色彩理论之颜色模式(XYZ,Yxy,L*a*b*)


概述

每幅图像都可以以某种颜色模式来显示和存储。比如说:可以告诉别人“这幅图像是RGB的”或者“那幅图是按CMYK模式存储的”。当谈到RGB和CMYK时,必须要涉及合适的、客观的模式来描述人眼所看到的颜色。这些颜色模式也称为颜色空间。

RGB和CMYK色空间

RGB模式是一种光源直接发射光线的颜色空间。CMY色空间用三种减色原色C、M、Y来描述从物体反射出来的光。RGB和CMY是两种本质的模式。这就是为什么前面的章节做了那么多铺垫的原因。实际上,对于色彩管理来说两种都有缺陷。当需要以一种标准方式来决定颜色时,两种都不能用,因为它们缺少可重复性。

实际上,象人眼、显示器、扫描仪等这些都是RGB色空间的。它们都是设备相关的。CMY空间也是一样。为了使用同样的语言,我们必须在一个标准色空间下定义颜色。因此在本章里,我们会探讨HSL色空间以及CIE标准色空间。最后,会介绍CIEL*a*b构成所有色彩管理系统的基础。

HSL色空间

什么是HSL?

视觉系统中引用了三种主要的颜色区域(红、绿、蓝)来简化可见光谱中复杂的波长信息。对于CMY,同样把颜色空间分为三种独立的颜色组分:青、品红、黄。如果要更加客观的定义颜色,仅仅定义这些原色是不够的。
需要用三种属性或三维来描述一个颜色。

HSL就是应用在图形学和印刷领域的这样一种模式。它直接源于RGB色空间,并使用它的感知性来描述颜色:色相、饱和度、明度。

色相

色相是颜色的一种属性,由来自物体光线的波长决定。当我们为颜色命名比如:红、蓝、紫色时,会提到这个属性。

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两种不同色相的颜色,例:红和蓝

饱和度(也叫色度、纯度、强度、鲜艳度)

饱和度是颜色的透明度;长度上颜色是灰色的。它的值从0%(不饱和或灰)-100%(完全饱和)变化。

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同种颜色,不同饱和度,例:红色和粉红

明度

明度(也叫照度、亮度)明度表示颜色的光亮或黑暗程度,即与黑或白的接近程度。它的范围为:0%(黑)-100%(白)。

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同种颜色,不同明度,例:红色和深酒红色

HSL或HSV,HSC?

有时也会用其它方式来表示这三种属性:

  • HSV(hue,saturation,value)
  • HSC(hue,value,chroma)

HSL模式:在颜色空间的表象

HSL模式的色相、饱和度、明度提供了三种可以在颜色空间里用来“匹配”可见颜色的属性。这三种特性可以用一个三维的“圆盘”模型来表示:

  • 围绕着圆面变化的是色相。赤道周围的是纯正的色相。
  • 沿着竖直方向变化的是明度。因此,在色空间的最中心是中性灰,两头是最白和最黑。所有的色相都围线着这根轴聚集并混合在一起。
  • 沿着圆面中心向外幅射方向增长的是饱和度。这个模型的外表并不规则,国为人眼对些颜色的反映比对另一些颜色要灵敏些。

HSL模式立体图

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左侧:可见光谱    右侧:色相

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左侧:亮度    右侧:饱和度

HSL模式:最合适的感知

将一种波长的每一个组分都提取出来得到一个图表,通过这种方式,一条彩色光谱显示了特定光线、锥体等的颜色特性。

仔细看下图。左边的柱形图表示人眼能够感知的三原色理想的光谱(蓝、绿、红)。中间的图表示由显示器产生的三原色的光谱。右图所示为胶印中产生颜色的光谱。

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蓝、绿、红的光谱:理想光谱(左),显示器产生的RGB光谱(中),胶印产生的CMYK光谱(右)

显示器得到的颜色

显示器产生的原色光谱有更高而且更一致的波峰。人类的视觉系统在光谱中先探测到一个小的、饱和得多的波峰,然后是一个宽而平坦的区域。这就是为什么显示器得到的颜色要比胶印得到的颜色更饱和的原因。

