Цветовая модель представляет собой абстрактную математическую модель, описывающую, как цвета могут быть представлены в виде кортежей чисел, обычно как три или четыре значения или цветовые компоненты. Когда эта модель связана с точным описанием того, как компоненты должны интерпретироваться (условия просмотра и т. Д.), Результирующий набор цветов называется цветовым пространством. В этом разделе описываются способы моделирования человеческого цветного зрения.

Цветовое пространство тристимула
Это пространство можно представить как область в трехмерном евклидовом пространстве, если отождествить оси x, y и z со стимулами для длинноволновых (L), средневолновых (M) и коротковолновых (S ) легкие рецепторы. Происхождение (S, M, L) = (0,0,0) соответствует черному. У белых нет определенной позиции на этой диаграмме; скорее он определяется в соответствии с цветовой температурой или балансом белого по желанию или как доступен от окружающего освещения. Человеческое цветовое пространство представляет собой конус-конусообразный конус, такой как показано здесь (см. Также диаграмму цветности CIE ниже), простирающийся от начала до бесконечности. На практике рецепторы человеческого цвета будут насыщены или даже повреждены при чрезвычайно высоких интенсивностях света, но такое поведение не является частью цветового пространства CIE, и ни одно изменение восприятия цвета на низких уровнях освещенности (см. Кривую Kruithof). Наиболее насыщенные цвета расположены на внешнем краю области, причем яркие цвета удаляются дальше от начала. Что касается ответов рецепторов в глазу, то нет такого понятия, как «коричневый» или «серый» свет. Последние названия цветов относятся к оранжевому и белому свету, соответственно, с интенсивностью, которая ниже, чем свет от окружающих областей. Это можно наблюдать, наблюдая за экраном проектора во время встречи: на белом фоне видны черные надписи, хотя «черный» на самом деле не стал темнее белого экрана, на котором он проецируется до того, как проектор был включенный. «Черные» области фактически не становятся темными, но кажутся «черными» относительно большей интенсивности «белого», проецируемого на экран вокруг него. См. Также постоянство цвета.

Человеческое тристимуловое пространство обладает тем свойством, что аддитивное смешивание цветов соответствует добавлению векторов в этом пространстве. Это упрощает, например, описание возможных цветов (гаммы), которые могут быть построены из красных, зеленых и синих праймериз на дисплее компьютера.

Цветовое пространство CIE XYZ
Одним из первых математически определенных цветовых пространств является цветовое пространство CIE XYZ (также известное как цветовое пространство CIE 1931), созданное Международной комиссией по освещению в 1931 году. Эти данные были измерены для наблюдателей-людей и поля зрения на 2 градуса. В 1964 году были опубликованы дополнительные данные для поля зрения на 10 градусов.

Обратите внимание, что табличные кривые чувствительности имеют в них определенную произвольность. Форма отдельных кривых чувствительности X, Y и Z может быть измерена с разумной точностью. Однако общая функция светимости (которая на самом деле является взвешенной суммой этих трех кривых) является субъективной, поскольку она включает в себя задание испытуемому, имеют ли два источника света одинаковые яркости, даже если они имеют совершенно разные цвета. В то же время относительные величины кривых X, Y и Z произвольно выбираются для получения равных площадей под кривыми. Можно также определить допустимое цветовое пространство с кривой чувствительности X, которая имеет удвоенную амплитуду. Это новое цветовое пространство будет иметь другую форму. Кривые чувствительности в цветовом пространстве CIE 1931 и 1964 xyz масштабируются, чтобы иметь равные площади под кривыми.

Иногда цвета XYZ представлены яркостью, Y и координатами х и y цветности, определяемыми:

 and  
Математически x и y являются проективными координатами, а цвета диаграммы цветности занимают область реальной проективной плоскости. Поскольку кривые чувствительности CIE имеют равные площади под кривыми, свет с плоским энергетическим спектром соответствует точке (x, y) = (0.333,0.333).

Значения для X, Y и Z получаются путем интегрирования произведения спектра светового луча и опубликованных функций согласования цветов.

Цветовая модель RGB
СМИ, передающие свет (например, телевидение), используют аддитивное смешивание цветов с первичными цветами красного, зеленого и синего, каждый из которых стимулирует один из трех типов рецепторов цвета глаз с минимальной стимуляцией двух других. Это называется цветовым пространством «RGB». Смеси света этих основных цветов покрывают большую часть человеческого цветного пространства и, таким образом, производят большую часть человеческого опыта цвета. Вот почему цветные телевизоры или цветные компьютерные мониторы нуждаются только в производстве смесей красного, зеленого и синего света. См. Аддитивный цвет.

В принципе можно использовать другие первичные цвета, но с красным, зеленым и синим может быть захвачена самая большая часть человеческого цветового пространства. К сожалению, нет точного консенсуса относительно того, какие локусы на диаграмме цветности должны иметь красные, зеленые и синие цвета, поэтому одни и те же значения RGB могут вызывать несколько разные цвета на разных экранах.

