Sisteme de reprezentare si masurare a culorilor

Sisteme de reprezentare si masurare a culorilor

Problema reprezentarii si masurarii culorilor dateaza inca din antichitate dar, odata cu aparitia si dezvoltarea tehnologiilor de reproducere a imaginilor color, s-a impus necesitatea utilizarii unor sisteme unitare de descriere a culorilor la nivel international, care sa asigure comunicarea cu fidelitate a acestora dintr-un loc in altul si de la un echipament la altul.

Pentru descrierea culorii, ca forma de comunicare, trebuie adoptat initial un limbaj de reprezentare (notare) a acesteia. Sistemul de reprezentare a culorii reprezinta un model de specificare a stimulilor de culoare in functie de trei parametri care constituie coordonatele unui spatiu de culoare tridimensional definit pe modelul viziunii color tristimulus proprie omului. In acest context, s-au dezvoltat mai multe standarde de reprezentare si masurare a culorilor bazate, fiecare, pe anumite principii, care rezolva problemele de culoare intr-o maniera proprie si ofera solutii specifice de notare si descriere a acestora.

Pentru integrarea unor fluxuri tehnologice folosind echipamente si programe de la mai multi fabricanti, specialistii in domeniu au dezvoltat diverse solutii de interconectare si implementare a diferitelor sisteme de culoare utilizate in procesul de prelucrare computerizata a imaginilor color. Pentru aplicarea acestor solutii, toti cei implicati intr-un proces de reproducere a imaginilor color trebuie sa aiba cunostinte despre:

- descrierea culorii: notarea, reprezentarea sau specificarea sa;

- modele de culoare si gama de culori asociata fiecaruia: RGB, CMY(K), CUBUL COLOR, CIE;

- spatii de culoare: RGB, CMYK, CIEXYZ, CIEL*a*b*;

- interconectarea spatiilor de culoare;

- masurarea culorii: standardul CIE, indexul de interpretare a culorii, parametri de culoare specifici echipamentelor de reproducere, sistem de culori de referinta; sistem de culori bazat pe calculator;

- instrumente de masurare a parametrilor de culoare: colorimetrul, spectroradiometrul, spectrofotometrul, densitometrul;

- procedura de determinare a parametrilor de culoare;

- conversia de culoare;

- sisteme tehnologice de reprezentare a culorilor: comparatie.

Descrierea culorii. Notarea, reprezentarea sau specificarea sa

Descrierea oricarei culori din spectrul vizibil consta in notarea, reprezentarea sau specificarea sa prin trei parametri de culoare numerici care definesc un set de valori tristimulus deoarece perceptia culorii la nivelul creierului uman este determinata de trei categorii de receptori sensibili la lumina, care transmit catre creier trei semnale pentru fiecare culoare din campul vizual. O valoare tristimulus exprima, direct sau indirect, proportiile in care se combina culorile primare RGB pentru formarea unei noi culori si, implicit, caracteristicile stimulilor de culoare sensibili la lungimile de unda LMS corespunzatoare acestor componente primare de culoare.

Fiecare set de culori primare defineste un set de valori tristimulus care este folosit pentru reprezentarea culorilor spectrului vizibil in functie de culorile primare respective. Fiecare set de valori tristimulus reprezinta, in fond, o masura a culorii exprimata prin trei parametri de culoare care definesc, fiecare, o valoare tristimulus din setul respectiv.

Cele mai uzuale seturi de valori tristimulus folosite pentru reprezentarea directa a culorilor spectrului vizibil sunt:

(R, G, B)- asociat culorilor primare RGB, care se combina aditiv pentru obtinerea unei culori din spectrul vizibil;

(C, M, Y)- asociat culorilor secundare CMY, care se combina substractiv pentru obtinerea unei culori din spectrul vizibil.

Setul de valori tristimulus RGB, definit de culorile aditive primare RGB, permite reprezentarea generica a culorilor printr-o relatie de forma:

C = culoarea descrisa sau reprezentata (specificata)

C = RR + GG + BB unde  R, G, B = valori tristimulus care exprima intensitatile relative ale culorilor primare, 0 R, G, B

R, G, B = culorile primare, ca lungimi de unda.

