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lab色彩空间
Lab色彩空间
L*a*b*色彩空间,只展示可充入sRGB色域的颜色(因此可以显示在典型的计算机显示器上)。
每个正方形的每个轴取值于-128到128。
Lab色彩空间是颜色-对立空间,带有维度L表示亮度,a和b表示颜色对立维度,基于了非线性压缩的CIEXYZ色彩空间坐标。
Hunter1948L,a,b色彩空间的坐标是L,a和b。
[1][2]但是,Lab经常用做CIE1976(L*,a*,b*)色彩空间的非正式缩写(也叫做CIELAB,它的坐标实际上是L*,a*和b*)。
所以首字母Lab自身是有歧义的。
这两个色彩空间在用途上有关联,但在实现上不同。
两个空间都得出自“主”空间CIE1931XYZ色彩空间,它可以预测哪些光谱功率分布会被感知为相同的颜色(参见異譜同色metamerism),但是它不是显著感知均匀的。
两个“Lab”色彩空间都受到了孟塞尔颜色系统的强烈影响,意图都是建立可以用简单公式从XYZ计算出来,但比XYZ在感知上更线性的色彩空间[3]。
感知上线性意味着在色彩空间上相同数量的变化应当产生大约相同视觉重要性的变化。
在用有限精度值来存储颜色的时候,这可以增进色调的再生。
两个Lab空间都相对于它们从而转换的XYZ数据的白点。
Lab值不定义绝对色彩,除非还规定了这个白点。
实际上白点经常被假定服从某个标准而不明确规定(比如ICCL*a*b*值是相对于CIE标准光源D50)。
[4]
CIELAB使用立方根计算,而HunterLab使用平方根计算。
[5]。
除非数据必须与现存的HunterL,a,b值相比较,对新应用推荐使用CIELAB。
[5]
Lab的好处
不象RGB和CMYK色彩空间,Lab颜色被设计来接近人类视觉。
它致力于感知均匀性,它的L分量密切匹配人类亮度感知。
因此可以被用来通过修改a和b分量的输出色阶来做精确的颜色平衡,或使用L分量来调整亮度对比。
这些变换在RGB或CMYK中是困难或不可能的,它们建模物理设备的输出,而不是人类视觉感知。
因为Lab空间比计算机显示器、打印机甚至比人类视觉的色域都要大,表示为Lab的位图比RGB或CMYK位图获得同样的精度要求更多的每像素数据。
在1990年代,这时的计算机硬件和软件通常受限于存储和操纵8位/通道的位图,从RGB图象到Lab之间的来回转换是有损耗的操作。
对于现在常见的16位/通道支持,这就不是问题了。
此外,Lab空间内的很多“颜色”超出了人类视觉的视域,因此纯粹是假想的;这些“颜色”不能在物理世界中再生。
通过颜色管理软件,比如内置于图象编辑应用程序中的那些软件,可以选择最接近的色域内近似,在处理中变更亮度、彩度有时还有色相,DanMargulis声称有权在图象操作的多个步骤之间使用假想色是很有用的。
[6]
谁用“Lab”?
