Цветовое пространство Lab — HiSoUR История культуры

Цветовое пространство Lab описывает математически все воспринимаемые цвета в трех измерениях L для легкости и a и b для цветовых компонентов зелено-красный и сине-желтый. Терминология «Лаборатория» происходит от цветового пространства Хантера 1948 года. В настоящее время «Лаборатория» часто неверно используется в качестве аббревиатуры для цветового пространства CIEL * a * b * 1976 (также CIELAB); звездочки / звезды отличают версию CIE от оригинальной версии Hunter. Отличие от координат Hunter Lab заключается в том, что координаты CIELAB создаются путем преобразования корня куба данных цвета CIE XYZ, тогда как координаты Hunter Lab являются результатом преобразования квадратного корня. Другие, менее распространенные примеры цветовых пространств с представлениями Lab используют цветовое отличие CIE 1994 и цветовое отличие CIE 2000.

Цветовое пространство Lab превышает гаммы цветовых моделей RGB и CMYK (например, ProPhoto RGB включает около 90% всех воспринимаемых цветов). Одним из наиболее важных атрибутов модели Lab является независимость устройства. Это означает, что цвета определяются независимо от их характера создания или устройства, на котором они отображаются. Цветовое пространство Lab используется, когда графика для печати должна быть преобразована из RGB в CMYK, так как гамма Lab включает в себя как RGB, так и CMYK-гамму. Также он используется в качестве формата обмена между различными устройствами, что касается независимости его устройства. Само пространство представляет собой трехмерное вещественное числовое пространство, содержащее бесконечное число возможных представлений цветов. Однако на практике пространство обычно отображается на трехмерное целое пространство для независимого от устройства цифрового представления, и по этим причинам значения L *, a * и b * обычно являются абсолютными, с заранее заданным диапазоном , Легкость L * представляет самый темный черный при L * = 0 и самый яркий белый при L * = 100. Цветные каналы a * и b * будут представлять собой истинные нейтральные серые значения при a * = 0 и b * = 0. Красные / зеленые цвета противника представлены вдоль оси a *, с зелеными значениями отрицательных a * и красными при положительных значениях a *. Цвет желтого / синего противника представлен вдоль оси b *, с синим при отрицательных значениях b * и желтым при положительных значениях b *. Масштабирование и пределы осей a * и b * будут зависеть от конкретной реализации цвета Lab, как описано ниже, но они часто работают в диапазоне от ± 100 или от -128 до +127 (подписанное 8-битное целое число).

Оба цветовых пространства Hunter и 1976 CIELAB были получены из предыдущего «основного» пространства CIE 1931 XYZ, которое может предсказать, какие спектральные распределения мощности будут восприниматься как один и тот же цвет (см. Метамеризм), но который не является особенно восприимчивым , На сильное влияние цветной системы Munsell намерение цветовых пространств «Lab» состоит в том, чтобы создать пространство, которое можно вычислить с помощью простых формул из пространства XYZ, но более восприимчиво однородно, чем XYZ. Единообразно воспринимаемая форма означает, что изменение той же величины в цветовом значении должно приводить к изменению примерно того же расстояния восприятия. При хранении цветов с ограниченными значениями точности это может улучшить воспроизведение тонов. Оба пространства Lab относятся к белой точке данных XYZ, из которых они были преобразованы. Значения Lab не определяют абсолютные цвета, если не указана белая точка. Часто на практике предполагается, что белая точка соответствует стандарту и явно не указана (например, для целей абсолютной колориметрической визуализации значения Международного цветового консорциума L * a * b * относятся к стандартному источнику D50 стандарта CIE, тогда как они относятся к непечатанному субстрату для других целей рендеринга).

Корреляция яркости в CIELAB рассчитывается с использованием кубического корня относительной яркости.

преимущества
В отличие от цветных моделей RGB и CMYK, цвет Lab разработан для приближения человеческого зрения. Он стремится к единообразности восприятия, а его компонент L близко соответствует восприятию человеком легкости, хотя он не учитывает эффект Гельмгольца-Кольрауша. Таким образом, его можно использовать для точной коррекции цветового баланса путем изменения выходных кривых в компонентах a и b или для регулировки контрастности яркости с использованием компонента L. В пространствах RGB или CMYK, которые моделируют вывод физических устройств, а не визуальное восприятие человека, эти преобразования могут выполняться только с помощью соответствующих режимов наложения в приложении редактирования.