Представления HSV и HSL
Признавая, что геометрия модели RGB плохо согласована с цветовыми атрибутами, признанными человеческим видением, исследователи компьютерной графики разработали два альтернативных представления RGB, HSV и HSL (оттенок, насыщенность, значение и оттенок, насыщенность, легкость), в конец 1970-х годов. HSV и HSL улучшают представление цветового куба RGB, упорядочивая цвета каждого оттенка в радиальном срезе вокруг центральной оси нейтральных цветов, которая находится в диапазоне от черного до нижнего уровня до белого в верхней части. Полностью насыщенные цвета каждого оттенка затем лежат в круге, цветовом круге.

HSV моделирует себя на смеси краски, с ее насыщенностью и величинами, напоминающими смеси ярко окрашенной краски, соответственно, белого и черного. HSL пытается походить на более восприимчивые цветовые модели, такие как NCS или Munsell. Он помещает полностью насыщенные цвета в круг легкости ½, так что легкость 1 всегда подразумевает белый, а яркость 0 всегда подразумевает черный.

HSV и HSL широко используются в компьютерной графике, в частности, для выбора цвета в программном обеспечении для редактирования изображений. Математическое преобразование из RGB в HSV или HSL можно было вычислить в реальном времени даже на компьютерах 1970-х годов, и есть легкое для понимания отображение между цветами в любом из этих пространств и их проявлением на физическом устройстве RGB.

Цветовая модель CMYK
Можно добиться большого количества цветов, видимых людьми, комбинируя голубые, пурпурные и желтые прозрачные красители / чернила на белой подложке. Это субтрактивные основные цвета. Часто для улучшения воспроизведения некоторых темных цветов добавляется четвертая чернила, черная. Это называется цветовым пространством «CMY» или «CMYK».

Голубые чернила поглощают красный свет, но передают зеленый и синий, пурпурные чернила поглощают зеленый свет, но пропускают красный и синий, а желтые чернила поглощают синий свет, но пропускают красный и зеленый. Белая подложка отражает прошедший свет назад к зрителю. Поскольку на практике чернила CMY, подходящие для печати, также отражают немного цвета, делая невозможным глубокую и нейтральную черную, компонент K (черная чернила), обычно напечатанный последним, необходим для компенсации их недостатков. Использование отдельных черных чернил также экономично управляется, когда ожидается много черного содержимого, например. в текстовых средах, чтобы уменьшить одновременное использование трех цветных чернил. Красители, используемые в традиционных цветных фотографических отпечатках и слайдах, гораздо более прозрачны, поэтому компонент K обычно не нужен или не используется в этих средах.

Цветные системы
Существуют различные типы цветовых систем, которые классифицируют цвет и анализируют их эффекты. Цветовая система American Munsell, разработанная Альбертом Мунселлом, является известной классификацией, которая организует различные цвета в цветовое твердое тело, основанное на оттенке, насыщенности и ценности. Другие важные цветовые системы включают в себя шведскую систему естественного цвета (NCS), оптическое общество равномерного цветного пространства Америки (OSA-UCS) и венгерскую систему Coloroid, разработанную Antal Nemcsics из Будапештского университета технологий и экономики. Из них NCS основана на цветовой модели противного процесса, в то время как Munsell, OSA-UCS и Coloroid пытаются моделировать равномерность цвета. Американские Pantone и немецкие коммерческие системы цветового сопоставления RAL отличаются от предыдущих тем, что их цветовые пространства не основаны на базовой цветовой модели.

Другие виды использования «цветовой модели»

Модели механизма цветного зрения
Мы также используем «цветовую модель», чтобы указать модель или механизм цветового зрения для объяснения того, как сигналы цвета обрабатываются от визуальных конусов до ячеек ганглия. Для простоты мы называем эти модели цветными механизмами. Модели классического цветового механизма — это трихроматическая модель Юнга-Гельмгольца и модель процесса оппонента Геринга. Хотя первоначально эти две теории считались противоречивыми, позже выяснилось, что механизмы, ответственные за противоположность цвета, получают сигналы от трех типов конусов и обрабатывают их на более сложном уровне.

Развитие позвоночного цвета
Животные позвоночных были примитивно тетрахроматическими. Они обладали четырьмя типами конусов — длинными, средними, коротковолновыми конусами и ультрафиолетовыми чувствительными конусами. Сегодня рыба, рептилии и птицы — все тетрахроматические. Плацентарные млекопитающие потеряли как средние, так и коротковолновые конусы. Таким образом, большинство млекопитающих не имеют сложного цветового зрения — они являются дихроматическими, но они чувствительны к ультрафиолетовому излучению, хотя они не могут видеть его цвета. Человеческое трихроматическое цветное зрение является недавней эволюционной новизной, которая впервые возникла у общего предка Приматов Старого Света. Наше трихроматическое цветовое зрение развивалось путем дублирования длинноволнового чувствительного опсина, обнаруженного на Х-хромосоме. Одна из этих копий развивалась так, чтобы быть чувствительной к зеленому свету и представляет собой наш средний диапазон длины волны. В то же время наш коротковолновый opsin эволюционировал от ультрафиолетового опсина наших позвоночных и предков млекопитающих.

Человеческая красно-зеленая цветовая слепота возникает из-за того, что две копии красных и зеленых опсиновых генов остаются в непосредственной близости от Х-хромосомы. Из-за частых рекомбинаций во время мейоза эти пары генов могут быть легко перегруппированы, создавая версии генов, которые не имеют четкой спектральной чувствительности.