Un modello di colore è un modello matematico astratto che descrive il modo in cui i colori possono essere rappresentati come tuple di numeri, in genere come tre o quattro valori o componenti di colore. Quando questo modello è associato a una descrizione precisa di come i componenti devono essere interpretati (condizioni di visualizzazione, ecc.), Il set di colori risultante viene chiamato spazio colore. Questa sezione descrive i modi in cui la visione dei colori umani può essere modellata.

Tristimulus spazio colore
Si può immaginare questo spazio come una regione nello spazio euclideo tridimensionale se si identificano gli assi x, yez con gli stimoli per la lunghezza d’onda lunga (L), la lunghezza d’onda media (M) e la lunghezza d’onda corta (S ) recettori di luce. L’origine, (S, M, L) = (0,0,0), corrisponde al nero. Il bianco non ha una posizione definita in questo diagramma; piuttosto è definito in base alla temperatura del colore o al bilanciamento del bianco desiderati o disponibili dall’illuminazione ambientale. Lo spazio cromatico umano è un cono a forma di ferro di cavallo, come mostrato qui (vedi anche lo schema di cromaticità CIE sotto), che si estende dall’origine all’infinito, in linea di principio. In pratica, i recettori del colore umano saranno saturati o addirittura danneggiati a intensità luminose estremamente elevate, ma tale comportamento non fa parte dello spazio cromatico CIE e nemmeno la percezione cromatica cambia a bassi livelli di luce (vedi: curva Kruithof). I colori più saturi si trovano sul bordo esterno della regione, con colori più luminosi più lontani dall’origine. Per quanto riguarda le risposte dei recettori nell’occhio, non esiste una luce “marrone” o “grigia”. Questi ultimi nomi di colore si riferiscono rispettivamente a luce arancione e bianca, con un’intensità inferiore alla luce proveniente dalle aree circostanti. Si può osservare questo guardando lo schermo di una lavagna luminosa durante una riunione: si vede una scritta nera su uno sfondo bianco, anche se il “nero” non è diventato più scuro dello schermo bianco su cui è proiettato prima che il proiettore fosse acceso. Le aree “nere” non sono effettivamente diventate più scure ma appaiono “nere” rispetto all’intensità più elevata “bianca” proiettata sullo schermo attorno ad essa. Vedi anche la costanza del colore.

Lo spazio tristimulus umano ha la proprietà che la miscelazione additiva di colori corrisponde all’aggiunta di vettori in questo spazio. Ciò semplifica, ad esempio, la descrizione dei possibili colori (gamma) che possono essere ricavati dai colori primari rosso, verde e blu sullo schermo di un computer.

Spazio colore CIE XYZ
Uno dei primi spazi cromatici definiti matematicamente è lo spazio cromatico CIE XYZ (noto anche come spazio colore CIE 1931), creato dalla Commissione internazionale per l’illuminazione nel 1931. Questi dati sono stati misurati per osservatori umani e un campo visivo di 2 gradi. Nel 1964 furono pubblicati i dati supplementari per un campo visivo di 10 gradi.

Si noti che le curve di sensibilità tabulate hanno una certa quantità di arbitrarietà in esse. Le forme delle singole curve di sensibilità X, Y e Z possono essere misurate con una ragionevole accuratezza. Tuttavia, la funzione di luminosità generale (che di fatto è una somma ponderata di queste tre curve) è soggettiva, poiché implica chiedere a una persona di prova se due sorgenti luminose abbiano la stessa luminosità, anche se sono in colori completamente diversi. Lungo le stesse linee, le grandezze relative delle curve X, Y e Z vengono scelte arbitrariamente per produrre aree uguali sotto le curve. Si potrebbe anche definire uno spazio colore valido con una curva di sensibilità X che abbia il doppio dell’ampiezza. Questo nuovo spazio colore avrebbe una forma diversa. Le curve di sensibilità nello spazio colore xyz CIE 1931 e 1964 vengono ridimensionate per avere aree uguali sotto le curve.

