Barvy
Vítězslav Otruba
2017 prof. Otruba 1
Achromatické světlo
• „Bílé světlo“ : signál složený ze záření všech vlnových délek viditelného
spektra
• Difúzní odraz dopadajícího světla na povrchu těles:
odraz > 80 % - bílé předměty
odraz < 3% - černé předměty
• Kolik úrovní šedé barvy rozlišíme ?
Stačí 32-64
• Lidský vizuální systém je schopen adaptace na různé úrovně intenzity. Dolní a
horní mez vnímání intenzity se liší násobkem 1010 ! Současně vnímáme několik
desítek úrovní intenzity v určitém místě, při změně pohledu se podle úrovně
intenzity na sledovaném povrchu vizuální systém přizpůsobí.
2017 prof. Otruba 2
Barevný vjem
• Grassmanovy zákony (1854) - lidské oko
vnímá:
– dominantní vlnovou délku (odstín, “hue”)
– čistotu barvy (sytost, “saturation”)
– intenzitu (jas, “brightness”)
2017 prof. Otruba 3
Skládání světel
2017 prof. Otruba 4
V principu jde o skládání
barevných světel (světelných
zdrojů):
• Červeného (red)
• Zeleného (green)
• Modrého (blue)
V ideálním případě je
spektrální šířka každého světla
(světelného zdroje) 1/3
viditelného spektra aby
výsledná směs – bílé světlo –
obsahovalo všechny vlnové
délky.
Aditivní skládání barev (RGB)
2017 prof. Otruba 5
Skládání barviv
2017 prof. Otruba 6
V principu jde o odečítání
barevných složek (absorpcí
částí spektra v pigmentu barvivu)
z bílého světla:
• Purpurová (magenta)
absorbuje zelenou
• Azurová (cyan) absorbuje
červenou
• Žlutá (yellow) absorbuje
modrou
V ideálním případě každé
barvivo absorbuje 1/3
viditelného spektra
Subtraktivní skládání barev (CMY)
2017 prof. Otruba 7
Žlutý barevný pigment
2017 prof. Otruba 8
Barevný vjem
• Vnímání jasu a barev Díky sondování celého spektra "jen" třemi druhy
čípků se snadno může stát, že dvě nebo i více různých složených
spekter je vyhodnoceno okem a mozkem stejně a to i přesto, že se
jedná o dvě zcela rozdílná spektra. Potom se jeví tato rozdílná spektra
jako stejná barva a jsou tedy okem nerozlišitelné.
• Vidění versus fotoaparát I dnešní nejdokonalejší fotoaparáty se
bohužel schopnostem oka a zejména mozku jen přibližují. Schopnosti,
které má zdravý člověk (dynamický rozsah vidění, schopnost vyvážení
bílé, gamut, ostření, noční vidění atd.), jsou zatím technikou naplněny
jen zčásti.
2017 prof. Otruba 9
Vlastnosti zraku
• různá citlivost na červenou (0.3), zelenou (0.6) a
modrou (0.1) barvu – navíc střed žluté skvrny téměř
neobsahuje “modré” čípky
• zaostřuje se podle jasové složky (Y = R+G) – nelze
dobře zaostřit na rozdíly v modré složce
• integrační schopnost sítnice – vnímáme
samostatné tečky a zároveň jejich hustotu
2017 prof. Otruba 10
Vizuální přenos
• Zahrnuje 3 procesy : fotochemický, biochemický a
elektrický
• Fotoreceptorové buňky oka jsou tyčinky a čípky. Každý typ
má zploštělé disky, které obsahují fotoreceptorový pigment.
Tento pigment je rhodopsin v tyčinkách a červený, zelený a
modrý pigment v čípcích.
Rhodopsin je transmembránový protein s prostetickou
skupinou 11-cis-retinal.
Rhodopsin bez 11-cis-retinalu = opsin.
2017 prof. Otruba 11
11-cis-retinal
Vlastnosti systému vidění
• větší rozlišovací schopnost ve svislém a
vodorovném směru – v šikmých směrech asi o 30%
menší
• přeostřování na barvy vzdálené ve spektru
• setrvačnost (“afterimage”) – laterální inhibice
nervových buněk
• očekávání (“expectation”) – psycho-fyziologická
vlastnost
2017 prof. Otruba 12
Vnímání barev
Citlivost předpokládaných tří
druhů čípků – na vlnovou
délku A reaguje každý
detektor jinou velikostí
podráždění – barevný vjem
může být charakterizován
mimo vlnové délky záření i
relativní velikostí podráždění
receptorů. Obojí způsob je
podle potřeby používán.