Sensibilitatea ochiului fiind diferita pentru diferitele culori primare RGB, coeficientii de culoare R, G, B, care au valori diferite de unitati de putere fizica (watts), sunt considerati valori unitate, pentru simplificarea calculelor.

Culoarea alb, combinatia aditiva de culori primare RGB in proportii egale, poate fi reprezentata, generic, prin relatia:

Alb = 1R 1G + 1B

In mod similar, setul de valori tristimulus CMY, definit de culorile substractive primare CMY, permite reprezentarea generica a culorilor folosind urmatoarea relatie:

C = culoarea descrisa sau reprezentata (specificata)

C = CC + MM + YY, unde   C, M, Y = valori tristimulus care exprima intensitatile relative ale culorilor primare prin valori unitare 0 C, M, Y

C, M, Y = culorile primare, ca lungimi de unda.

Culoarea negru, combinatia substractiva de culori primare CMY in proportii egale, poate fi reprezentata, generic, prin relatia:

Negru = 1C + 1M + 1Y

Setul de culori primare RGB si valorile tristimulus asociate lui reprezinta punctul de plecare pentru definirea altor seturi de culori primare si valori tristimulus asociate, deoarece sunt definite pe baza perceptiei fizice a culorii la nivelul ochiului uman, care creeaza senzatia de culoare in contact direct cu diferite combinatii aditive de lungimi de unda RGB.

Pentru reprezentarea unica a tuturor culorilor spectrului vizibil folosind trei valori numerice, Comission Internationale de l'Eclarage/ International Commission on Illumination - CIE a definit experimental urmatoarele doua seturi de valori tristimulus:

(X, Y, Z)- asociat culorilor primare virtuale CIEXYZ (fara reprezentare in domeniul vizibil), derivate din setul de culori primare RGB;

(L*, a*, b*)- asociat culorilor primare virtuale CIEL*a*b*, derivate din setul de culori primare virtuale CIEXYZ.

Orice culoare a spectrului vizibil, care poate fi obtinuta prin combinarea in proportii diferite a culorilor dintr-un set de culori primare, poate fi exprimata printr-o relatie folosind setul de valori tristimulus asociat, cu precizarea ca valorile unitate trebuie reevaluate.

Reprezentarea sau specificarea culorilor din natura prin valori numerice permite memorarea simpla a specificatiilor de culoare folosind tehnologia digitala si eliminarea ambiguitatilor de descriere a acestora generate de faptul ca exista o multime de culori vizibile in natura carora oamenii nu le cunosc denumirea si exista nuante de culoare pe care anumiti indivizi nu le deosebesc.

Modelul de culoare si gama de culori reprezentata pe baza lui

La modul general, modelul de culoare este un sistem tridimensional (trei coordonate- 3D) de reprezentare numerica a culorilor spectrului vizibil prin parametri de culoare care descriu complet orice culoare perceputa de om. Este un model matematic abstract care permite reprezentarea sau specificarea numerica a culorilor din spectrul vizibil pe baza unui set de valori tristimulus asociat unui set de culori primare care, prin combinare in anumite proportii, conduc la obtinerea unei noi culori.

Un model de culoare se defineste in concordanta cu principiul perceptiei vizuale a omului, pe baza proprietatii lungimilor de unda care cad direct pe ochiul omului de a se combina aditiv pentru obtinerea altei culori si a caracteristicilor suprafetelor obiectelor din mediul inconjurator de a absorbi anumite lungimi de unda din lumina. Un model de culoare se

defineste pentru o tehnica de reproducere a culorilor folosita de o anumita tehnologe, deoarece culorile specificate folosind modelul respectiv exista numai daca sunt detectate de ochiul omului. De regula, un model de culoare este orientat catre un hardware specific (RGB, CMY, YIQ) sau catre o anumita aplicatie de prelucrare a imaginilor (HSI).

Din punct de vedere matematic, orice model de culoare construit pe baza constructiei fiziologice a sistemului vizual uman este tridimensional si se poate reprezenta numai intr-un spatiu tridimensional, definirea oricarui punct de culoare in acest spatiu facandu-se cu ajutorul a trei parametri de culoare care reprezinta valoarea tristimulus corespunzatoare unei culori din spectrul vizibil. Daca fiecare parametru de culoare se reprezinta pe o axa, se obtine o pozitie unica in spatiu de culoare tridimensional pentru fiecare culoare posibil a fi detectata de ochiul omului.