A volte i colori XYZ sono rappresentati dalla luminanza, Y e dalle coordinate cromatiche xey definite da:

e
Matematicamente, xey sono coordinate proiettive e i colori del diagramma cromatico occupano una regione del piano proiettivo reale. Poiché le curve di sensibilità CIE hanno aree uguali sotto le curve, la luce con uno spettro di energia piatto corrisponde al punto (x, y) = (0.333,0.333).

I valori per X, Y e Z si ottengono integrando il prodotto dello spettro di un raggio di luce e le funzioni di corrispondenza dei colori pubblicate.

Modello di colore RGB
I media che trasmettono la luce (come la televisione) usano il colore additivo mescolato con i colori primari di rosso, verde e blu, ognuno dei quali stimola uno dei tre tipi di recettori del colore dell’occhio con la minore stimolazione possibile degli altri due. Questo è chiamato spazio colore “RGB”. Le miscele di luce di questi colori primari coprono gran parte dello spazio cromatico umano e quindi producono una gran parte delle esperienze di colore umano. Questo è il motivo per cui i televisori a colori oi monitor dei computer a colori devono produrre solo miscele di luce rossa, verde e blu. Vedi colore additivo.

In linea di principio, potrebbero essere usati altri colori primari, ma con il rosso, il verde e il blu è possibile catturare la maggior parte dello spazio cromatico umano. Sfortunatamente non esiste un consenso esatto su quali loci nel diagramma cromatico dovrebbero avere i colori rosso, verde e blu, quindi gli stessi valori RGB possono dare origine a colori leggermente diversi su schermi diversi.

Rappresentazioni HSV e HSL
Riconoscendo che la geometria del modello RGB è scarsamente allineata con gli attributi di creazione del colore riconosciuti dalla visione umana, i ricercatori di computer graphics hanno sviluppato due rappresentazioni alternative di RGB, HSV e HSL (tonalità, saturazione, valore e tonalità, saturazione, luminosità), in alla fine degli anni ’70. HSV e HSL migliorano la rappresentazione del cubo di colore di RGB disponendo i colori di ciascuna tonalità in una fetta radiale, attorno a un asse centrale di colori neutri che va dal nero in basso al bianco in alto. I colori completamente saturi di ogni tonalità si trovano quindi in un cerchio, una ruota dei colori.

HSV si modella sulla miscela di vernici, con le sue dimensioni di saturazione e valore che ricordano le miscele di una vernice dai colori vivaci con, rispettivamente, bianco e nero. HSL prova ad assomigliare a più modelli di colori percettivi come NCS o Munsell. Colloca i colori completamente saturati in un cerchio di luminosità ½, in modo che la luminosità 1 implichi sempre il bianco e la luminosità 0 implichi sempre il nero.

HSV e HSL sono entrambi ampiamente utilizzati nella computer grafica, in particolare come color picker nei software di editing delle immagini. La trasformazione matematica da RGB a HSV o HSL potrebbe essere calcolata in tempo reale, anche su computer degli anni ’70, e c’è una mappatura facile da comprendere tra i colori in uno di questi spazi e la loro manifestazione su un dispositivo RGB fisico.

Modello di colore CMYK
È possibile ottenere una vasta gamma di colori visti dall’uomo combinando coloranti / inchiostri trasparenti ciano, magenta e giallo su un substrato bianco. Questi sono i colori primari sottrattivi. Spesso un quarto inchiostro, nero, viene aggiunto per migliorare la riproduzione di alcuni colori scuri. Questo è chiamato spazio colore “CMY” o “CMYK”.