胶印得到的颜色

至于胶印中的颜色,更暗而且饱和度更差些。具体的说,意味着:

  • 饱和度较差是因为一些不属于印刷色的受体也会产生细微的刺激。
  • 我们感觉到较暗的颜色是因为在印刷时达不到理想的颜色。

HSL模式:人眼的参照

上面所提到的只有一部分是正确的,因为我们的视觉系统要复杂得多。

不同的颜色范围灵敏度

我们的三种受体的灵敏度的颜色范围有些不确定。事实上,会有一些重叠。每个受体也有一个最大的灵敏度,但是它没有理想的颜色感知系统产生的灵敏度曲线高。

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锥体细胞对颜色范围的灵敏度以及对蓝、绿、红的刺激

不同的明度灵敏度

每一个独立的光谱在明度的灵敏度上也有所不同。人眼对于绿色范围内的颜色的感知比对红和蓝色范围要更亮一些。这种现象和颜色的灵敏度现象一起导致了不同的彩色光谱可以对人眼带来同样的颜色感觉的结果。

结论

在HSL模式下,不同的彩色光谱可以得到相同的HSL值。这就是为什么在描述颜色感觉时,HSL是一个最好的模式。

HSL模式:色序

HSL模式的另一个重要的特性是彩色光谱都转换为它们的属性值(色相、饱和度、明度)而不是任何一个原色。这样就可以将HSL模式作为一个参考模式,尤其是如果我们想查看一个原色是它本来的颜色或者是混合色的时候,更有用了。

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HSL彩色环以及RGB-CMY位置

HSL模式的彩色轮沿用了可见光谱的颜色次序:红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。

要点

当显示器的原色与胶印的原色放置在一样的HSL色轮上时,要注意色相和饱和度的重大不同。明度的区别没有在这张图上显示,但是和饱和度一样,显示器的明度比印刷的要亮得多。

三刺激颜色描述

当我们看到RGB、CMY和HSL时,我们的视觉系统的视锥有什么共同点?它们都被描述为:

  • “条件”
  • “属性”
  • “颜色”或者”刺激”.

其实我们的视觉系统,以及所有的颜色空间,都是三刺激值。颜色空间用三个刺激值来描述,并可以三维图中视觉显示出来。因此,色彩空间是描述和建模我们眼睛的三刺激的有效方法。

CIE XYZ -Yxy颜色模型

颜色空间:视觉与数学模型

颜色空间不仅仅是命名和描述颜色的模型,也是一个三维立体空间。例如HSL,非常方便地比较两种或更多的颜色,每种颜色代表了颜色空间中的一个独立的点(由三种刺激的值决定)。

所以,只要知道颜色的坐标值,就能轻易地将其从颜色空间中标记出来。虽然,通过与其他颜色的关系可能知道它在色空间的位置,但是用三个数值来描述颜色,还不足以决定两种颜色的视觉差异。

我们将在这一章中探索用三维的、数学上定义的坐标来描述颜色的模型,而不是三个主观的值。

颜色空间:设备相关与设备无关

我们一直在讨论的颜色空间(RGB、CMY和HSL)是依赖于设备的,这意味着不同设备在颜色空间中颜色坐标是不同的(尽管坐标的名称是相同的)。

匹配颜色的最佳方法是使用一个稳定的、逻辑的、设备无关的数学系统,这种系统是由“国际委员会”于1931年开发的,通常以其缩写为CIE。CIE空间是与设备无关的,这意味着在这颜色空间中可以找到的颜色范围并不局限于特定设备的呈现能力。

CIE XYZ 颜色模型

CIE发布此颜色模型为了确定人眼感知颜色的平均状况,在1931年,他们使用三种原色定义了一个数学模型(或者三种刺激值(X(红色),Y(绿色)和Z(蓝色)),从这个模型中可以看到所有的颜色都可以被一个“标准”观察者看到,此数学模型被称为“CIE XYZ模型”。CIE XYZ模型中测量了标准光源下的每一种颜色,以及严格定义了标准观察者所看到的观察条件。