Mísením signálů vzniká v
mozku informace o barvě.
Analýza těchto dat, kdy
každá tyčinka a čípek říká
něco jiného, odpovídá
výpočetnímu výkonu, na
který se nehrabe žádná
grafická karta na světě!
2017 prof. Otruba 13
A
Spektrální profil citlivosti lidského oka. Tyto křivky byly
naměřeny nepřímými metodami a neodpovídají přesně
absorpčním spektrům barviv izolovaných z oční sítnice
- spektrální citlivost jednotlivých receptorů se částečně
překrývá
Monochromatické světlo
• Čípky dovedou rozlišit pásma o šířce cca 2 nm, cca
150 barevných tónů (monochromatických světel) –
barevných tónů sytých
• Směs všech monochromatických světel je světlo bílé
2017 prof. Otruba 14
Barevný tón, sytost
• Dvě nebo více monochromatických světel tvoří směs,
jejíž barevný tón je shodný s tónem určitého
monochromatického světla, ale sytost směsi je vždy
menší.
• Směs několika monochromatických světel je světlo
složené. Světlo složené a světlo monochromatické,
která se jeví ve stejném barevném tónu, se označují
jako světla podmíněně podobná (metamerní).
2017 prof. Otruba 15
Odstín barvy (hue)
Díky reprezentaci barev pomocí kola je
možné odstín barvy (Hue) vyjádřit jako úhel
ve stupních od 0 do 360. Odstínem barvy
(Hue) se přitom myslí barva ve své čisté
podobě, tedy nezatížená tím, jak je světlá či
tmavá, či jak velké množství bílé má v sobě
přimícháno.
Odstín je tedy to, co má většinou běžná
jména, jako "červená", "modrá", "žlutá" atd.
Současné RGB modely přiřadily úhlu 0°
barvu červenou, úhlu 120° barvu zelenou a
úhlu 240° barvu modrou.
2017 prof. Otruba 16
Sytost barvy (saturation)
• Sytost barvy, neboli její
čistota jednoduše znamená,
jak moc se barva odlišuje od
šedé. Přitom nezáleží na
tom, jak moc světlá či tmavá
šedá to je, ale pouze na tom,
jak moc se od "nějaké šedé"
barva odlišuje
• sytá barva neobsahuje
příměs šedé (černé a bílé)
2017 prof. Otruba 17
Světlost barvy (lightness)
• Světlost barvy vyjadřuje, jak moc
světlá se barva jeví, a označuje
se často slovy jako "světle
modrá", "tmavě červená" atp.
• Udává se opět v %
• 100 % - zcela bílá a označuje
maximální jas, kterého je
zařízení schopno.
• 0 % = černá, čili zcela tmavý
(černý) bod.
2017 prof. Otruba 18
Barevný model RGB
RGB model lze zobrazit jako krychli,
kde jednotlivé x, y, z osy odpovídají
modrému, červenému a zelenému
světlu. Na úhlopříčce krychle je
potom stav, kdy všechna tři světla
svítí na maximum, tedy vytvoří
bílou.
Velmi zjednodušeně říká, jak moc je
drážděn červený (R-Red) receptor
oka, jak moc je drážděn zelený (GGreen)
a jak moc modrý (B-Blue).
Sada 3 čísel RGB potom určuje jak
barvu, tak i intenzitu světla
2017 prof. Otruba 19
RGB obraz a jeho tři RGB složky
Světlá obloha se skládá ze všech
RGB složek (všechny jsou poměrně
světlé), červený květ má jen složku
červenou a pole se skládá ze zelené
a trochy červené. Modrá složka v
barvě pole i květu téměř chybí (je
hodně tmavá).
2017 prof. Otruba 20
Barevný model CMY
CMY model je teoreticky
inverzní k modelu RGB. Lze ho
tedy popsat stejnou krychlí, ale
s výchozím bodem v bílé barvě
(vpravo nahoře) a s barvivy
(inkousty) doplňkovými k
barvám RGB, tedy CMY.
Reálná barviva mají jinou
barvu než přesné doplňkové
barvy k RGB.