L’inchiostro ciano assorbe la luce rossa ma trasmette verde e blu, l’inchiostro magenta assorbe la luce verde ma trasmette rosso e blu e l’inchiostro giallo assorbe la luce blu ma trasmette rosso e verde. Il substrato bianco riflette la luce trasmessa al visualizzatore. Poiché in pratica gli inchiostri CMY adatti alla stampa riflettono anche un po ‘di colore, rendendo impossibile un nero profondo e neutro, il componente K (inchiostro nero), di solito stampato per ultimo, è necessario per compensare le loro carenze. L’uso di un inchiostro nero separato è anche guidato economicamente quando è previsto un sacco di contenuto nero, ad es. nei media testuali, per ridurre l’uso simultaneo dei tre inchiostri colorati. I colori utilizzati nelle tradizionali stampe fotografiche a colori e le diapositive sono molto più perfettamente trasparenti, quindi un componente K non è normalmente necessario o utilizzato in quei media.

Sistemi di colore
Esistono vari tipi di sistemi cromatici che classificano il colore e ne analizzano gli effetti. Il sistema di colori American Munsell ideato da Albert H. Munsell è una famosa classificazione che organizza vari colori in un colore solido basato su tonalità, saturazione e valore. Altri importanti sistemi di colore includono lo Swedish Natural Color System (NCS), la Optical Society of America Uniform Color Space (OSA-UCS) e il sistema di coloroidi ungherese sviluppato da Antal Nemcsics dell’Università di Tecnologia ed Economia di Budapest. Di questi, l’NCS si basa sul modello di colore del processo dell’avversario, mentre il Munsell, l’OSA-UCS e il Coloroide tentano di modellare l’uniformità del colore. Il Pantone americano e il sistema di corrispondenza colore commerciale tedesco RAL differiscono dai precedenti in quanto i loro spazi colore non sono basati su un modello cromatico sottostante.

Altri usi di “modello colore”

Modelli di meccanismo di visione a colori
Usiamo anche “modello di colore” per indicare un modello o un meccanismo di visione a colori per spiegare come i segnali di colore vengono elaborati dai coni visivi alle cellule gangliari. Per semplicità, chiamiamo questi modelli modelli di meccanismi di colore. I classici modelli di meccanismi cromatici sono il modello tricromatico di Young-Helmholtz e il modello di processo dell’avversario di Hering. Sebbene inizialmente queste due teorie fossero considerate in disaccordo, in seguito si comprese che i meccanismi responsabili dell’avversione a colori ricevono segnali dai tre tipi di coni e li elaborano a un livello più complesso.

Evoluzione dei vertebrati della visione dei colori
Gli animali vertebrati erano primitivamente tetracromatici. Possedevano quattro tipi di coni: coni di lunghezza d’onda lunga, media, corta e coni ultravioletti. Oggi pesci, rettili e uccelli sono tutti tetracromatici. I mammiferi placentari hanno perso entrambi i coni di lunghezza d’onda media e corta. Pertanto, la maggior parte dei mammiferi non ha una visione a colori complessa: sono bicromatici ma sensibili alla luce ultravioletta, sebbene non possano vederne i colori. La visione umana del colore tricromatico è una recente novità evolutiva che si è evoluta per la prima volta nell’antenato comune dei Primati del Vecchio Mondo. La nostra visione cromatica tricromatica si è evoluta con la duplicazione dell’opsina sensibile a lunghe lunghezze d’onda, che si trova sul cromosoma X. Una di queste copie si è evoluta per essere sensibile alla luce verde e costituisce la nostra opsina a metà d’onda. Allo stesso tempo, la nostra opsina a lunghezza d’onda corta si è evoluta dall’opside ultravioletta dei nostri antenati di vertebrati e mammiferi.

La cecità da colore umano rosso-verde si verifica perché le due copie dei geni Opsin rosso e verde rimangono in stretta prossimità sul cromosoma X. A causa della frequente ricombinazione durante la meiosi, queste coppie di geni possono essere facilmente riorganizzate, creando versioni dei geni che non hanno sensibilità spettrali distinte.