Zjawiska optyczne Teoria barwy dr hab in Ryszard
Zjawiska optyczne Teoria barwy dr hab. inż. Ryszard Korbutowicz Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska
2 Podstawowe definicja BARWA Wrażenie wywoływane w mózgu, gdy oko odbiera promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu światła sjp. pl Wrażenie wzrokowe wywołane falami świetlnymi długości od 400 do 760 nm Encyklopedia PWN, Nauka KOLOR — ładunek kolorowy, właściwość kwarków Encyklopedia PWN, Nauka Termin kolor (w odniesieniu do widzenia) nie jest terminem naukowym czy też technicznym. Stosowany jest w poligrafii i malarstwie.
3 Podstawowe definicja Czym jest barwa? Ocena barwy, jej identyfikowanie, wymaga uwzględnienia trzech faz i trzech elementów: a) źródła światła jako miejsca tworzenia widzialnego promieniowania, b) oka jako detektora promieniowania, c) mózgu jako miejsca powstania wrażenia barwy.
4 Barwy proste i podstawowe Barwa wywołana promieniowaniem o ściśle określonej długości fali zwie się barwą prostą (widmową, spektralną, monochromatyczną); barwami prostymi są kolejne barwy tęczy. Wszystkie barwy proste z barwami purpurowymi (powstałymi ze zmieszania barw fioletowych z czerwonymi) stanowią barwy zasadnicze.
5 Barwy podstawowe http: //archiwum. swiatdruku. eu/archiwum/2000_09/01. htm Barwy proste, to takie, które nie zostaną rozszczepione przez kolejny pryzmat.
6 Siedem barw prostych 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) czerwona: 780 -620 nm, pomarańczowa: 620 -585 nm, żółta: 585 -575 nm, zielona: 575 -500 nm, niebieska: 500 -445 nm, indygo: 445 -425 nm, fioletowa: 425 -380 nm. Zakresy są przybliżone, barwy przechodzą płynnie jedna w drugą. https: //www. supergrowled. com/orchid-led-grow-lights/
7 Dlaczego widzimy barwy? W oku ludzkim występują czopki, czyli miliony barwoczułych receptorów — odpowiadają one za postrzeganie barw chromatycznych. Są ich trzy rodzaje (nierówno rozmieszczonych i w różnej ilości), każdy z nich reaguje na inną barwę: czerwoną, zieloną i niebieską.
8 Dlaczego widzimy barwy? W oku ludzkim występują czopki, czyli miliony barwoczułych receptorów — odpowiadają one za postrzeganie barw chromatycznych. Są ich trzy rodzaje (nierówno rozmieszczonych i w różnej ilości), każdy z nich reaguje na inną barwę: czerwoną, zieloną i niebieską.
9 Dlaczego widzimy barwy? Poza czopkami są pręciki odpowiedzialne za widzenie czarno-białe i nocne, a także za widzenie zarysów przedmiotów oraz wykrywanie ruchu. Dzięki nim mózg może ocenić, jaki rozmiar ma obserwowany obiekt oraz jest w stanie określić jego położenie oraz fakt poruszania się. Pręcików jest znacznie więcej niż czopków (dawna nazwa: słupków): ok. 120 milionów pręcików i ok. 6 milionów czopków.
10 Prawa Grassmanna GRASSMANNA PRAWA — trzy prawa składania (mieszania) barw odbieranych wizualnie za pomocą oka. Prawa te mają podstawowe znaczenie w technice pomiarów i analizie barw (kolorymetria). Sformułowane w 1853 r. przez Hermanna Günthera Grassmanna (1809– 1877), niemieckiego matematyka, fizyka i językoznawcę. Encyklopedia PWN, Nauka
11 Prawa Grassmanna 1) Przy dowolnej ciągłej zmianie promieniowania barwa zmienia się w sposób ciągły. 2) Przy składaniu 2 promieniowań barwa wypadkowa zależy tylko od barw składowych, a nie zależy od składu widmowego składników. 3) Każdą dowolnie obraną barwę można otrzymać za pomocą 3 liniowo niezależnych barw (np. czerwonej, zielonej i fioletowej).