2017 prof. Otruba 21
CMY obraz a jeho CMY složky
CMY model je subtraktivní
model, tedy založený na
odčítání RGB barev při odrazu
bílého světla od barviv.
Přidáním všech barviv naplno
se vytvoří černá barva, neboli
všechno světlo je pohlceno.
2017 prof. Otruba 22
Diagram chromatičnosti CIE
2017 prof. Otruba 23
Obvod podkovy vyznačuje polohu
monochromatických (sytých) světel,
souřadnice x=y=0,33 určují polohu
bílého světla (C), tedy barev
nepestrých (bílá, šedá, černá).
Křivka uvnitř plochy je tzv. čára
teplotních zářičů. Konce podkovy
spojuje přímka, vyznačující polohu
směsí fialového a červeného světla
(purpurové barvy nespektrální).
Celkem na podkově je rozlišeno
150, na přímce 30, celkem 180 tónů
barev pestrých.
c
Vlastnosti CIE diagramu
• všechny viditelné barvy jsou uvnitř podkovy
• intenzita (světlost) barev je ignorována, dvě barvy se shodným tónem a
sytostí se promítají do stejného bodu diagramu
• spektrální (monochromatické) barvy leží na křivkovém okraji podkovy
• úsečka mezi modrou a červenou barvou je „purpurová čára“
• bod C je „bílý bod“
• protože xy-rovina je projekcí lineárního prostoru (barevného prostoru), lze
také skládat barvy lineárně na CIE-diagramu
• komplementární barvy jsou barvy, jejichž kombinací složíme bílou
• dominantní vlnovou délku barvy nalezneme na polopřímce spojující bílou
a testovanou barvu. Je to průsečík s křivkovým okrajem podkovy
2017 prof. Otruba 24
Vlastnosti CIE diagramu
• Směs světel K a L leží na
spojnici KL. Barevný tón
odpovídající směsi např. v
R´odpovídá průsečíku spojnice
R´a B s podkovou. Směs dvou
spektrálních světel je vždy
méně sytá než základní složky.
• Barvy dávající smísením bílou
(M, N) jsou doplňkové.
2017 prof. Otruba 25
Teplota chromatičnosti
• Barevná teplota charakterizuje
spektrum bílého světla. Světlo určité
barevné teploty má barvu tepelného
záření vydávané černým tělesem,
zahřátým na tuto teplotu.
• Člověk své vnímání barev
přizpůsobuje světlu – bílý papír
vnímá jako bílý, i když je vlivem
osvětlení zabarvený. Fotoaparáty a
kamery se naproti tomu musí na
barevnou teplotu nastavovat
• Filmový materiál je naproti tomu
většinou kalibrován na denní světlo,
a barevné tónování se upravuje
speciálními filtry
2017 prof. Otruba 26
Rozložení energie ve spektru
absolutně černého tělesa
Teplota chromatičnosti
• Vliv různé polohy slunce během dne na teplotu chromatičnosti
2017 prof. Otruba 27
Teplota chromatičnosti
2017 prof. Otruba 28
Bílý papír není bílý. Má
vždy barvu světla, které
na něj svítí
Na základě známé barvy předmětů
provede mozek korekci signálu z očí
tak, aby předměty zachovávaly svojí
barvu. Mozek tedy eliminuje barvu
osvětlujícího světla – provádí
vyvážení jeho barvy (korekci) na
bílou.
Bílé světlo
• Za bílou v lidském slova
smyslu lze považovat
takové světlo, které dráždí
všechny tři druhy
barvocitlivých receptorů
oka stejně. Bílá je tak velmi
subjektivní záležitost (jako
vše související s viděním),
a proto byly vytvořeny
standardy pro bílou.