在软件和文献中对这个缩写的明确使用。
∙在AdobePhotoshop中,图象编辑使用的“Lab模式”是CIELABD50。
[6]
∙在ICCProfile中,“Lab色彩空间”用做profile连接空间的是CIELABD50。
[4]
∙在TIFF文件中,可以使用CIELAB色彩空间。
[7]
∙在PDF文档中,“Lab色彩空间”是CIELAB。
CIE1976(L*,a*,b*)色彩空间(CIELAB)
CIEL*a*b*(CIELAB)是惯常用来描述人眼可见的所有颜色的最完备的色彩模型。
它是为这个特殊目的而由国际照明委员会(CommissionInternationaled'Eclairage的首字母是CIE)提出的。
L、a和b后面的星号(*)是全名的一部分,因为它们表示L*,a*和b*,不同于L,a和b。
因为红/绿和黄/蓝对立通道被计算为(假定的)锥状细胞响应的类似孟塞尔值的变换的差异,CIELAB是Adams色彩值(ChromaticValue)空间。
三个基本坐标表示颜色的亮度(L*,L*=0生成黑色而L*=100指示白色),它在红色/品红色和绿色之间的位置(a*负值指示绿色而正值指示品红)和它在黄色和蓝色之间的位置(b*负值指示蓝色而正值指示黄色)。
已经建立的L*a*b*色彩模型来充当用做参照的设备无关的模型。
要认识到永远不能精确的在视觉上表示这个模型中颜色的完全色域是至关重要的。
它们只是用来帮助理解概念而天生就不精确的。
因为L*a*b*模型是三维模型,它只能在三维空间中完全表现出来。
[8]
“L*a*b*”模型也被表达为“L*C*h(a*,b*)”,它把a*和b*变换为辐射表示。
[9]
测量差别
CIE1976L*a*b*直接基于了CIE1931XYZ色彩空间,它尝试使用MacAdam椭圆所描述的颜色差异度量建立线性化的颜色差异的感知。
L*,a*和b*的非线性关系意图模仿人眼睛的非線性响应。
色彩信息参照于这个系统的带有下标n的白点的颜色。
[10]
在L*a*b*模型中均匀改变对应于在感知颜色中的均匀改变。
所以在L*a*b*中任何两个颜色的相对感知差别,可以通过把每个颜色处理为(有三个分量:
L*,a*,b*的)三维空间中一个点来近似,并计算在它们之间的欧几里德距离。
[10]在L*a*b*空间中的这个欧几里德距离是ΔE(经常叫做“DeltaE”,更精确的是ΔE*ab)。
使用L*a*b*中的两个颜色
和
:
一个有关的色彩空间,CIE1976(L*,u*,v*)色彩空间,遵从和L*a*b*同样的原理但有不同的u*和v*分量表示(保持相同的L*)。
RGB和CMYK转换
在RGB或CMYK值与L*a*b*之间没有转换的简单公式,因为RGB和CMYK色彩空间是设备依赖的。
RGB或CMYK值首先必须被变换到特定绝对色彩空间中,比如sRGB或AdobeRGB。
这种调整将是设备依赖的,但是变换都的结果数据是设备无关的,允许把数据变换成CIE1931色彩空间并接着变换成L*a*b*。
XYZ与CIEL*a*b*(CIELAB)的转换
正向变换
这里的
对于
否则
这里的
和
是参照白点的CIEXYZ三色刺激值。
(下標n暗示了“normalized”)。
函数被分成两个定义域是为了防止在
处的无限斜率。
在某个
之下
被假定是线性的,并被假定匹配函数的
部分在
的值和斜率。
换句话说:
(匹配值)
(匹配斜率)
b的值被选择为16/116。
上面两个方程对a和t0有解:
这里的
。
注意
。
反向变换
反向变换如下(
如上):
1.定义
2.定义
3.定义
4.如果
则
否则
5.如果
则
否则
6.如果
则
否则
CIE1931色彩空间
在颜色感知的研究中,CIE1931XYZ色彩空间(也叫做CIE1931色彩空间)是其中一個最先採用數學方式來定義的色彩空间,它由国际照明委员会(CIE)於1931年创立。