Vederea umana fiind trichromatica, pentru a descrie complet senzatia de culoare a omului sunt necesari, in principiu trei parametri, dar pentru reprezentarea acesteia in vederea reproducerii pot fi necesari mai multi, in functie de tehnologia de reprezentare a culorii folosita. Majoritatea modelelor de culoare definite sunt tridimensionale (CIEXYZ, CIELAB, RGB, CMY) sau extensii ale acestora (CMYK sau RGBA).

Un model de culoare generic ofera o modalitate standard de a descrie culorile spectrului vizibil folosind trei parametri de culoare (valori tristimulus), corespunzatori celor trei tipuri de receptori sensibili la lumina din retina. De aceea, se reprezinta ca un subspatiu al unui spatiu tridimensional (3D) care contine toate culorile ce se pot reprezenta in interiorul modelului respectiv. Orice culoare care poate fi specificata folosind un model de culoare corespunde unui singur punct in interiorul acestuia.

In functie de modul de obtinere a culorilor dintr-un set de culori primare, exista trei tipuri de modele de culoare:

- modelul de culoare aditiv RGB;

- modelul de culoare substractiv CMY;

- modelul de culoare CIExyz.

Modul de combinare a setului de culori primare pe baza caruia este construit fiecare tip de model de culoare este reprezentat grafic sub una din urmatoarele forme:

Fiecare model de culoare poate reprezenta o anumita gama de culori care se defineste ca fiind multimea de culori din spectrul vizibil care pot fi descrise (specificate) pe baza unui asemenea model. La modul general, gama de culori (color gammut) care poate fi reprezentata pe baza unui model de culoare este determinata, ca numar de culori reproductibile, de metoda folosita pentru obtinerea unei noi culori, de perceptia umana a culorii, de modul de implementare al modelului respectiv si de tehnologia folosita pentru implementarea acestuia.

Reprezentarea geometrica a gamei de culori (CIE 1931)

Un model de culoare ofera fie o descriere exacta, fie o reteta standard de combinare a culorilor dintr-un set de culori primare pe baza careia se poate obtine o gama de culori mai larga sau mai putin larga care insa este inclusa in gama de culori perceptibile de sistemul vizual uman.

In procesul digital de reproducere a culorilor, modelele de culoare se folosesc pentru reprezentarea sau specificarea culorilor spectrului vizibil prin valori numerice asociate senzatiei psihice de culoare folosind combinarea aditiva a culorilor primare RGB, combinarea substractiva a complementarelor acestora CMY(K) sau combinarea culorilor primare virtuale CIEXYZ sau CIEL*a*b* determinate pe baza culorilor primare RGB prin masuratori experimentale.

a. Modelul de culoare aditiv RGB este definit pe baza proprietatii undelor de lumina de diferite lungimi de a se combina aditiv pentru a forma o noua culoare, motiv pentru care este denumit model de culoare aditiv. Acest model indica componenta pe care trebuie sa aiba lumina emisa in intuneric pentru a crea o anumita culoare. Utilizarea acestui model permite determinarea cantitatilor din fiecare culoare aditiva primara R, G si B care trebuie adunate la culoarea aditiva negru pentru a obtine o culoare vizibila data

Culorile percepute in modelul aditiv sunt rezultatul luminii transmise pe directia ochiului uman si prin urmare sunt determinate de sursa de lumina

Modelul de culoare RGB foloseste valorile tristimulus (RGB) pentru reprezentarea culorilor din spectrul vizibil. Acest model descrie o culoare prin indicarea directa a valorilor componentelor sale primare RGB. Daca fiecare valoare tristimulus se reprezinta pe cele trei axe ale sistemului cartezian 3D, se obtine cubul color RGB. Culorile acromatice, formate din cantitati egale de culori primare RGB, cad pe linia care uneste punctele negru- alb. Culorile aditive secundare CMY, obtinute fiecare prin combinarea, in cantitati egale, a doua culori aditive primare, cad in coltul planului format de axele pe care sunt reprezentate componentele sale. Fiecarui punct definit pe baza acestui model ii corespunde o singura culoare vizibila

Cubul color RGB Triunghiul lui Maxwell folosit pentru

reprezentarea culorilor modelului RGB

Subspatiul cuprins intre origine si planul in forma de triunghi echilateral care uneste colturile RGB ale cubului, defineste gama de culori care poate fi descrisa folosind acest model de culoare. Triunghiul echilateral format de punctele de culoare corespunzatoare culorilor primare RGB, denumit triunghiul lui Maxwell, este folosit pentru reprezentarea culorilor in acest model, deoarece coordonatele unui punct de culoare situat in interiorul unui triunghi echilateral se pot determina usor.