Поскольку пространство Lab больше, чем гамма компьютерных дисплеев и принтеров, и поскольку визуальные пропускные способности относительно отличаются от цветовой области, растровое изображение, представленное как Lab, требует больше данных на пиксель, чтобы получить ту же точность, что и растровое изображение RGB или CMYK. В 1990-х годах, когда компьютерное оборудование и программное обеспечение были ограничены хранением и обработкой в основном 8-битных / растровых изображений, преобразование изображения RGB в Lab и обратно было очень неудачной операцией. В настоящее время общая поддержка 16-битных / канальных и плавающих точек — потери, вызванные квантованием, незначительны.

CIELAB является авторским правом и без лицензии: поскольку он полностью математически определен, модель CIELAB является общедоступной, она во всех отношениях свободно применима и интегрируема (также систематическая таблица значений цвета Lab / HLC).

Большая часть координатного пространства Lab не может генерироваться спектральными распределениями, поэтому она выходит за рамки человеческого зрения, и такие значения Lab не являются «цветами».

дифференцирование
Некоторые конкретные виды использования аббревиатуры в программном обеспечении, литературе и т. Д.

В Adobe Photoshop редактирование изображений с использованием режима «Lab» — это CIELAB D50.
В Affinity Photo редактирование лаборатории достигается путем изменения цветного формата документа на «Lab (16 бит)»
В профилях ICC «Цветовое пространство Lab», используемое как пространство для соединения профиля, — CIELAB D50.
В TIFF-файлах может использоваться цветовое пространство CIELAB.
В документах PDF «Цветовое пространство Lab» — это CIELAB.
В Digital Color Meter на OS X он описывается как «L * a * b *»,
В программном обеспечении RawTherapee для неразрушающего редактирования с открытым исходным кодом целая вкладка с множеством элементов управления предназначена для модели цвета CIE Color Appearance Model

CIELAB
CIE L * a * b * (CIELAB) — это цветовое пространство, указанное Международной комиссией по освещению (French Commission internationale de l’éclairage, отсюда и его инициализм CIE). Он описывает все цвета, видимые человеческому глазу, и был создан для использования в качестве независимой от устройства модели, которая будет использоваться в качестве ссылки.

Три координаты CIELAB представляют собой легкость цвета (L * = 0 дает черный цвет, а L * = 100 указывает на рассеянный белый цвет, зеркальный белый может быть выше), его положение между красным / пурпурным и зеленым (a *, отрицательные значения указывают на зеленый а положительные значения указывают пурпурный), а его положение между желтым и синим (b *, отрицательные значения указывают синий, а положительные — желтые).Звездочка (*) после L, a и b произносится как звезда и является частью полного имени, так как они представляют L *, a * и b *, чтобы отличить их от L, a и b охотника, описанных ниже.

Так как модель L * a * b * является трехмерной моделью, ее можно представить правильно только в трехмерном пространстве. Двумерные изображения включают диаграммы цветности: участки цветного твердого тела с фиксированной легкостью. Крайне важно понять, что визуальные представления полной гаммы цветов в этой модели никогда не точны; они просто помогают понять концепцию.

Поскольку красно-зеленые и желто-синие каналы противника вычисляются как различия в преобразованиях легкости (предположительных) конусообразных ответов, CIELAB является цветовым пространством цветовой ценности.

Связанное цветовое пространство, цветовое пространство CIE 1976 (L *, u *, v *) (aka CIELUV), сохраняет тот же L *, что и L * a * b *, но имеет другое представление компонентов цветности. CIELAB и CIELUV также могут быть выражены в цилиндрической форме (CIELCH и CIELCHuv, соответственно), при этом компоненты цветности заменяются коррелятами цвета и оттенка.

Начиная с CIELAB и CIELUV, CIE включил в свои модели все большее количество явлений цвета, чтобы лучше моделировать цветовое зрение. Эти модели внешнего вида, из которых CIELAB является простым примером, завершился CIECAM02.

Перцептивные различия
Этот раздел более подробно рассматривается в разделе «Разница цветов».

