AZ Reprodukce Barev

Popis barev a základy barvových prostorů

Protože pod pojmem modrá si každý z nás představí jinou barvu, abychom se domluvili používáme k popisu barvové prostory, kde je každá barva popsána jedinečnými barvovými souřadnicemi.

K hodnocení barev se nejčastěji používá systém definovaný v roce 1931 mezinárodní komisí pro osvětlení CIE (Commission Internationale de l'Eclairage), který byl později doplněn a rozšířen. Systém, někdy označovaný také jako trichromatická soustava, je založen na skutečnosti, že vjem jakékoliv barvy je možné simulovat pomocí tří vhodně zvolených základních světel. Systém je definován hodnotami trichromatických členitelů x(λ), y(λ), z(λ), které byly získány experimentálně.

Systém měření barev podle CIE

Vizuální vnímání barev je zprostředkované třemi receptory se spektrální citlivostí ke krátkým, středním a dlouhým vlnovým délkám a je zhruba u 90 % populace shodné.

Ve dvacátých letech minulého století byla provedena řada experimentů, při kterých měli nezávislí pozorovatelé pomocí míšení tří barevných světel (stimulů) modelovat barvu referenčního zdroje. Tyto testy prokázaly, že výsledné receptury jednotlivých pozorovatelů byly velmi podobné.

Z výsledků získaných u skupiny 17 britských pozorovatelů byl stanoven průměr a definovány tzv. trichromatičtí členitelé (color matching functions) standardního pozorovatele. Trichromatičtí členitelé vyjadřují množství červeného, zeleného a modrého stimulu, které je potřeba k simulaci jakékoliv vlnové délky viditelného spektra.

Obr. 1.: Trichromatičtí členitelé x, y, z

Trichromatičtí členitelé tvoří základ trichromatické soustavy CIE a umožňují stanovit množství jednotlivých měrných světel X, Y, Z potřebných k simulaci dané barvy, které ji matematicky charakterizují. Trichromatičtí členitelé na obrázku číslo 1 byly odvozeny pro podmínky foveálního vidění – tj. zorný úhel 2°, zkráceně se někdy také označují pojmem 2° pozorovatel.

Výpočet množství imaginárních měrných světel X, Y, Z

Emisní vzorky

Každou barvu je možné napodobit aditivním míšením měrných světel R, G, B. Pro emisní vzorky se jejich množství stanoví integrací součinu emisního spektra a trichromatických členitelů. Výsledné hodnoty X, Y, Z se nazývají trichromatické složky a jsou dány vztahy:

X, Y, Z … trichromatické složky

Sc(λ) … emisní spektrum zdroje nebo objektu

r(λ), g(λ), b(λ) … trichromatičtí členitelé


Reflexní vzorky

Protože reflexní vzorky nejsou aktivními zdroji záření, vypočítají se trichromatické hodnoty součinem trichromatických členitelů, reflexního spektra vzorku a emisního spektra světleného zdroje, kterým je vzorek ozařován:

X, Y, Z … trichromatické hodnoty

Sc(λ) … spektrální rozložení intenzity světelného zdroje

x(λ), y(λ), z(λ) … trichromatičtí členitelé

R(λ) … reflexní spektrum vzorku

Protože barvový prostor X, Y, Z není příliš intuitivní a vyjádření odchylek mezi 2 barvami také není bezproblémové, často se trichromatické hodnoty dále matematicky transformují, tak aby jejich interpretace byla snazší. Například je možné definovat zvlášť kvantitu a kvalitu barvy vyčíslením chromatičnosti:

Platí, že x + y + z = 1, proto je možné jakékoliv dvě souřadnice použít k vykreslení dvou dimenzionálního grafu, kde vzdálenost dané barvy od neutrální šedé určuje čistotu barvy a dominantní vlnová definuje linie s přibližně konstantním barevným odstínem.

Barvový prostor L*a*b*

V dnešní době se spíše provádí konverze X, Y, Z trichromatických hodnot do prostoru CIELUV nebo CIELAB, které více odpovídají způsobu vnímání barev lidským okem. Tyto prostory se často označují přívlastkem uniformní, který vyjadřuje, že číselné hodnotě barvové odchylky odpovídá stejný vizuální počitek bez ohledu na polohu barvy v barvovém prostoru. Pokud mezi dvěma žlutými a modrými vzorky bude stanovením, který pocítíme u modrých odstínů.

Prostor CIELAB je definován následovně:

Kde Xn, Yn, Zn jsou trichromatické hodnoty referenční bílé barvy (Xn = 96,422; Yn = 100; Zn = 82,521).

Schematicky je barvový prostor CIELAB znázorněn na následujícím obrázku.

Obr. 2: Schematické znázornění prostoru L*a*b*

Jedná se o tří dimenzionální prostor, který je charakterizován třemi navzájem kolmými osami – L*, a*, b*. Osa L* vyjadřuje jak je barva světlá. Souřadnice a*, b* definují barevný odstín. Osa a* reprezentuje červeno-zelené odstíny, osa b* žluto-modré.

Barvový model L*a*b* je analogický se způsobem jakým barvy vnímáme. Ačkoli jsou v oku tři druhy čípků citlivé ke krátkým, středním a dlouhým vlnovým délkám, nejsou do mozku přenášeny přímo signály R, G, B, jak by se mohlo zdát. V gangliových buňkách dochází k jejich zpracování – zakódování do signálu červeno-zeleného, žluto-modrého a achromatického (jasového). Charakterizace barev v barvovém prostoru L*a*b* pomocí červeno-zelené, žluto-modré a jasové složky je tak podobná způsobu zpracováním barevné informace okem.

Někdy může být obtížné systém barvových prostorů pochopit, zkusíme si problematiku přiblížit na příkladu:

Představte si, že jste na pláži, která je pokryta milióny oblázků všech možných barev. Jak je asi roztřídit? Pokud si kamínky blíže prohlédneme, zjistíme, že část oblázků má krásné barvy a zbytek tvoří pouze bílé, černé a šedé. Můžeme tedy udělat 2 základní hromádky – barevných a „šedých“ kamínků. Kamínky v druhé kupičce se nabízí seřadit vzestupně od bílé přes šedou po černou. Tím máme skupinku šedých (achromatických) kamínků vytříděnou a podíváme se na barevné oblázky. Ty můžeme dále rozdělit na skupinky barev zelený, červených… V každé skupince kamínků jedné barvy (tj. mezi zelenými, červenými, modrými) můžeme dále rozlišit oblázky světlejší a naopak tmavší – vytvoříme tedy podskupinky oblázků světlých (lighter), tmavých (darker) a středně světlých, do které zahrneme všechny zbylé kamínky. Barevné kamínky jsme rozdělili na hromádky podle barev a ty dále rozčlenily na světlejší, tmavší a středně světlé, myslíte, že máme hotovo? Podíváme-li se pozorně najdeme ještě v každé ze tří skupinek kamínků dané barvy oblázky s jasnými, zářivými barvami a naopak téměř šedé s velmi malým podílem barvy.

Obr. 3: Princip definice barev v prostoru L*a*b*

Co jsme se na tomto příkladu naučili? Rozlišujeme barvy světlejší a tmavší, tuto vlastnost označujeme termínem světlost (lightness). Podle tónu (hue) dělíme barvy na červené, zelené, modré… A pojmy saturace (saturation) nebo chroma (chroma) rozeznáváme, jak jsou barvy jasné nebo naopak temné.

Příklad výpočtu XYZ a L*a*b* ze spektrálních dat