Prin plasarea a trei surse de lumina primara RGB in varfurile acestui triunghi echilateral, astfel incat sa lumineze in interiorul sau, Maxwell a observat ca intensitatea fiecarei unde de lumina primara scade uniform, pana ce intalneste latura opusa, unde are valoarea zero. Prin urmare, in modelul de culoare RGB culorile sunt reprezentate prin intensitati variate de culori RGB. Practic, culorile aditive descrise pe baza unui model de culoare RGB se obtin prin emiterea a trei fascicole de lumina catre un suport fluorescent negru. Acest suport este acoperit cu grupuri de trei celule, numite pixeli, care reflecta, fiecare, una din cele trei culori primare aditive RGB. In absenta luminii, celulele de pe suprafata suportului negru nu au ce reflecta, rezultand culoarea negru. Daca cele trei fascicole de lumina sunt identice, fiecare grup de celule reflecta in mod egal, cele trei culori aditive primare, rezultatul fiind culoarea alb. Daca se emit catre suportul fluorescent numai doua fascicole de lumina identice, se obtin culorile aditive secundare Cyan, Magenta si Yellow. Prin controlarea celor trei fascicule de lumina emise pe suportul fosforescent acoperit cu pixeli, se pot obtine diferite culori din spectrul vizibil.

Negru (0,0,0) = 0R + 0G + 0B  > nu se reflecta R, G, B (fara lumina)

Alb(1/3, 1/3, 1/3)   = 1/3R + 1/3G + 1/3B > 3 fascicole identice care reflecta R, G, B

Cyan (0, 1/2, 1/2) = 0R + 1/2G + 1/2B > 2 fascicole identice care reflecta G, B si absoarbe R

Magenta (1/2, 0, 1/2)  = 1/2R + 0G + 1/2B > 2 fascicole identice care reflecta R, B si absoarbe G

Yellow (1/2, 1/2,0) = 1/2R + 1/2G + 0B > 2 fascicole identice care reflecta R, G si absoarbe B

Culoare ( x, y, z) = xR + yG + zB > 3 fascicole controlate care reflecta R, G, B

Reprezentarea culorilor in modelul de culoare RGB se face sub forma unui vector:

vRGB unde R,G,B

Orice combinatie de unde luminoase, care cad direct pe ochiul omului, poate fi descrisa pe baza modelului aditiv de culoare RGB, motiv pentru care este utilizat de majoritatea echipamentelor care emit lumina pentru determinarea valorilor (R, G, B) care compun fiecare culoare pe care o reproduc. Astfel scannerele citesc cantitatile de lumina RGB reflectata de o imagine si le convertesc in valori tristimulus (digitale), iar monitoarele receptioneaza valorile tristimulus (digitale) si le convertesc in lumina RGB vizibila pe ecranul fluorescent.

Modelul de culoare RGB poate fi implementat in diferite moduri, gama de culori posibil a fi descrisa pe baza acestui model fiind determinata, ca dimensiune, de numarul de biti folositi pentru descrierea fiecarei componente de culoare. Cel mai uzual mod de implementare, utilizat incepand cu anul 2006 pentru monitoarele calculatoarelor, foloseste 24 de biti de culoare, respectiv 8 biti color/ pixel sau 256 nivele digitale/ canal (2 =256), motiv pentru care numarul de culori posibil a fi reprezentate pe baza acestui model este limitat la 256R x 256G x256B= 16,7 milioane de culori, aproximativ cat poate distinge omul. Unele implementari utilizeaza 16 biti/ componenta de culoare, rezultand o densitate mai mare de culori distincte.