Нелинейные соотношения для L *, a * и b * предназначены для имитации нелинейного отклика глаза. Кроме того, однородные изменения компонентов в цветовом пространстве L * a * b * направлены на то, чтобы соответствовать равномерным изменениям воспринимаемого цвета, поэтому относительные различия восприятия между любыми двумя цветами в L * a * b * могут быть аппроксимированы обработкой каждого цвета как точка в трехмерном пространстве (с тремя компонентами: L *, a *, b *) и взятием евклидова расстояния между ними.

Конверсии RGB и CMYK
Нет простых формул для преобразования значений RGB или CMYK и L * a * b *, поскольку цветовые модели RGB и CMYK зависят от устройства.Значения RGB или CMYK сначала должны быть преобразованы в определенное абсолютное цветовое пространство, такое как sRGB или Adobe RGB.Эта настройка будет зависящей от устройства, но полученные данные из преобразования будут независимы от устройства, позволяя преобразовывать данные в цветовое пространство CIE 1931, а затем преобразовываться в L * a * b *.

Диапазон координат
Как уже упоминалось ранее, координата L * колеблется от 0 до 100. Возможный диапазон координат * и b * не зависит от цветового пространства, от которого происходит преобразование, поскольку в приведенном ниже преобразовании используются X и Y, которые поступают из RGB.

Конверсии CIELAB-CIEXYZ
Прямое преобразование
${\ displaystyle {\ begin {aligned} L ^ {\ star} & = 116 \ f \! \ left ({\ frac {Y} {Y _ {\ mathrm {n}}}} \ right) -16 \\ a ^ {\ star} & = 500 \ left (f \! \ left ({\ frac {X} {X _ {\ mathrm {n}}}} \ right) -f \! \ left ({\ frac {Y} {Y_ {\ mathrm {n}}}} \ right) \ right) \\ b ^ {\ star} & = 200 \ left (f \! \ Left ({\ frac {Y} {Y _ {\ mathrm {n }}}} \ right) -f \! \ left ({\ frac {Z} {Z_ {\ mathrm {n}}}} \ right) \ right) \ end {aligned}}}$
где

${\ displaystyle {\ begin {aligned} f (t) & = {\ begin {cases} {\ sqrt [{3}] {t}} & {\ text {if}} t> \ delta ^ {3} \ \ {\ frac {t} {3 \ delta ^ {2}}} + {\ frac {4} {29}} & {\ text {other}} \ end {cases}} \\\ delta & = {\ frac {6} {29}} \ end {aligned}}}$
Здесь $X N, Y и Z п п являются трехцветные значения CIE XYZ эталонной белой точки (индекс п указывает «нормализованы»).$

При освещении D65 с нормировкой Y = 100 значения

${\ displaystyle {\ begin {aligned} X _ {\ mathrm {n}} & = 95.047, \\ Y _ {\ mathrm {n}} & = 100.000, \\ Z _ {\ mathrm {n}} & = 108.883 \ end {выровнен}}}$
Значения для источника света D50

${\ displaystyle {\ begin {aligned} X _ {\ mathrm {n}} & = 96.6797, \\ Y _ {\ mathrm {n}} & = 100.000, \\ Z _ {\ mathrm {n}} & = 82.5188 \ end {выровнен}}}$
Разделение области функции f на две части было выполнено для предотвращения бесконечного наклона при t = 0. Функция f считалась линейной ниже некоторого t = t0 и предполагалось, что она соответствует части t1 / 3 функция при t0 как по значению, так и по наклону. Другими словами:

${\ displaystyle {\ begin {aligned} t_ {0} ^ {1/3} & = mt_ {0} + c & {\ text {(соответствие по значению)}} \\ {\ frac {1} {3}} t_ {0} ^ {- 2/3} & = m & {\ text {(совпадение по склону)}} \ end {aligned}}}$
Перехват f (0) = c был выбран так, чтобы L * составлял 0 при Y = 0: c = 16/116 = 4/29. Вышеуказанные два уравнения можно решить для m и t0:

${\ displaystyle {\ begin {aligned} m & = {\ frac {1} {3}} \ delta ^ {- 2} & = 7.787037 \ ldots \\ t_ {0} & = \ delta ^ {3} & = 0.008856 \ ldots \ end {aligned}}}$
где δ = 6/29.