2017 prof. Otruba 29
Spektrum standardizovaného bílého světla
D65 odpovídá polednímu, mírně
zamračenému dni v Evropě a má odpovídající
teplotu 6500K
Barva typických světel
Teplota v K Typický zdroj světla
1200-1500 Svíčka
2500-3200 Běžná žárovka (40-200W)
3000-4000 Východ a západ slunce
4000-5000 Zářivka
5000-6000
Sluneční světlo (slunný den),
fotografický blesk
6000-7000 Zamračený a mlhavý den
7000-8000 Fotografie ve stínu slunce
8000-11000 Modré nebe bez slunce (hory)
2017 prof. Otruba 30
Barvy předmětů
• Ideální šedá plocha (1)
• Ideální modrá plocha (3)
• Skutečná modrá plocha
(2) vykazuje ve srovnání
s ideální příměs černé (Č)
a bílé (B) barvy
2017 prof. Otruba 31
Spektrální reflektance ideálních a
skutečných povrchových barev
Soudobý kontrast
2017 prof. Otruba 32
Vliv sousedství černé a bílé na zdánlivou světlost a sytost barvy
(podle Evanse)
Simultánní kontrast
Velké čtverce v dvojici nad sebou
se navzájem barevně liší jasem
(vlevo), saturací (uprostřed) a
barevným tónem (vpravo). Dvojice
malých čtverců v jejich středu má
vždy přesně tutéž barvu, nicméně
kontrast s velkým čtvercem
způsobuje, že vypadají, jako by
jejich jas (vlevo), saturace
(uprostřed) nebo barevný tón
(vpravo) byly různé.
2017 prof. Otruba 33
Machovy pruhy
Kontrast podél náhlých přechodů (hran) se oku jeví větší, než ve
skutečnosti je. Díky tomuto efektu vypadá levá strana každého pruhu
světlejší než pravá, ačkoli celý pruh je ve skutečnosti stejně tmavý.
Na druhém obrázku Střední pruh je v celé své délce stejně šedý - většina z
vás ho ale uvidí jako přechod od světle šedé (vlevo) do tmavší šedé
(vpravo). Je to vliv okolní plochy.
2017 prof. Otruba 34
„Přecházení zraku“
2017 prof. Otruba 35
Rozhraní červené a modré barvy se jeví jako neklidné (podle
Evanse). Je to způsobeno přeostřováním oční čočky podle ohniska
příslušné barvy – barevná vada oční čočky
Vliv spektrálního složení světla
• Křivka spektrální reflektance plochy, která se jeví ve světle složeném z
vlnových délek λ1, λ2, λ3 jako černá
2017 prof. Otruba 36
Vjem bílého světla
a) světlo zahrnuje všechny vlnové
délky
b) světlo zahrnuje jen tři vlnové délky
λ1, λ2, λ3
c) světlo zahrnuje jen dvě vlnové délky
λ4, λ5.
• Ve všech třech případech se světlo
jeví oku jako bílé!
2017 prof. Otruba 37
Vliv složení světla na podání barev
• Na horním snímku je scéna
osvětlena světlem se spojitým
spektrem (žárovka)
• Na dolním snímku je scéna
osvětlena směsí
monochromatického červeného a
modrozeleného světla, které se
jeví oku jako bílé
2017 prof. Otruba 38
Světelné zdroje
• Přirozené zdroje světla mají spojité spektrum, základem je sluneční
světlo v našich zeměpisných šířkách o teplotě chromatičnosti 5500K.
(nad atmosférou Země 6565K). Slouží jako srovnávací standard bílého
světla. Ve stínu dosahuje při modré obloze až 12000K (ve stínu při sytě
modré obloze na horách), při zatažené obloze 6000-8000K.
• Umělé světelné zdroje mají často velmi složitý průběh spektra a je možné
posuzovat pouze přibližně odpovídající teplotu chromatičnosti. Proto jsou
zavedeny pojmy Colour Rendering (Ra) – podání barev ve srovnání se
standardním osvětlením a
• CRI - Colour Rendering Index (činitel věrnosti barvy, rozsah 0-100) je
mezinárodní systém pro popis fyziologického vjemu barvy při osvětlení
příslušným světelným zdrojem ve srovnání se slunečním světlem (CRI =
100). Obecněji se používá srovnání i pro zdroje jiné teploty
chromatičnosti ve srovnání s příslušným zářením černého tělesa (žárovky
CRI = 100)
2017 prof. Otruba 39
Kde používat produkty s vyšší hodnotou CRI(Ra)?
• laboratoře, kontrolní a řídící místnosti, operační sály, ordinace, zubní
laboratoře, grafické studia, video studia, dílny, pracovny, montážní haly.
• Oblasti vhodné na přesnou reprodukci barev
– kulturní prostory (galerie, výstavy, prezentace, muzea apod.)
– relaxační prostory (sauny, bazény, fitness, restaurace, solné jeskyně apod.)