Modelul de culoare RGB defineste sistemul aditiv de reprezentare a culorilor RGB devenit standard de culoare folosit de scannere, camere video, monitoare de calculator sau ecrane de televizor. Trebuie insa avut in vedere ca ecranul fluorescent sau fosforescent nu emite culorile primare RGB pure si ca lumina reflectata de imaginea scanata sau fotografiata (filmata) depinde de proprietatile sale de reflexie. Potrivit experimentelor efectuate, culorile astfel generate variaza in functie de echipamentul care foloseste pentru reprezentarea lor sistemul de culoare RGB.

b. Modelul de culoare CMY este definit pe baza proprietatii pigmentilor de a absorbi anumite lungimi de unda pentru a forma o noua culoare, motiv pentru care este denumit model de culoare substractiv. In fond, se bazeaza pe amestecul substractiv al pigmentilor de culori CMY care absorb o parte din lumina emisa catre o suprafata pentru a forma culoarea corespunzatoare luminii care nu a fost absorbita, ci reflectata. Utilizarea acestui model permite determinarea cantitatilor din fiecare culoare substractiva primara C, M si Y care trebuie scazute din culoarea substractiva alb pentru a obtine o culoare vizibila data. Altfel spus, indica componenta pigmentilor care se aplica pe o suprafata alba pentru a crea o anumita culoare. Culorile percepute in modelul substractiv sunt deci rezultatul luminii reflectate de pigmenti pe directia ochiului uman.

Modelul de culoare CMY foloseste valorile tristimulus C M Y pentru reprezentarea culorilor din spectrul vizibil. Acest model descrie o culoare prin indicarea valorilor componentelor sale primare CMY (culori substractive primare) care sunt formate, fiecare, prin combinarea, in cantitati egale, a doua culori substractive secundare RGB.

Forma geometrica a modelului de culoare CMY este cubul color obtinut prin reprezentarea culorilor primare substractive normalizate, pe axele sistemului euclidian 3D.

Modelul de culoare CMY este folosit, in principal, in tiparirea sau imprimarea imaginilor color, motiv pentru care pigmentii folositi pentru obtinerea substractiva a culorilor sunt cerneluri de tiparire, iar acest model descrie ce tipuri de cerneluri trebuie aplicate pe o suprafata pentru ca lumina reflectata de aceasta, prin cerneluri, sa produca o culoare data

Culorile substractive descrise pe baza unui model de culoare CMY se obtin prin aplicarea pe un suport alb, iluminat cu lumina alba a trei tipuri de cerneluri corespunzatoare culorilor secundare C, M si Y care reflecta, fiecare, doua treimi din spectrul vizibil si absorb una. Suportul alb reflecta aproape 100% culorile rosu R verde G si albastru B In absenta cernelurilor, lumina alba nu este absorbita, ci reflectata de suportul alb, culoarea obtinuta fiind alb. Deoarece fiecare tip de cerneala absoarbe o treime din spectrul vizibil, pentru a absorbi toata lumina sunt necesare toate trei, in cantitati egale, ca sa rezulte negru. Prin imprimarea a doua culori secundare, in cantitati egale, se obtin substractiv cele trei culori primare R G si B numite si culori substractive secundare. Prin supraimprimarea unor cantitati controlate de C M si Y se poate obtine cel mai larg domeniu de culori, tinand cont, bineinteles, de limitarile date de nuanta suportului si de puritatea pigmentilor.

Alb  (0, 0, 0) = 0C+ 0M+ 0Y > nu absorbtie (nu cerneala), suportul alb reflecta R, G, B

Negru (1/3, 1/3, 1/3) = 1/3C+ 1/3M+ 1/3Y > absorbtie completa, suportul alb nu se reflecta R, G, B

Red (0, 1/2, 1/2) = 0C+ 1/2M+ 1/2Y > absoarbe C = GB, reflecta R

Green = 1/2C+ 0M+ 1/2Y > absoarbe M = RB, reflecta G

Blue = 1/2C+ 1/2M+ 0Y > absoarbe Y = RG reflecta B

Culoare ( x, y, z) = xC+ yM+ zY > absoarbe controlat C= GB M= RB, Y= R G, reflecta R, G, B

Reprezentarea culorilor in modelul de culoare CMY se face sub forma unui vector:

VCMY = , unde C,M,Y e

Pentru a tipari o anumita culoare trebuie eliminata, selectiv, o parte din lumina care ilumineaza suportul alb. Deci trebuie filtrate, in diferite proportii, luminile R, G si B cu scopul de a produce toata gama se culori din spectrul vizibil, suportul de tiparire, de culoare alba, fiind cel care reflecta cele doua componente de culoare transmise prin filtru.

