ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STAVEBNÍ OBOR GEODÉZIE A KARTOGRAFIE KATEDRA MAPOVÁNÍ A KARTOGRAFIE Barvové prostory semestrální práce Jana Pospíšilová Lenka Roušarová V Praze dne 26. 4. 2010 Kartografická polygrafie a reprografie
Úvod Následující text pojednává o tom co je světlo, jak lidské oko ho vnímá. Větší část textu bude pak o jednotlivých barvových prostorech. Jedná se o dobře známé RGB a CMYK, či méně znémé HSB, Munsellův prostor, HSL a CIE prostory. 1 Světlo Světlo je přenášeno ve formě elektromagnetických vln. Jeho elektromagnetických spektrum vln je patrné z obrázku. Sahá od kosmických vln po vlny střídavého proudu. Člověk dokáže vnímat pouze malý kousek spektra o vlnových délkách od 380 do 750 nm, tomuto světlu se říká viditelné. Pokud necháme viditelné světlo lámat přes hranol, vytvoří se nám díky lomu světla barevné spektrum, ve kterém se jednotlivé barvy liší svojí vlnovou délkou. Největší vlnovou délku má barva červená a nejmenší barva fialová. Barevné spektrum lze rozdělit na 3 základní spektrální pásma sestávající z barvy červené (používané označení R z ang. red ), zelené (označení G z angl. green ) a modré (označení B z angl. blue ). Tyto tři barvy nazýváme základní (primární). Směs primárních barev vnímá náš mozek jako bílé světlo. A tento fakt je základem zobrazovacích technologií. Obr. 1: Spektrum světla 2 Vnímání světla Abychom vnímali barvu objektu, potřebujeme: Nejprve objekt případně jeho tvar Světlo, které na tento objekt dopadá a je odráženo Naše oči 1
Světlo dopadá na objekt a je od něj odráženo. Odražené světlo se hned potom dostává do našich očí, kde vyvolává ve světlocitlivých buňkách naší sítnice vzruch. Tyto světlocitlivé buňky se skládají z čípků a tyčinek. Tyčinky jsou více citlivé a rozlišujeme pomocí nich světlo a tmu. To nám umožňuje vidět při slabém světle a rozlišovat šedé tóny. Čípky nám zprostředkovávají barevné vidění Vědecké poznatky odůvodňují teorii, podle které jsou v oku tři druhy čípků citlivých na barvu, které se koncentrují v takzvané žluté skvrně, v centru oka. Světlocitlivost čípků je založena na chemické reakci zrakových pigmentů ve fotoreceptorech. V oku byly prokázány tři druhy pigmentů, určených pro červenou, zelenou a modrou. Citlivost na barvu je dána různými vzruchy tří druhů čípků. Např. z objektu, jehož barva je zelená, případně ze světla, které se od něj odráží, jsou osloveny v podstatě jen čípky citlivé na zelenou. Jakmile tyto čípky pošlou impuls do našeho mozku, uvidíme zelený objekt. Obr. 2: Jednoduché schéma vnímání 3 Barvové prostory Barvy se popisují pomocí tzv. modelování, které umožňuje definovat způsob vnímání barev. Standardy pro popis barev jsou označovány jako barvové prostory. Jejich podstatou je možnost matematicky definovat reprodukci barev reálného světa. Tyto modely sice nevystihují plně a dokonale realitu, ale jsou snadno, algoritmizovatelné. Díky jim se může uplatnit při zpracování barevného obrazu výpočetní technika. Z obecného hlediska můžeme barvy dělit na: Barvy achromatické (nebarevné), tj. barva bílá, černá a různé stupně šedi Barvy chromatické, které odpovídají jednotlivým částem viditelného světelného spektra 3.1 RGB prostor Systém RGB - aditivní míšení barev Aditivní míšení barev lze demonstrovat promítnutím světelných kuželů základních barev na bílou podložku tak, aby se tyto kužely vzájemně protínaly. 2