12 Barwy achromatyczne i chromatyczne Barwy achromatyczne (barwy niekolorowe), barwy pozbawione tonu barwnego, tj. czerń, biel oraz wszystkie pośrednie odcienie szarości. Mieszanie różnych barw chromatycznych prowadzi do innej barwy tzw. addytywne mieszanie barw. https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Color_circle_(hue-sat). png
13 Barwy achromatyczne i chromatyczne Barwy, których mieszanie daje biel czyli barwę achromatyczną, zwą się barwami dopełniającymi (np. fioletowa 400 nm i żółta 570 nm; czerwona 650 nm oraz niebieskozielona 490 nm). 3 barwy proste wybrane tak, że po zmieszaniu dowolnych 2 spośród nich nie jest możliwe uzyskanie trzeciej, nazywa się barwami podstawowymi. Dlaczego? Przez dodanie w różnych proporcjach 3 barw podstawowych można uzyskać barwy chromatyczne lub biel (a zatem tę samą barwę można uzyskać przez zmieszanie różnych barw podstawowych).
14 Barwy podstawowe i pochodne Barwy podstawowe: Mieszanie barw: Barwy pochodne:
15 Mieszanie barw Addytywne mieszanie barw, nakładanie się barw chromatycznych lub o długościach fal zawartych w pewnym przedziale widma. Encyklopedia PWN, Nauka
16 Mieszanie barw Subtraktywne mieszanie barw, nakładanie się barw pozostałych po wyeliminowaniu ze światła białego (np. w wyniku pochłaniania) światła o pewnych długościach fal; wynikiem takiego mieszania barw są na ogół barwy występujące w przyrodzie; wykorzystywane m. in. w farbiarstwie. Encyklopedia PWN, Nauka
17 Mieszanie barw Addytywne składanie barw: * czerwona (700 nm), * zielona (546, 1 nm), to jest 510 nm * niebieska (435, 8 nm). Dla subtraktywnego mieszania kolorów, jak mieszanie pigmentów lub barwników, zwykle wykorzystywane są: magenta, cyjan i żółty
18 Podstawowe definicja W poligrafii * barwa — to konkretne wrażenie wzrokowe * kolor— to np. konkretna farba, która po nałożeniu na różne podłoża może dać efekt widzenia różnej barwy. W malarstwie używa się rozróżnienia pojęciowego: kolor jest cechą „materii” farby, także wtedy, gdy jest ona już położona na obrazie, barwa zaś jest rozumiana jako zjawisko psychofizyczne związane ze zdolnością do widzenia.
19 Barwy podstawowe Przyczyną zabarwienia ciał jest selektywna (występujące intensywnie tylko dla pewnych długości fal) absorpcja, odbicie lub transmisja światła. Zabarwienie ciał w wyniku interferencji światła powstaje głównie przy odbiciu światła od przedniej i tylnej powierzchni cienkich przezroczystych warstw (np. baniek mydlanych). https: //encyklopedia. pwn. pl/haslo/barwa; 3874753. html
20 Barwa a kolor Koło barw — graficzny model poglądowy służący do objaśniania zasad mieszania się i powstawania barw, mający postać koła, w którym wokół jego środka zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara wrysowano widmo ciągłe światła białego w ten sposób, że barwa fioletowa (najkrótsze promieniowanie widzialne) płynnie przechodzi w barwę czerwoną (najdłuższe promieniowanie widzialne), a więc widmo zostaje połączone w zamknięty cykl zmian barw.