Cernelurile folosite in procesul de tiparire, numite cerneluri de proces, sunt substante transparente care actioneaza ca filtre de culoare, respectiv filtreaza propria-i culoare si le transmite pe celelalte doua, lucru care, matematic, se poate exprima prin relatiile:

C R

M G

Y - B

Prin supraimprimarea unor cantitati controlate de cerneluri C,M si Y se poate reproduce, in mod substractiv, un domeniu larg de culori din spectrul vizibil, tinand cont, bineinteles, de limitarile date de nuanta suportului si de calitatea cernelurilor care, teoretic, trebuie sa fie pure.

Modelul de culoare substractiv CMYK, utilizat in practica pentru reproducerea culorilor pe diferite medii de imprimare, este modelul de culoare substractiv CMY care foloseste, suplimentar, cerneala neagra (blacK) pentru accentuarea detaliilor si imbunatatirea contrastului, compensand astfel imperfectiunile mediului de imprimare si impuritatile. Practic, modelul de culoare CMYK acopera golurile dintre teorie si practica. Teoretic componenta suplimentara de negru nu este necesara, dar practica demonstreaza ca amestecul in cantitati egale de cerneluri CMY conduce la maro inchis, nu la negru. Pentru corectie, se adauga negru. In aceste conditii, functiile de amestec sunt urmatoarele:

K minim (C M Y)

C = C - K

M  M-K

Y Y - K

Reprezentarea culorilor in modelul de culoare CMY(K)se face sub forma unui vector

VCMYK = , unde C,M,Y, (K) e

Modelul de culoare CMYK defineste sistemul substractiv de reprezentare a culorilo CMYK devenit standard de culoare folosit de presele offset, immagesettere si imprimante color. Indica cantitatile de cerneluri prin supraimprimarea carora se obtine culoarea dorita culorile fiind reprezentate ca procente de cerneluri CMYK. Culorile obtinute astfel variaza insa atat in functie de cernelurile de proces si mediile de imprimare care sunt pure numai teoretic, cat si in functie de echipamentul care foloseste pentru reprezentarea lor sistemul de culoare CMYK.

c. Cubul color este modelul de culoare care integreaza ambele sisteme standardizate de reprezentare a culorilor, RGB si CMYK, intr-un singur model, acest lucru fiind posibil deoarece cele doua seturi de culori primare folosite de aceste sisteme pentru generarea culorilor spectrului vizibil sunt complementare. Cubul color reprezinta geometric ambele modele de culoare, cel aditiv (RGB) si cel substractiv (CMY).

Reprezentarea modelelor de culoare

Cubul color (Adobe publication) RGB si CMY pe cubul color

Comutarea intre sistemele de reprezentare a culorilor RGB si CMY se face prin intoarcerea cubului color.

Reprezentarea culorilor folosind cubul color se face sub forma unui vector:

vRGB = , unde R,G,B sau

vCmY(K) = , unde C,m,Y,(K) Є [0,255]

Cubul color defineste reprezentarea digitala a culorilor spectrului vizibil, potrivit careia fiecare culoare primara ia valori numerice intregi, cuprinse in intervalul [0, 255]. Prin urmare, numarul culorilor vizibile care pot fi astfel reprezentate este 256R x 256G x 256B = 16.777.216, aproximativ egal cu numarul culorilor care pot fi percepute de sistemul vizual uman. Practic, fiecarei culori din spectrul vizibil ii corespunde un punct in cubul color de coordonate egale cu un set de trei numere cuprinse intre 0 si 255 . Spre exemplu, valoarea tristimulus (255, 0, 0) corespunde culorii Red in sistemul RGB si culorii Cyan in sistemul CMY.

Cubul color descrie culorile spectrului vizibil pe baza de cantitati de intrare masurate (ce cantitati de lumina primara sau de cerneluri sunt necesare pentru a obtine o anumita culoare), nu pe valori de iesire masurate (cum arata culoarea obtinuta).

Calculatoarele si echipamentele periferice digitale descriu culorile pe baza cubului color deoarece reprezentarea digitala a culorilor este usor accesibila acestui gen de echipamente.