Míšením červeného a zeleného světla vznikne světlo žluté (používané označení Y z angl. yellow ), míšením modrého a červeného světla světlo purpurové (označení z angl. magenta ) a míšením modrého a zeleného světla světlo azurové (označení M z angl. cyan ). Barvy žlutá (Y), purpurová (M) a azurová (C) se též nazývají barvy doplňkové. Aditivním míšením červeného, zeleného a modrého světla (ale též žlutého, purpurového a azurového světla) vznikne světlo bílé. To vznikne i tím, že např. ke světlu červenému (barva základní) přidáme světlo azurové (tj. příslušné světlo doplňkové) a analogicky ke světlu zelenému světlo purpurové nebo ke světlu modrému světlo žluté. Při úplné absenci červeného, modrého a zeleného světla vznikne černá barva. Na principu aditivního míšení světla pracuje např. barevná televize. Na tomtéž principu pracují i barevné obrazovky počítačů. Barevný model získaný aditivním míšením základních barev nazýváme model RGB. Obr. 3: Aditivní míšení barev 3.2 CMYK prostor Systém CMYK - subtraktivním míšení barev Při subtraktivním míšení barev se od množiny vlnových délek určité vlnové délky světla odečítají. K vysvětlení subtraktivního míšení barev OBR použijeme barvy doplňkové tj. barvu purpurovou, azurovou a žlutou. Subtraktivním míšením barvy azurové s barvou purpurovou vznikne barva modrá, barvy azurové s barvou s barvou žlutou barva zelená a barvy purpurové s barvou žlutou barva červená. Subtraktivním míšením všech barev doplňkových (a rovněž barev základních) vznikne barva černá. Subtraktivní mísení barev lze demonstrovat pomocí barevných filtrů. Prochází-li bílé světlo, skládají se ze složky červené (R), zelené (G) a modré (B) žlutým filtrem, pohlcuje se tímto filtrem modré světlo (protože barva žlutá je doplňková k barvě modré) a filtr propouští jen světlo zelené a modré. Postupným filtrováním pohltí tři za sebou následující filtry v doplňkových barvách celé bílé světlo. Tento jev se uplatňuje při tiskovém procesu (tzv. tříbarvotisk), jímž vzniká barevný model CMY, kdy postupným soutiskem barev azurové, purpurové a žluté získáme neutrální šedý až černý tón. Kvalitnější reprodukci barevných předloh, zejména v oblasti tmavých tónů, docílíme při tisku doplněním čtvrté barvy, a to barvy černé (neutrální), tj. barvy achromatické. V 3
tomto případě se jedná o tzv. čtyřbarvotisk. Barevný model získaný tímto postupem se označuje barevný model CMYK (písmeno K je používáno pro označení barvy Subtraktivní (odečítací, pigmentové) míchání - přidáním barevného odstínu vznikne tmavší barva, tento způsob používají například tiskárny. Obr. 4: Subtraktivní míšení barev 3.3 HSB prostor Model založen na způsobu lidského vnímání barvy. Název je odvozen z angl. hue odstín, saturation - sytost, brightness - jas). Barvy jsou v něm definovány pomocí tří základních charakteristik: odstínu (též: barevný tón, tón pestrosti) sytosti barvy jasu barvy Barevný tón označuje převládající spektrální barvu, sytost určuje příměsi jiných barev a jasová hodnota množství bílého světla. Odstín barvy Odstín zahrnuje druh barvy a kolorimetricky znamená přesun pozice barvy po barevném trojúhelníku. Je to vlastnost, s jejíž pomocí běžně rozlišujeme jednu barvu od druhé - červená se liší od modré, zelená od žluté. Odstín barvyje určen vlnovou délkou světla. Ve viditelné oblasti světla, tj. od 380 do 720 nm, lze rozlišit asi 150 monochromatických světel a asi 30 světel purpurových. Sytost (nasycení) barvy Týká se čistoty barev. Vyjadřuje rozdíl mezi vjevem barvy chromatické a achromatické, tj. barvy bílé, šedé a černé. Rozdílnost sytosti barvy se vyjadřuje v % barvy šedé. Spektrální barvy mají sytost 100%, bílé světlo 0%. Sytost barvy je tedy vyjádřena stupněm jejího znečištění barvou bílou. V barevnou trojúhelníku (obr.39b) se jedná o posun od pozice barvy k těžišti trojúhelníku. V těžišti mají všechny základní barvy stejný podíl a vzniká barva bílá, kolorimetricky vyjádřeno barva nepestrá. Z toho vyplývá, že sytost klesá směrem do středu. Všechny ostatní barvy, které je možno aditivně smísit z barev základních, leží uvnitř plochy barevného trojúhelníku, přičemž čím dále leží od středu, tím vyšší je jejich 4