21 Koło barw Barwy znajdujące się po przeciwnych stronach środka koła nazywane są barwami dopełniającymi. Takie barwy nałożone na siebie w syntezie addytywnej dają barwę białą, a w syntezie subtraktywnej — barwę czarną, natomiast zmieszane dają neutralną szarość. https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Color_circle_(hue-sat). png
22 Barwa a kolor Koło barw Reguła trzech (1): podzielić koło na trzy równe części, według dowolnych linii podziału, a kolory, które znajdą się w poszczególnych wycinkach będą ze sobą dobrze współgrać. Termin „kolory” tu występuje, bo koło barw jest często wykorzystywane przez malarzy i grafików. http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
23 Barwa a kolor Koło barw Reguła trzech (2): aby uzyskać efekt dramatyzmu, można wybrać trzy kolory, które są od siebie równo oddalone na kole i użyć ich jako kolorów podstawowych w obrazie. Przykładowo może to być pomarańczowy, fioletowy oraz zielony. http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
24 Barwa a kolor Koło barw Kolory uzupełniające: każde dwa kolory, leżące na różnych końcach dowolnej średnicy koła kolorów, nazywa się kolorami uzupełniającymi (dopełniającymi). Przykładowo: czerwony leży dokładnie naprzeciw zielonego, więc czerwony jest kolorem uzupełniającym zielonego. http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
25 Barwa a kolor Koło barw Kolory ciepłe i zimne: górna prawa część koła kolorów może być uznana za ciepłą, podczas gdy dolna lewa nazywana jest zimną. Jednakże możliwe jest uzyskanie ciepłego (czerwonego lub zielonego) odcienia niebieskiego lub zimnej (zielonej lub niebieskawej) żółci. http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
26 Podział barw Barwy ciepłe i zimne Barwy ciepłe — to takie, które działają na ogół pobudzająco, a czasem nawet niepokojąco. Są to czerwona, pomarańczowa i żółta oraz te, które w kole barw sąsiadują z nimi bezpośrednio, Barwy zimne — to takie, które działają na ogół chłodno, uspokajają i koją. Zaliczamy tu zieloną, niebieską i fioletową oraz te, które znajdują się najbliżej nich, „Temperatura barw” jest odbierana na zasadzie skojarzeń przez podobieństwo do ciepła lub zimna.
27 Podział barw Barwy ciepłe i zimne Barwy ciepłe: Barwy zimne: http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
28 Podział barw * czyste — są to wszystkie barwy podstawowe oraz pochodne, * złamane (przeciwieństwo barw czystych) — są to barwy pochodne i podstawowe z odrobiną barwy dopełniającej, http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
29 Podział barw * dopełniające (barwy „dopełnione” do szarości) — są to pary barw pochodnych i podstawowych leżące naprzeciw siebie w kole barw; np. : - zielony i czerwony, - fioletowy i żółty, - niebieski i pomarańczowy, (zmieszane ze sobą w równych ilościach dają barwę szarawą, czyli wzajemnie dopełniają się do szarości). http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
30 Podstawowe definicje Barwę charakteryzują: * odcień (ton, chromatyczność, kolor; nadaje barwie jej nazwę), * natężenie (jasność), * nasycenie (maleje wraz z domieszką światła białego), * czystość (maleje wraz ze zbliżaniem się do czerni: np. barwa czerwona, czerwonobrązowa, czerń). Są to atrybuty barwy.
31 Atrybuty barwy Barwa jest jakościowym określeniem odbieranego światła zwanym walorem barwy (czyli porównaniem do najbliższej wrażeniowo barwy prostej, tj. zielony, czerwony, niebieski, pomarańczowy itd. ), a wtórują temu pojęcia jasności barwy (czyli udziałowi ilości światła w kolorze lub jego intensywność (jasność dowolnego koloru waha się od czystej bieli do czerni), oraz nasycenia barwy (czyli udziałowi achromatyczności (ilość szarości) w danej barwie).