Обратное преобразование
Обратное преобразование наиболее легко выражается с помощью инверсии функции f выше:

${\ displaystyle {\ begin {aligned} X & = X _ {\ mathrm {n}} f ^ {- 1} \ left ({\ frac {L ^ {\ star} +16} {116}} + {\ frac { a ^ {\ star}} {500}} \ right) \\ Y & = Y_ {\ mathrm {n}} f ^ {- 1} \ left ({\ frac {L ^ {\ star} +16} {116 }} \ right) \\ Z & = Z_ {\ mathrm {n}} f ^ {- 1} \ left ({\ frac {L ^ {\ star} +16} {116}} - {\ frac {b ^ {\ star}} {200}} \ right) \\\ end {aligned}}}$
где

${\ displaystyle f ^ {- 1} (t) = {\ begin {cases} t ^ {3} & {\ text {if}} t> \ delta \\ 3 \ delta ^ {2} \ left (t- {\ frac {4} {29}} \ right) & {\ text {other}} \ end {cases}}}$
и где δ = 6/29.

Hunter Lab
L является коррелятом легкости и вычисляется по значению Y tristimulus, используя приближение Приста к величине Munsell:

${\ displaystyle L = 100 {\ sqrt {Y / Y _ {\ mathrm {n}}}}}$
где Yn — значение тристимула Y заданного белого объекта. Для приложений с поверхностным цветом указанный белый объект обычно (хотя и не всегда) представляет собой гипотетический материал с отражателем единицы, который следует за законом Ламберта. Полученный L будет масштабироваться между 0 (черный) и 100 (белый); примерно в десять раз больше значения Мунселла. Обратите внимание, что средняя яркость 50 создается яркостью 25, так как {\ displaystyle 100 {\ sqrt {25/100}} = 100 \ cdot 1/2} $100 {\ sqrt {25/100}} = 100 \ cdot 1/2$

a и b называются осями цвета противника. a представляет, грубо говоря, покраснение (положительное) против зеленого цвета (отрицательное). Он вычисляется как:

${\ displaystyle a = K _ {\ mathrm {a}} \ left ({\ frac {X / X _ {\ mathrm {n}} -Y / Y _ {\ mathrm {n}}} {\ sqrt {Y / Y_ { \ mathrm {n}}}}} \ right)}$
где Ka — коэффициент, который зависит от источника света (для D65 Ka равен 172,30, см. примерную формулу ниже), а Xn — значение тристимула X указанного белого объекта.

Другая ось цвета оппонента, b, положительна для желтых цветов и отрицательна для синих цветов. Он вычисляется как:

${\ displaystyle b = K _ {\ mathrm {b}} \ left ({\ frac {Y / Y _ {\ mathrm {n}} -Z / Z_ {\ mathrm {n}}} {\ sqrt {Y / Y_ { \ mathrm {n}}}}} \ right)}$
где Kb — коэффициент, который зависит от источника света (для D65, Kb — 67,20, см. примерную формулу ниже), а Zn — значение тристимула Z указанного белого объекта.

Оба а и b будут равны нулю для объектов, которые имеют те же координаты цветности, что и указанные белые объекты (т. Е. Ахроматические, серые, объекты).

Имя для системы — атрибуция Ричарда С. Хантера.

Приближенные формулы для Ka и Kb
В предыдущей версии цветового пространства Hunter Lab Ka составляла 175, а Kb — 70. Лаборатория Hunter Associates обнаружила, что лучшее согласие может быть достигнуто с другими метриками разности цветов, такими как CIELAB (см. Выше), позволяя этим коэффициентам зависеть от осветительные приборы. Приближенные формулы:

{\ displaystyle K _ {\ mathrm {a}} \ approx {\ frac {175} {198.04}} (X _ {\ mathrm {n}} + Y _ {\ mathrm {n}})}

{\ displaystyle K _ {\ mathrm {b}} \ approx {\ frac {70} {218.11}} (Y _ {\ mathrm {n}} + Z _ {\ mathrm {n}})}

которые приводят к исходным значениям для Illuminant C, оригинального источника света, с которым использовалось цветовое пространство Lab.