nasycení. Smíšená barva má 100% nasycení tehdy, pokud neobsahuje žádný podíl třetí základní barvy. Jas (světlost) barvy Jas popisuje vlastnosti barvy ve smyslu přechodu od neutrální šedé k čistému odstínu při stálé hodnotě jasu. Názorně si nejlépe tuto vlastnost můžeme představit tím, že k šedé barvě začneme přidávat zvolený odstín (třeba žlutou) a pokračujeme tak dlouho, až získáme čistou žlutou. Jas určuje intenzitu barevného vjemu v souvislosti s množstvím vysílané nebo odražené světelné energie. Obr. 5: HSB barvový model 3.4 Munsellův prostor V roce 1905 vytvořil Albert H. Munsell systém třídění barev, zohledňující lidské vnímání. Munsellově notace vychází z toho, že barvu můžeme popsat třemi základními vlastnostmi: odstínem (Hue) Munsell stanovil pět základních barev (Red, Yellow, Green, Blue a Purple - viz obr.), které rovnoměrně rozmístil po obvodu kruhu a vsunul mezi ně ještě pět barev složených (YR, GY, BG, PB a RP). Na Munsellově barevném kruhu je celkem 10 barevných sektorů. jasem (Value, lightness) MPro každou základní barvu je definován jako přechod mezi černou, danou barvou a bílou. Je-li hodnota jasu 0, pak jde vždy o černou barvu (bez ohledu na barevný odstín). Jestliže se jas rovná 10, pak jde o barvu bílou (opět bez ohledu na barevný tón). V praxi se používají hodnoty od 1 do 9. sytostí (Chroma, saturation) Popisuje vlastnosti barvy ve smyslu přechodu od neutrální šedé k čistému odstínu při stálé hodnotě jasu. Stupnice začíná na nule pro čistou neutrální šedou, její konec však přesně stanoven není - s vývojem nových pigmentů se maximální hodnoty sytostí pro jednotlivé odstíny a světlosti mění. Stupnice sytostí není teoreticky omezena a v praxi končí u zatím dosažitelných hodnot sytostí pro jednotlivé odstíny. Protože prakticky dosažitelné sytosti jsou jiné u žluté a jiné třeba u modré, nemá Munsellův barevný prostor pravidelný tvar. 5
Jedna z možných podob Munsellova barevného prostoru na Munsellově notaci a barevném modelu je založena řada produktů pro barevnou komunikaci nejen v průmyslu, ale třeba i v medicíně nebo na psychologické testy. K dispozici je řada barevných knih, obsahujících barevné vzorky, sloužící k vizuální identifikaci a volbě barev, nebo např. produkty pro testování poruch ve vnímání barev. Obr. 6: Professor Albert H. Munsell Obr. 7: Munsell prostor Obr. 8: Munsell kruh 3.5 HLS prostor Tento model znázorňuje barevný prostor jako šestiboký jehlan. Po obvodu tohoto jehlanu se nachází barevný tón označovaný písmenem H z anglického Hue a nabývá hodnot ve stupních nebo radiánech, směrem od středové osy ke stěnám je sytost označená jako S z anglického Saturation, nabývá maximální hodnoty u stěny a minimální u středové osy, směrem od vrcholu k podstavě je jas (světlost) označený jako V z anglického Value, který nabývá maximální hodnoty v podstavě a minimální ve vrcholu jehlanu. Výhoda tohoto modelu spočívá v jeho relativní jednoduchosti pro výpočet i použití. 6
Nevýhodou je poměrně nepřesné vyjádření barevných přechodů díky šestiboké podstavě. Obr. 9: HLS prostor 3.6 CIE prostor Průkopnickou roli při definování barvových systémů tvoří komise CIE, Commission Internationale de l Eclairage, která byla založena v roce 1931. Barevné prostory definované CIE jsou nazvány nezávislými na zařízení, neboť označení jednotlivých barevných odstínů nezávísí na subjektivních vlastnostech pozorovatele - proto byl vytvořen tzv. standardní pozorovatel (spíše standardní podmínky pozorování barev). Mezi modely definované CIE patří CIE-UVW, CIE L*C*h (CIE Lch, je velice podobný modelu HSV), CIE-LAB (CIE L*a*b*, CIELAB) nebo CIE L*u*v* (CIE-uv). Základem barevných modelů CIE jsou chromatické diagramy. Prvním chromatickým diagramem definovaným CIE byl model vzniklý v roce 1931 - CIE 1931 (x,y), někdy je známý pod označením CIE Yxy. CIE 1931 (x,y) - chromatický diagram, označovaný i jako Yxy. Tento systém je znázorňován ve formě dvojdimenzionální grafiky, která více méně odpovídá tvaru plachty nebo podpatku. Jas je vyjádřen hodnotou Y a barvy s tímto jasem jsou uspořádány v chromatickém diagramu (x,y). Odstíny (Hue) jsou rozloženy podél obvodu diagramu, sytost se za pohybu mění směrem k centrální neutrální oblasti. V tomto zobrazení není znázorněna světlost. Výhoda: model se lépe transformuje na modely CIE Lab a Luv a další z nich vycházející. Nevýhoda: nesoulad vzdáleností rozdílů mezi barvami, tj. ve značném odstupu je teprve vidět rozdíl mezi zelenou a zelenožlutou, zatímco mezi modrou a červenou se nachází jen velmi malý odstup. 7