32 Atrybuty barwy Walor barwy: Jasność barwy: (na przykładzie koloru czerwonego) Nasycenie barwy: (na przykładzie koloru czerwonego) http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
33 Atrybuty barwy http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
34 Atrybuty barwy Nasycenie — inaczej chroma (saturation), jest to odstępstwo od barwy bieli (np. czerwień, róż). http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
35 Atrybuty barwy Jasność — inaczej wartość (lightness, value), wskazuje czy barwa jest bliższa bieli czy czerni (np. czysta biel, szarości, czerń). http: //slideplayer. pl/slide/10212996/ Barwy achromatyczne mają tylko jeden atrybut barwy: jasność wobec wtórnych źródeł światła, a jaskrawość przy pierwotnych źródłach światła.
36 Atrybuty barwy Barwy chromatyczne mają trzy atrybuty — ich specyfikacja wymaga trójwymiarowej przestrzeni. Wszystkie barwy chromatyczne i achromatyczne cechują się jasnością (jaskrawością) — tę skalę przyjęto za oś główną, pionową w bryłach barw. http: //archiwum. swiatdruku. eu/archiwum/2000_09/01. htm Barwa chromatyczna jest mieszaniną bieli i światła monochromatycznego, można ją opisać za pomocą jasności, odcienia i nasycenia.
37 Modele i przestrzenie barwy Model koloru — matematyczny system opisu koloru w przestrzeni parametrów, w specyficznym układzie współrzędnych, np. RGB, CMY(K), HSV, CIE XYZ. Do określenia koloru konieczne jest powiązanie modelu z przestrzenią rzeczywistych kolorów, a więc określenie, jakiej fizycznej długości fali świetlnej odpowiada dany punkt w konkretnym układzie.
38 Modele i przestrzenie barwy Przestrzeń kolorów to pewien model koloru wraz z odwzorowaniem tego modelu w ustalony „fizyczny” układ kolorów. Np. przestrzenie „Adobe RGB” i „s. RGB” to dwie różne przestrzenie kolorów bazujące na tym samym modelu — różnią się ww. odwzorowaniem. https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: Colorspace. png
39 Przestrzeń RGB Addytywny model RGB opisuje kolory za pomocą współrzędnych R (red — czerwony), G (green — zielony) i B (blue — niebieski). Przez kombinację tych trzech barw można uzyskać szeroki zakres barw pochodnych zawartych z sześcianie kolorów RGB. Punkt o współrzędnych (0, 0, 0) odpowiada czerni, (1, 1, 1) — bieli, a przekątna łącząca te punkty jest osią szarości. http: //www. fizyka. umk. pl/~milosz/PSPi. ZK/graf/kolor. html
40 Przestrzeń RGB Taki model odpowiada sprzętowej metodzie generowania koloru w wyświetlaczach, gdzie jednemu pikselowi odpowiada suma trzech strumieni światła czerwonego, zielonego i niebieskiego. Sprzętowe odwzorowanie kolorów zależy od przyjętych barw podstawowych (ich charakterystyki widmowej). RGB jest addytywnym modelem barw, czyli kolory powstają przez sumowanie sygnałów w poszczególnych kanałach. Jasność wynikowego koloru zależy z grubsza od sumy sygnałów składowych.
41 Przestrzeń RGB Model stosowany jest np. do wytwarzania obrazu na ekranach różnych wyświetlaczy barwnych, np. monitorów kineskopowych i ciekłokrystalicznych. Nie jest to model absolutny, odwzorowanie 3 liczb w przestrzeń kolorów zależy od rodzaju urządzenia reprodukującego i jego ustawień (jasność, kontrast itp. ).
42 Przestrzeń CMY(K) Model CMY(K) jest modelem odwrotnym do RGB. Kolory uzyskuje się przez usuwanie barw ze światła białego, dlatego model ten jest nazywany modelem subtraktywnym i jest wykorzystywany w poligrafii, drukarkach i ploterach. Podstawowymi barwami są Cyan [saıæn] (zielononiebieski czyli turkusowy), Magenta (karmazynowy), Yellow (żółty), które pochłaniają selektywnie składowe padającego światła białego — cyan pochłania barwę czerwoną, magenta zieloną, a yellow niebieską.
