними значениями) обозначается десятичными цифрами, например, манселловская светлота 4.5 а по ощущению лежит посередине между значением 4 и 5.

Важно отметить, что взаимосвязь между манселловской светлотой V и относительной фотометрической яркостью Y нелинейным и математически описываются полиномом пятого порядка (уравнение 1), а график зависимости V от Y представляет собой кривую, показанную на рис. 1

Y = 1.2219V – 0.23111V2 + 0.23951V3 – 0.021009V4 + 0.0008404V5                                          (1)

Рисунок 1 – Манселловская светлота как функция от относительной яркости.

Согласно рис. 1, образец, воспринимаемый как средне-серый (№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 (1) аналитически необратим и поэтому не имеет практической ценности. Поскольку CIE-шкала светлоты L* (наряду с другими осями) создана для моделирования манселловской системы, она обеспечивает очень хорошее приближение к манселловской шкале светлоты, которую можно с большой точностью получить путем простого деления на 10 оси CIE L* (C-осветитель, 2o набл.) [4].

Шкала серых цветов Манселла построена по квадратичному закону. Коэффициенты отражения девяти ее ступеней представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Коэффициенты отражения нейтральной шкалы Манселла [1]

Манселловский цветовой тон. Следующее измерение в системе Манселла – цветовой тон.

Круг цветовых тонов в системе разделен на пять основных секторов – фиолетовый (Purple), синий (Blue), зеленый (Green), желтый (Yellow) и красный (Red), обозначенных, соответственно, как 5P, 5B, 5G, 5Y и 5R – и устроен так, что любые иные соседние секторы по всему кругу отличаются друг от друга на одну и ту же величину восприятия. Еще пять промежуточных цветовых тонов обозначаются соответственно как 5PB, 5BG, 5GY, 5YR и 5RP, то есть всего в цветовом круге Манселла 10 основных цветовых оттенков (рис. 2).

Рис. 2 – Оттенки колориметрической системы Манселла

Десять основных цветовых тонов располагаются в пяти вертикальных плоскостях (по два дополнительных тона в каждой плоскости), пересекающихся вдоль ахроматической оси. Эти плоскости размещены так, что составляют равные углы друг с другом.

Для каждого из перечисленных десяти оттенков существует еще по десять переходных, к примеру, диапазон от 5PB до 5P заполнен: 6РВ, 7РВ, 6РВ, 9РВ, 10 РВ, 1Р, 2Р, 3Р и 4Р. Таким образом, весь цветовой круг разбит на 100 одинаковых секторов, отражающих равновеликое изменение ощущения цветового тона. Промежутки между целыми числами обозначаются десятичными значениями (к примеру, 7.5В).

Манселловская насыщенность. Третье измерение в системе Манселла – насыщенность.

Шкала насыщенности построена так, что она имеет равные визуальные приращения от нейтральных (нулевых) образцов, по возрастающей – к образцам с максимально выраженным цветовым тоном, но при этом на шкале насыщенностей нет максимума, поскольку наибольшие достижимые насыщенности зависят от цветового тона и светлоты по Манселлу накрасок, а также от состава красок, к примеру: не существует высоконасыщенных накрасок с желтым цветовым тоном и низкой светлотой или же с фиолетовым цветовым тоном и высокой светлотой, поскольку особенности ответа зрительной системы человека таковы, что воспроизвести необходимые физические стимулы невозможно.

На рис. 3 трехмерная система Манселла показана в проекции на две смежных плоскости постоянного цветового тона.

Рис. 3 – Плоскость манселловской светлоты / насыщенности

при постоянном цветовом тоне

Рис. 4 с помощью компьютерной графики демонстрирует систему Манселла в 3-D представлении.

Рис. 4 - Трехмерное представление системы Манселла

Общее расположение плоскостей постоянного коэффициента отражения и плоскостей постоянного цветового тона, а также цилиндров постоянной чистоты показано на рис. 5

Рис. 5 - Общая схема расположения цветов в системе Манселла

Каждая накраска атласа имеет свое обозначение, которое составляется следующим образом. Прежде всего обозначается цветовой тон – первой буквой (или двумя) своего наименования. Рядом с ним ставится число, обозначающее номер ступени по светлоте, и, наконец, отделенное наклонной чертой, помещается второе число, определяющее ступень по чистоте (насыщенности). Так, например: Y 3 / 4 значит, что желтый образец имеет коэффициент отражения 9% и малую чистоту [1].