CIEXYZ色彩空間是從1920年代後期W.DavidWright(Wright1928)和JohnGuild(Guild1931)做的一系列實驗中得出的。
他們的實驗結果合併到了CIERGB色彩空間的規定中,CIEXYZ色彩空間再從它得出。
本文即闡述這兩種色彩空間。
∙1三色刺激值
∙2CIExy色度图
∙3CIEXYZ色彩空间定义
o3.1实验结果—CIERGB色彩空间
o3.2Grassmann定律
o3.3从Wright–Guild数据构造CIEXYZ色彩空间
∙4问题和解决
∙5引用
∙6参见
∙7外部链接
三色刺激值
人類眼睛有對於短(S)、中(M)和長(L)波長光的感受器(叫做視錐細胞),所以原則上只要三個參數便能描述顏色感覺了。
在三色加色法模型中,如果某一種顏色和另一種混合了不同份量的三種原色的顏色,均使人類看上去是相同的話,我們把這三種原色的份量稱作該顏色的三色刺激值。
CIE1931色彩空間通常會給出顏色的三色刺激值,並以X、Y和Z來表示。
色彩空間是指任何一種替每個顏色關聯到三個數(或三色刺激值)的方法,CIE1931色彩空間就是這種色彩空間之一。
但是CIEXYZ色彩空間是特殊的,因為它是基於人類顏色視覺的直接測定,並充當很多其他色彩空間的定義基礎。
在CIEXYZ色彩空間中,三色刺激值並不是指人類眼睛對短、中和長波(S、M和L)的反應,而是一組稱為X、Y和Z的值,約略對應於紅色、綠色和藍色(但要留意X、Y和Z值並不是真的看起來是紅、綠和藍色,而是從紅色、綠色和藍色導出來的參數),並使用CIE1931XYZ顏色匹配函數來計算。
兩個由多種不同波長的光混合而成的光源可以表現出同樣的顏色,這叫做「異譜同色」(metamerism)。
當兩個光源對標準觀察者(CIE1931標準色度觀察者)有相同的視現顏色的時候,它們即有同樣的三色刺激值,而不管生成它們的光的光譜分佈如何。
CIExy色度图
CIE1931色彩空间色度图。
外侧曲线边界是光谱(或单色)光轨迹,波长用纳米标记。
注意描绘的颜色依赖于显示这个图象的设备的色彩空间,没有设备能有足够大色域来在所有位置上提供精确的色度表现。
因为人类眼睛有响应不同波长范围的三种类型的颜色传感器,所有可视颜色的完整绘图是三维的。
但是颜色的概念可以分为两部分:
明度和色度。
例如,白色是明亮的颜色,而灰色被认为是不太亮的白色。
换句话说,白色和灰色的色度是一样的,而明度不同。
CIEXYZ色彩空间故意设计得Y参数是颜色的明度或亮度的测量。
颜色的色度接着通过两个导出参数x和y来指定,它们是所有三个三色刺激值X、Y和Z的函数所规范化的三个值中的两个:
导出的色彩空间用x,y,Y来指定,它叫做CIExyY色彩空间并在实践中广泛用于指定颜色。
X和Z三色刺激值可以从色度值x和y与Y三色刺激值计算回来:
右侧的图象展示了相对色度图。
外侧曲线边界是光谱轨迹,波长用纳米标记。
注意这个色度图是指定人类眼睛如何体验给定频谱的光的工具。
它不能指定物体的牙色(或印刷墨水),因为在观察物体的时候看到的色度还依赖于光源。
数学上,x和y是投影坐标,色度图的颜色占据了实投影平面的一个区域。
色度图展示了CIEXYZ色彩空间一些有趣性质:
∙色度图展示了对一般人可见的所有色度。
这个用颜色展示的区域叫做人类视觉的色域。
在CIE绘图上所有可见色度的色域是用颜色展示的马蹄铁形状。
色域的曲线边界叫做“光谱轨迹”并对应于单色光,波长用纳米标记。
色域底下的直线边界叫做“紫线”,这些颜色尽管在色域的边界上,但没有匹配的单色光。
更少饱和的颜色位于图形内部而白色位于中央。
∙所有可见色度对应于x、y和z的非负值(因此对应于X、Y和Z的非负值)。
∙如果你在色度图上选择了任何两点,则位于这两点之间直线上任何颜色都可以用这两个颜色混合出来。