43 Przestrzeń CMY(K) Aby otrzymać w czasie wydruku dobrze odwzorowaną czerń do barw podstawowych dodano kolor czarny — blac. K. Korzysta z barw dopełniających do podstawowych R, G, B: C=W–R M=W–G Y=W–B gdzie W oznacza kolor biały (White). Jest to model subtraktywny — barwy powstają przez odejmowanie poszczególnych składników od światła białego.
44 Przestrzeń CMY(K) Model ten odpowiada zjawisku powstawania barwy przez odbicie światła od powierzchni przedmiotów. Powierzchnia przedmiotów barwnych pochłania część spektrum padającego na nie światła, światło odbite docierające do obserwatora wywołuje w oku wrażenie koloru. C, M, Y odpowiadają pigmentom nanoszonym w procesie poligraficznym na papier. Każdy z nich, odbijając białe światło, pochłania odpowiednią cześć spektrum, a światło odbite tworzy w oku obserwatora wrażenie barwy.
45 RGB a CMYK Różnice między reprodukcją barw w przestrzeniach RGB i CMYK są na ogół znaczne, bo istotnie różnią się ich gamuty. Stanowi to spory problem przy zamianie RGB/CMYK. W praktyce korzysta się z color management systems właściwych dla danego urządzenia graficznego. Gamut — obraz odwzorowania modelu, np. gamut CRT https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: CIE 1931_XYZCMF. png
46 Barwy podstawowe Budowa oka spowodowała przyjęcie układu RGB, w którym istnieją trzy barwy podstawowe. CIE 1931 — 2° pole widzenia: czerwona (700 nm), zielona (546, 1 nm), niebieska (435, 8 nm) CIE 1964 — 10° pole widzenia: czerwona (645, 2 nm), zielona (526, 3 nm), niebieska (444, 4 nm)
47 Model 1931 CIE Model CIE XYZ zdefiniowała w 1931 r. Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa CIE (Comission Internationale de l'Eclairage). Za pomocą trzech fikcyjnych (leżących poza zakresem widmowym) barw podstawowych X, Y i Z, które są nieujemne w całym zakresie fal, można przedstawić każde światło. Składowe X i Z niosą informację o barwie, natomiast Y o luminancji światła. Po podzieleniu składowych X, Y, Z przez czynnik normalizujący (X+Y+Z) otrzymuje się współrzędne trójchromatyczne x, y, z.
48 Model 1931 CIE Czopki w oku ludzkim różnie reagują na pobudzenie światłem (mają różną czułość). https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: CIE 1931_XYZCMF. png
49 Model 1931 CIE •
50 Model 1931 CIE Umieszczenie wszystkich barw na wykresie x-y daje diagram chromatyczności. x = X/(X + Y + Z) y = Y/(X + Y + Z) z = Z/(X + Y + Z) Gdy x + y + z = 1 oraz x, y, z > 0, to wystarczą dwie współrzędne do określenia barwy. http: //www. swiatlo. tak. pl/swiatlo/pts-widmo-promieniowania. php
51 Model 1931 CIE Umieszczenie wszystkich barw na wykresie x-y daje diagram chromatyczności. x = X/(X + Y + Z) y = Y/(X + Y + Z) z = Z/(X + Y + Z) Jeśli: x+y+z=1 oraz x, y, z > 0, to wystarczą dwie współrzędne do określenia barwy.
52 Model CIE-Lab Model CIE ulega zmianom wraz z rozwojem wiedzy na temat percepcji barw przez oko ludzkie. Obecnie stosowany jest CIE-Lab, jako fizyczna przestrzeń odniesienia, w którą odwzorowywane są inne modele koloru. Model Lab ma być w zamierzeniu najwierniejszym modelem postrzegania koloru przez człowieka. Lab ma 3 składowe: Luminance (lightness) — jasność barwy w zakresie wartości od 0 (czarny) do 100 (biały), a — barwa od zieleni do purpury, b — od błękitu do żółtego (dla a i b możliwe są także wartości ujemne).