2017 prof. Otruba 40
Žárovky (CRI = 100)
2017 prof. Otruba 41
Nízkonapěťové halogenové žárovky Philips CAPSULEline Pro
CRI = 100
Barevné korekce na teplotu chromatičnosti 5500 K barevné folie (např. IFF Florencie,
Kodak Rochester)
2017 prof. Otruba 42
Zářivky s vysokým CRI (>90)
Zářivková
trubice Philips
TL-D 90 de
Luxe
Tchr = 3000K,
4000K, 5000K,
6500K
Xenonové výbojky
• Pulzní bleskové fotografické xenonové
výbojky mají teplotu chromatičnosti
5500K (korigované žlutým filtrem,
D≈0,1) nebo 6000K bez korekce na
čáry Xe v modré oblasti spektra. CRI =
95-100.
• Kontinuální xenonové výbojky (výkony
do 20kW) pro projekci filmů a
přisvětlení scény při denním světle.
CRI = 90-98, Tchr≈5800K
2017 prof. Otruba 43
Vysokotlaké výbojky metalhalidové
• Výbojky s náplní směsi rtuti,
halogenidů kovů (převážně
vzácných zemin) a argonu,
příp. xenonu, hořák je z
korundu.
• Příklad výbojky Philips
MASTER Colour CDM-T s
teplotou chromatičnosti 3000 K
(CRI až 85) a 4200 K (CRI až
96)
• Výkonové (až 5000W) mají
CRI 55 – 85.
2017 prof. Otruba 44
LED (Light emitting diode ) zdroje
• Moderní polovodičové zdroje světla. Mají již vysokou účinnost, dlouhou
životnost a jsou otřesuvzdorné – důležité pro mobilní zařízení.
• Spektrální vlastnosti jsou dány složením polovodiče (GaAs, InP, GaAlP,
GaN, SiC,...
• „Bílé“ LED kombinují diodu emitující v modré oblasti spektra s
luminoforem příp. s diodou emitující v dlouhovlnné oblasti.
2017 prof. Otruba 45
Vyvážení bílé - film
Konverzní filtry
• „Bílé světlo“ může mít tedy různý odstín. Barevné materiály jsou
vyváženy buď pro „denní“ světlo (cca 5500 K) nebo „umělé“ (cca
3200 K, označení T – tungsram).
• Pro korekce teploty chromatičnosti se používají konverzní filtry
načervenalé (snižují teplotu chromatičnosti) nebo namodralé
(zvyšují teplotu chromatičnosti).
• Pro měření teploty chromatičnosti se vyrábějí tzv. colortestery,
které měří poměr intenzit modré a červené složky světla, příp.
třípásmové, měřící poměry R:G:B.
2017 prof. Otruba 46
Hodnoty mired
• Konverzní filtry jsou vyráběny v sadách a jejich převodní
hodnoty se udávají v miredech (micro reciprocal degree):
a=106/T
(v podstatě reciproké teploty chromatičnosti)
• Výhodou je, že stejné diference v miredech odpovídají
stejným diferencím v barvě vnímané lidským okem.
Prakticky se používá jednotka 10x větší dekamired. V
dekamiredech jsou nastavovány i barevné korekce u
digitálních přístrojů (obvykle vyšší kategorie)
2017 prof. Otruba 47
Korekce konverzními filtry
Příklad:
Svítíme-li žárovkami o barevné teplotě
2800K (350 Mired), tak modrý filtr,
který posouvá barvu o -150 Mired (záporné
hodnoty značí posun do modrých barev), ji
změní na 200 Mired, což odpovídá 5000K.
Naopak je-li světlo velmi modré (10000K =
100 Mired), červený filtr o hodnotě 100
Mired posune barvu světla na 200 Mired,
tedy opět 5000K.
2017 prof. Otruba 48
Příklad nomogramu pro konverzní filtry
2017 prof. Otruba 49
Vyvážení bílé - digitální fotografie
• vyvážení bílé se děje posunem signálu (změnou intenzity, citlivosti)
z jednotlivých kanálů RGB (mícháním barev)
• možné přístupy:
• automaticky
• přednastavené režimy (slunečno, žárovka, zataženo…)
• ruční nastavení teploty chromatičnosti (ve stupních Kelvina)
• kalibrace na bílou (šedou) tabulku
• post-processing (focení do RAWu)
2017 prof. Otruba 50
Srovnání (Nikon D700, 3000K):
kompaktní zářivka/halogenová žárovka
2017 prof. Otruba 51