这得出了色域的形状必定是凸形的。
混合三个光源形成的所有颜色都可以在色度图内的源点形成的三角形内找到(对于多个光源也如是)。
∙两个同等明亮颜色的等量混合一般不位于这个线段的中点。
用更一般术语说,在xy色度图上距离不对应于两种颜色之间的差别程度。
设计了其他色彩空间(特别是CIELuv和CIELab)来满足这个问题。
∙给定三个真实光源,这些光源不能覆盖人类视觉的色域。
几何上说,在色域中没有三个点可以形成包括整个色域的三角形,更简单的说,人类视觉的色域不是三角形。
∙平直能量频谱的光对应于点(x,y)=(1/3,1/3)。
CIEXYZ色彩空间定义
实验结果—CIERGB色彩空间
CIERGB色彩空间是RGB色彩空间之一,以单色(单一波长)原色的特定集合著称。
在1920年代,W.DavidWright(Wright1928)和JohnGuild(Guild1931)独立进行了一系列人类视觉实验,提供了CIEXYZ色彩空间规定的基础。
CIERGB原色的色域和原色在CIE1931xy色度图上的位置。
实验使用2度视角的圆形屏幕。
屏幕的一半投影上测试颜色,另一半投影上观察者可调整的颜色。
可调整的颜色是三种原色的混合,它们每个都有固定的色度,但有可调整的明度。
观察者改变三种原色光的明度直到观察到混合的颜色匹配了测试颜色。
不是所有颜色都可使用这种技术匹配。
当没有匹配的时候,可变数量的一种原色被增加的测试颜色上,用余下两种原色混合与它匹配。
对于这种情况,增加到测试颜色上原色的数量被认为是负值。
通过这种方式,可以覆盖完整的人类颜色感知。
当测试颜色是单色的时候,可以把使用的每种原色的数量绘制为测试颜色的波长的函数。
这三个函数叫做这个特定实验的“颜色匹配函数”。
CIE1931RGB颜色匹配函数。
颜色匹配函数是匹配水平刻度标示的波长的单色测试颜色所需要的原色数量。
尽管Wright和Guild的实验使用了各种强度的各种原色,和一些不同的观察者,所有他们的结果都被总结为标准CIERGB颜色匹配函数
和
,它们是通过使用标准波长为700nm(红色)、546.1nm(绿色)和435.8nm(蓝色)的三种单色原色获得的。
颜色匹配函数是匹配单色测验颜色所需要的原色的数量。
这些函数展示于右侧的(CIE1931)绘图中。
注意
和
在435.8nm处为零,
和
在546.1nm处为零,而
和
在700nm处为零,因为在这些情况下测试颜色是原色之一。
选择波长546.1nm和435.8nm的原色是因为它们是容易再生的水银蒸气放电的色线。
1931年选择的700nm波长难于再生为单色光束,选择它是因为眼睛的颜色感知在这个波长相当不变化,所以在这个原色波长上的小误差将对结果有很小的影响。
经过CIE的特别委员会的深思熟虑之后确定了颜色匹配函数和原色(Fairman1997)。
在图的短波和长波的侧的取舍点某种程度上是随意选择的;人类眼睛实际上能看到波长直到810nm的光,但是敏感度要数千倍低于绿色光。
定义的这些颜色匹配函数叫做“1931CIE标准观察者”。
注意胜过指定每种原色的明度,这种曲线通常规范化为在其下有固定的面积。
这个面积按如下规定而固定为特定值
结果的规范化颜色匹配函数经常对源照度按r:
g:
b比率1:
4.5907:
0.0601缩放、和为源辐射功率按比率72.0962:
1.3791:
1缩放来重新生成真正的颜色匹配函数。
通过提议标准化原色,CIE建立了客观颜色表示法的一个国际系统。
给定这些缩放了颜色匹配函数,带有频谱功率分布I(λ)的一个颜色的RGB三色刺激值给出为:
这些都是内积,并可以被认为是无限维频谱到三维颜色的投影。
Grassmann定律
你可能会问:
“为什么可以使用不同原色和它们的不同实际使用强度来总结Wright和Guild的结果?