色彩理论之颜色模式(XYZ,Yxy,L*a*b*)-_XYZ颜色模型

一个不均匀的XYZ颜色模型

CIE XYZ模型其实很少被使用,尽管它是所有其他颜色模型派生的参考颜色空间。

CIEYxy颜色模型

由于XYZ三维的颜色模型不太容易解释和理解,所以CIE开发出了Yxy颜色模型,也称为色度图,它可以将颜色可视化,而不考虑明度坐标。

这个模型根据两个色度坐标来定义颜色:

  • 其中一个显示了色调的主导波长(x),
  • 另一个显示它的饱和度(y)。

Y轴表示颜色的明度,只能在Yxy模型的三维视图中显示。在这个模型中,所有具有相同Y亮度的颜色都在同一个三角平面上。

色彩理论之颜色模式(XYZ,Yxy,L*a*b*)-_色域的色度图

一些基本色域的色度图

x和y坐标的可视化如下:

  • 从色度图的中心到边缘的颜色会越加饱和,最饱和的颜色在图表的边缘。
  • 色相的改变是根据其在马蹄形的边缘的位置。

所有的颜色都在由马蹄铁所包围的空间内(及红色和蓝色波长之间的直线)。色度图之所以这样的形状,是因为我们对紫色和红色之间的细微变化更敏感,而不是绿色和黄色之间的变化。直线上的颜色是人为假设的,因为这些颜色没有特定的波长。

虽然在这个模型中颜色之间的差异不符合视觉差异,但它能够指出RGB显示器的相对色域和印刷色块的不同。

CIE L*a*b* 颜色模型

一个视觉一致的颜色模型

正如我们所看到的,CIE XYZ和CIE Yxy颜色模型并不能精确地表示所感知到的颜色。而且,在这些颜色模型中感知到的颜色和实际的颜色之间是存在差异的。
在1976年,CIE通过修改和重命名Yxy模型来纠正这些视觉扭曲,并将其命名为“CIEL*A*B*”或“CIELAB”。CIE L*a*b*模型中的颜色差异更接近于实际感知的颜色差异。

色彩理论之颜色模式(XYZ,Yxy,L*a*b*)-_lab色空间

CIE L*a*b* 颜色模型

相同明度(L)的所有颜色,都是垂直在由a*和b*轴组成的同一个圆形平面上:

  • a*值正->红色,
  • a*值负->绿色,
  • b*值正->黄色,
  • b*值负->蓝色。

CIE L*a*b* 颜色模型基于“对立的颜色”理论

为什么CIE L*a*b*颜色模型是表达人眼所能感知到的颜色范围的最佳方法?

我们知道我们的眼睛有三种颜色的光刺激,红色,绿色和蓝色。实际上,这个复杂的系统背后有更多的信息。在进一步的处理阶段,我们也会产生三种感觉:

  • 红/绿感觉,
  • 黄/蓝感觉,
  • 白/黑感觉.

The CIE L*a*b* 颜色模型符合这三种视觉感觉:

  • 红/绿与a*相关
  • 黄/蓝与b*相关
  • 白/黑与L*相关

CIE L*a*b* 颜色模型不仅在定量上,而且以定性的方式,将明度和颜色信息区分开来。这就是我们识别颜色的方式。

Delta E (∆E)色差

我们使用颜色距离表示CIEL*a*b*颜色模型中表达两个颜色之间差异,那如何表示此距离呢?即Delta E (∆E)色差。

使用如下的计算公式来计算Delta E (∆E)色差:

∆E*L*A*b* = sqrt((L*2 – L*1)^2 + (a*2 – a*1)^2 + (b*2 – b*1)^2)

色彩理论之颜色模式(XYZ,Yxy,L*a*b*)-_色差计算

CIE L*a*b* 颜色模型中∆E色差计算

∆E色差值越小,说明两个颜色视觉差异越小。 典型的工业色差范围2到6之间。使用L*a*b*及色差能大大提高效率,但是也建议你在看颜色的时候更多依赖你的眼睛。一个色差小于4的颜色一般认为不错了,但是也可以产生你意想不到的结果。

标准照明体

当使用色差∆E来评估两个颜色的差异的时候,需要使用一个标准照明体来计算,这是非常重要的选项。常见的CIE标准照明体:D50、D65,D50和D65对应的色温为5000K和6500K,详细可参考《色彩管理中的标准照明体

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