Obr. 10: CIE 1931 Obr. 11: CIE 1931 Obr. 12: CIE 1931 CIE - LAB(L*a*b*) a CIE L*u*v* model barev Problém nedostatečného reálného zobrazení našeho vnímání barev byl vyřešen v roce 1976 vývojem modelů LAB a Luv komisí CIE. Systém LAB vychází z barvového prostoru XYZ. Je složen z imaginárních barev, které jsou vytvořeny pouze matematicky a jsou proto nezávislé na přístrojovém barevném tělesu (oproti modelům RGB nebo CMYK). Model je zvolen tak, aby obsáhl množinu všech barev, zachytitelných lidským okem. Barvový prostor LAB (obr. 39E) využívá k popisu barvy tři základní barvy a barevný tón, sytost a jas. Systém vychází z protikladu (párů barev)tzv. původních barev, tj. červená-zelená, žlutá-modrá, černá bílá. 8
Složka L* (světlost) se zobrazuje na svislé ose a nabývá hodnot od 0% (červená) až po 100 (bílá). Hodnota a vyjadřuje polohu barvy mezi zelenou (záporná část osy) a červenou barvou (kladná část osy) a hodnota b polohu barvy na ose modrá-žlutá (modrá leží na záporné části osy, žlutá na kladné části osy). Ve středu kruhového diagramu se nachází odstíny šedé barvy. Analogicky je definován také model CIE L*u*v*. Obr. 13: Barvový prostor CIE - LAB 3.7 Další prostory YUV, UWB (Y, B-Y, R-Y) Model používaný pro přenos televizních signálův normě PAL. Všechny tři následující formáty oddělují jasovou složku od složky barevné. Toto oddělení odpovídá fyziologickým podmínkám lidského zraku. Ve zkratce UWB znamenají písmena U a W označení dvou barevných signálů, písmeno B znamená jas (Brightness). YIQ Model používaný pro přenos televizních signálův normě NTSC. YCBCR Model používaný pro přenos televizních signálův normě SECAM. V tomto barevném modelu se také zapisují obrázky ve formátu JPEG. Y představuje jasovou složku, CB modrou složku a CR červenou složku. NCS (Natural Color System) Systém přirozených barev vytvořený ve Švédsku. Znázorňuje šedých odstínů a odstínů s příměsemi bílé a černé barvy. Základními parametry jsou barevný tón, příměs bílé a černé barvy. Grayspace - barevný model používaný při práci černobílými daty. 4 Problémy s barvami Žádné zařízení v publikačním systému není schopné reprodukovat plný rozsah barev, které umí vnímat lidské oko. Každé zařízení pracuje v rámci určitého barevného prostoru, který může vytvořit určitý rozsah barev. Každý přístroj výrobního řetězce pracuje v rámci svého vlastního pracovního prostoru. Když skenujeme obraz, pohybujeme se v rámci barvového prostoru skeneru, většinou v rámci RGB. Když se podíváme následně na obraz na monitoru, tak se jedná sice stále ještě o RGB data, ale tato data se liší od dat získaných přes skener. Když tento obraz vytisknete na barevné tiskárně, tak se přesunete do barvového prostoru CMYK tiskárny. 9
Obr. 14: Barevné gamuty různých zařízení a dokumentů Závěr Ve výše uvedeném textu jsme se ve stručnosti dozvěděli, že přenos světla je ve formě elektromagnetických vln, primární barvy jsou červená, modrá a zelená. Abychom viděly objekty je zapotřebí několik podmínek. Barvových prostorů je několik - RGB, CMYK, HSB, Munsell, HLS, CIE (těch je více druhů). V samém závěru je dále pojednáno o problémech s barvami - různá zařízení mají různé barevné gamuty. Literatura [1] Mikšovský, Miroslav. Kartografická polygrafie a reprografie. Praha: ČVUT v Praze, 1999. 181 s. str. 45 50. ISBN 80-01-01989-6 [2] Barvy, barvy, barvičky [online]. [cit. 2010-04-24], URL: URL:http://mathonline.fme. vutbr.cz/pg/flash/teoriegrafika/pocgrafika2.pdf [3] Barvy a barvové modely [online]. 2002 [cit. 2010-04-24], URL: URL:http://www. printing.cz/art/colormanagement/barvy_a_modely_2.html [4] Barvy v počítači a v kartografii [online]. [cit. 2010-04-24], URL: URL:URL:URL:http: //www.gis.zcu.cz/studium/pok/materialy/book/ar03s01.html 10