”还可能问:
“要匹配的测试颜色不是单色会怎样?
”。
对这两个问题的答案在于人类色彩感知的(几乎)线性。
这种线性被表达为Grassmann定律。
CIERGB空间可以被用来以常规方式定义色度:
色度坐标是r和g:
从Wright–Guild数据构造CIEXYZ色彩空间
在使用CIERGB颜色匹配函数开发了人类视觉的RGB模型之后,特殊委员会的成员希望开发出与CIERGB色彩空间有关的另一个色彩空间。
它假定Grassmann定律成立,这个新空间通过线性变换而有关于CIERGB空间。
新空间将以三个新颜色匹配函数来定义:
、
和
。
带有频谱功率分布I(λ)的颜色的对应的XYZ三色刺激值为给出为:
在CIErg色度图中展示规定CIEXYZ色彩空间的三角形构造。
三角形Cb-Cg-Cr就是在CIExy色度空间中的xy=(0,0),(0,1),(1,0)三角形。
连接Cb和Cr的直线是alychne。
注意光谱轨迹通过rg=(0,0)于435.8nm,通过rg=(0,1)于546.1nm,通过rg=(1,0)于700nm。
还有,均等能量点(E)位于rg=xy=(1/3,1/3)。
选择这个新色彩空间是因为它有如下性质:
1.新颜色匹配函数在所有地方都大于等于零。
在1931年,计算是凭借手工或滑尺进行的,正值的规定有用于计算简化。
2.
颜色匹配函数精确的等于“CIE标准适应光观察者”(CIE1926)的适应光发光效率函数V(λ)。
它是描述感知明度对波长的变换的亮度函数。
亮度函数可以构造为RGB颜色匹配函数的线性组合的事实是没有任何方式来保证的,但是被认为几乎是真实的,因为人类视觉的几乎线性本质。
还有,这个要求的主要原因是计算简单。
3.对于恒定能量白点,要求为x=y=z=1/3。
4.由于色度定义和要求x和y为正值的优势,可以在三角形[1,0],[0,0],[0,1]内见到所有颜色的色域。
在实践中必须把色域完全的充入这个空间中。
5.
可以在650nm处被设置为零而仍保持在实验误差范围内。
为了计算简单规定可以这样做。
用几何术语说,选择新色彩空间等于在rg色度空间中选择一个新三角形。
在右侧的图形中,rg色度坐标展示在两个黑色轴上,还有1931标准观察者的色域。
展示为上述要求所确定的是红色CIExy色度轴。
要求XYZ坐标非负意味着Cr,Cg,Cb形成的三角形必须包围标准观察者的整个色域。
连接Cr和Cb的直线由
函数等于亮度函数的要求来确定,它叫做alychne。
函数在650nm处为零的要求意味着连接Cg和Cr的直线必须是Kr区域内的色域的切线。
这定义了点Cr的位置。
均等能量点定义自x=y=1/3的要求对连接Cb和Cg的直线做了限制,最后,色域充入空间的要求对此线作了第二个限制,它要非常靠近在绿色区域的色域,这规定了Cg和Cb的位置。
上面描述的变换是从CIERGB空间到XYZ空间的线性变换。
CIE特殊委员会确定了标准变换如下:
在380nm到780nm之间的(间隔5nm)CIE1931标准色度观察者XYZ函数
要求3确定了XYZ颜色匹配函数的积分必须相等,可通过要求2确定的适应光发光效率函数的积分得到它。
必须注意到制表的敏感度曲线有一定量的任意性在其中。
单独的X、Y和Z敏感度曲线可以按合理的精度测量。
但是整体的光度曲线(它事实上是这个三个曲线的加权和)是主观的,因为它涉及到问测试人两个光源是否有同样的明度,即使它们是完全不同的颜色。
同样的,X、Y和Z的曲线的相对大小(magnitude)也是任意的。
你也可以定义有两倍幅值的X敏感度曲线的有效色彩空间。