53 Model CIE-Lab Aby wyznaczyć różnicę barw według jednorodnej skali, dążono do stworzenia takiej przestrzeni barw, w której barwy o równych różnicach byłyby uporządkowane w równych odległościach. Stworzyło to możliwość wyznaczania różnicy barw odległością między dwiema barwami — w przestrzeni euklidesowej.
54 Model CIE-Lab http: //archiwum. swiatdruku. eu/archiwum/2000_09/01. htm Zasada wyznaczania różnicy barw w przestrzeni CIE-Lab w formie graficznej
55 Model CIE-Lab Współrzędne w przestrzeni Lab są nieliniowymi transformatami wielkości X, Y, Z, Transformacje te dobierane są tak, aby zwykła euklidesowa odległość w przestrzeni Lab odpowiadała możliwie wiernie różnicowaniu barwy przez ludzkie oko. A więc jeśli |A-B|<|A-C| to barwy A i B powinny być bardziej zbliżone niż A i C. Nie jest to na ogół prawdą w przestrzeniach CIE XYZ, ani tym bardziej RGB. Istnieją także modele CIE LUV czy CIE LCH.
Model HSV (HSL) (bardziej intuicyjny) Hue, Saturation, Value (czasem Brightness, Lightness, Intensity) — alternatywna reprezentacja przestrzeni RGB, która lepiej oddaje relacje właściwe ludzkiej percepcji barwy, zachowując prostotę obliczeniową. H określa numerycznie barwę (w skali kątowej od 0 do 360º, w odniesieniu do koła barw), S — nasycenie, natomiast V — jasność koloru (B, L, I to inne miary jasności). Cylinder HSV https: //commons. wikimedia. org/wiki/File: HSV_cylinder. png
Model HSV (bardziej intuicyjny) H = Hue (barwa, odcień) S = Saturation (nasycenie) V = Value (jasność) Saturation Hue http: //www. algorytm. org/modele-barw/model-hsv. htm l https: //www. researchgate. net/publication/286331343_Generating_Music_from_an_Image/figures? lo= Value
Model HSV (bardziej intuicyjny) https: //www. researchgate. net/publication/286331343_Generating_Music_from_an_Image/figures? lo= 1 Model HSV rozpatrywany jest jako stożek o podstawie okrągłej. Rozmiary stożka opisują składowe: S oraz V. Środkowi barwy czerwonej odpowiada kąt 0 lub 360°, środkowi barwy zielonej odpowiada kąt 120°, natomiast środkowi barwy niebieskiej odpowiada kąt 240°. http: //www. algorytm. org/modele-barw/model-hsv. htm l
Model HSV (bardziej intuicyjny) Parametry jasności V = max {R, G, B} B = (R + G + B) / 3 L = (max {R, G, B} + min {R, G, B}) / 2 Y = 0, 3 R + 0, 59 G + 0, 11 B Parametr Y, zwany też luminancją, odpowiada postrzeganiu jasności koloru przez ludzkie oko.
Porównanie modeli * Model Lab jest szerszy niż percepcja oka ludzkiego. * RGB — 3 składowe chromatyczne światła, każda w zakresie: 0 -255, model addytywny Równoważnie: r = R/255, g = G/255, b = B/255, z zakresu 0, 0 -1, 0 CMYK — 4 składowe odpowiadającym filtrom absorbującym składowe podstawowe: C=biały-R, M=biały-G, Y=biały-B, K=biały-(R+G+B)
Porównanie modeli * HSB — 3 składowe: Hue — barwa, Saturation — nasycenie, Brightness — jasność B = (r + g + b)/3 Inne miary jasności Model HSV, Value — wartość V = max {R, G, B} Model HSL, Lightness — jasność (czasem HSB: B — jaskrawość) L = [max{R, G, B} + min{R, G, B}] / 2
62 Wrażenie optyczne Taka sama szara kropka na różnym tle http: //slideplayer. pl/slide/10212996/
63 Koniec
- Slides: 63