В качестве хроматического валентного пространства Адамса
Цветовые пространства хроматической валентности Adams основаны на двух элементах: (относительно) равномерная шкала блеска и (относительно) единая шкала цветности. Если мы возьмем в качестве равномерной световой шкалы приближение Приста к шкале Манселл-стоимости, которая будет написана в современных обозначениях:

${\ displaystyle L = 100 {\ sqrt {Y / Y _ {\ mathrm {n}}}}}$
и, поскольку координаты однородной цветности:

{\ displaystyle c_ {\ mathrm {a}} = {\ frac {X / X _ {\ mathrm {n}}} {Y / Y _ {\ mathrm {n}}}} - 1 = {\ frac {X / X_ {\ mathrm {n}} -Y / Y _ {\ mathrm {n}}} {Y / Y _ {\ mathrm {n}}}}}

{\ displaystyle c_ {\ mathrm {b}} = k_ {\ mathrm {e}} \ left (1 - {\ frac {Z / Z _ {\ mathrm {n}}} {Y / Y _ {\ mathrm {n} }}} \ right) = k_ {\ mathrm {e}} {\ frac {Y / Y _ {\ mathrm {n}} -Z / Z_ {\ mathrm {n}}} {Y / Y _ {\ mathrm {n }}}}}

где ke — коэффициент настройки, мы получаем две хроматические оси:

${\ displaystyle a = K \ cdot L \ cdot c_ {\ mathrm {a}} = K \ cdot 100 {\ frac {X / X _ {\ mathrm {n}} -Y / Y _ {\ mathrm {n}}} {\ sqrt {Y / Y _ {\ mathrm {n}}}}}}$
а также

${\ displaystyle b = K \ cdot L \ cdot c_ {\ mathrm {b}} = K \ cdot 100k _ {\ mathrm {e}} {\ frac {Y / Y _ {\ mathrm {n}} -Z / Z_ { \ mathrm {n}}} {\ sqrt {Y / Y _ {\ mathrm {n}}}}}}$
который идентичен приведенным выше формулам Hunter Lab, если мы выберем K = Ka / 100 и ke = Kb / Ka. Таким образом, цветовое пространство Hunter Lab представляет собой цветовое пространство цветовой валентности Adams.

Цилиндрическое представление: CIELCh или CIEHLC
Цветовое пространство CIELCh является цветовым пространством кубика CIELab, где вместо декартовых координат a *, b *, цилиндрические координаты C * (цветность, относительная насыщенность) и h ° (угол оттенка, угол оттенка в цветовом колесе CIELab) указаны. Светочувствительность CIELab L * остается неизменной.

Преобразование a * и b * в C * и h ° выполняется по следующим формулам:

${\ displaystyle C ^ {\ star} = {\ sqrt {a ^ {\ star \, 2} + b ^ {\ star \, 2}}}, \ qquad h ^ {\ circ} = \ arctan \ left ( {\ frac {b ^ {\ star}} {a ^ {\ star}}} \ right)}$
И наоборот, с учетом полярных координат преобразование в декартовы координаты достигается с помощью:

${\ displaystyle a ^ {\ star} = C ^ {\ star} \ cos (h ^ {\ circ}), \ qquad b ^ {\ star} = C ^ {\ star} \ sin (h ^ {\ circ })}$
Цветовое пространство LCh не совпадает с цветовыми моделями HSV, HSL или HSB, хотя их значения также можно интерпретировать как базовый цвет, насыщенность и легкость цвета. Значения HSL представляют собой преобразование полярных координат того, что представляет собой технически определенное цветовое пространство куба RGB. LCh все еще воспринимается единообразно.

Кроме того, H и h не идентичны, поскольку пространство HSL использует в качестве основных цветов три основных основных цвета: красный, зеленый, синий (H = 0, 120, 240 °). Вместо этого система LCh использует четыре цвета: желтый, зеленый, синий и красный (h = 90, 180, 270, 360 °). Независимо от угла h, C = 0 означает ахроматические цвета, то есть серая ось.

Упрощенные написания LCh, LCH и HLC являются общими, но последние представляют другой порядок. Цветовое пространство HCL (Hue-Chroma-Luminance), с другой стороны, является обычно используемым альтернативным названием цветового пространства L * C * h (uv), также известного как цилиндрическое представление или полярное CIELUV.