这个新色彩空间将有不同的形状。
CIE1931和1964XYZ色彩空间的敏感度曲线被缩放为有相同的曲线下面积。
问题和解决
∙1924发光效率函数V(λ)(CIE1926)严重的低估了在460nm波长下的敏感度。
Judd(1951)和Vos(1978)提议了一个修改版本的发光效率函数,这也给出了一组新的XYZ颜色匹配函数。
参见Stiles与Burch(1955)。
∙CIE1964标准观察者颜色匹配函数是为10度视角定义的。
它们是从Stiles与Burch(1959),和Speranskaya(1959)的工作得出的。
1931标准观察者视角是2度。
对于10度实验,指导观察者忽略中心2度斑点。
推荐对多于4度视角使用1964增补标准观察者。
∙CIE1931色彩空间的一个问题是它没有给出估量颜色差别的直接方式。
希望在色度图上距离能对应于在两个颜色之间的差别程度。
测量两个颜色之间的差别的想法是D.L.MacAdam开发的并总结于MacAdam椭圆的概念中。
基于MacAdam的工作,在1960年开发了CIEL*u*v*色彩空间,它后来被CIEL*a*b*色彩空间所替代,二者都设计为在颜色空间中相等的距离对应于相等的MacAdam所测量的颜色差别。
尽管它们比CIE1931系统有明显的改进,它们没有完全免除扭曲。
绝对色彩空间就是不依赖任何外部因素就可以准确表示颜色的色彩空间。
L*a*b*就是一种绝对色彩空间。
每一组L*a*b*值就定义了一个精确的颜色,尽管这是一个抽象值,但是如果在精确的显示设备以及合适的观察条件下,看起来就同所期望的一模一样。
另外一种相反的非绝对色彩空间例子有RGB色彩模型。
RGB模型通过红色、绿色与蓝色的混合生成各种颜色,但是这些颜色不是标准、精确的定义。
在两个不同的计算器显示器或者其它的RGB设备上,同一RGB图像可能会看起来大不相同。
我们可以将L*a*b*看作是一种颜色,而RGB 则是表示它的方法;RGB混合在一起得到的结果取决于所用成分的不同。
通过精确定义各种成分,可以将非绝对色彩空间表示为绝对色彩空间。
例如,如果显示器上的红色、绿色与蓝色以及显示器的其它特性可以精确地进行测量,那么显示器上的RGB值就可以看作是绝对的。
将RGB转换成绝对色彩的一种方法是定义一个InternationalColorConsortium包含RGB属性的色彩配置文件。
这种方法不是唯一的一种表示绝对颜色的方法,但却是业界标准的方法。
广为采纳的RGB颜色配置文件包括SRGB色彩空间以及AdobeRGB色彩空间。
在图形或者文文件添加ICC色彩配置文件的过程也称为色彩标记过程,通过这个过程就将图形或者文文件中的色彩就具有了绝对的含义。
转换
通常一种绝对色彩可以转换到另外一种绝对色彩,反过来也是这样。
但是,每个色彩空间都有自己的色域,变换位于色域之外的颜色可能会产生错误的结果。
另外可能还会有舍入误差,尤其是当用8位表示一种颜色成份时更是这样。
8位可以表示256种不同的数值,这是表示各种颜色成分通常采用的精度。
另外需要注意的是绝对颜色定义了查看颜色所需的环境条件。
在不同的自然或者人造光照条件下,同一颜色看起来也会有所不同。
专业人员进行色彩匹配时候需要在有标准光照的观察房中进行。
在有些特殊场合,非绝对色彩空间之间的转换也有精确的规则。
例如HSL色彩空间就定义为RGB的映射。
尽管它们都不是绝对色彩空间,但是二者之间的转换需要保持同样的颜色。
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