Légèreté - Lightness

Trois teintes dans le modèle de couleur Munsell . Chaque couleur diffère en valeur de haut en bas dans des étapes de perception égales. La colonne de droite subit un changement dramatique dans la couleur perçue.

La légèreté est une perception visuelle de la luminance d'un objet. Il est souvent jugé par rapport à un objet éclairé de la même manière. Dans les modèles de colorimétrie et d' apparence des couleurs , la luminosité est une prédiction de la façon dont une couleur illuminée apparaîtra à un observateur standard. Alors que la luminance est une mesure linéaire de la lumière, la luminosité est une prédiction linéaire de la perception humaine de cette lumière.

En effet, la perception de la luminosité de la vision humaine n'est pas linéaire par rapport à la lumière. Doubler la quantité de lumière n'entraîne pas un doublement de la légèreté perçue, seulement une augmentation modeste.

Le symbole de la légèreté perceptive est généralement soit celui utilisé dans CIECAM02 soit celui utilisé dans CIELAB et CIELUV . ("Lstar") ne doit pas être confondu avec celui utilisé pour la luminance. Dans certains systèmes de classement des couleurs tels que Munsell , la luminosité est référencée en tant que valeur . Certains modèles de couleurs tels que HSV utilisent également la valeur comme terme alternatif pour la légèreté. et théorie des couleurs


Légèreté dans différents espaces colorimétriques

Figure 2a. La gamme sRGB mappée dans l'espace CIELAB. Notez que les lignes pointant vers les couleurs primaires rouges, vertes et bleues ne sont pas espacées uniformément par l'angle de teinte et sont de longueur inégale. Les primaires ont également des valeurs L * différentes .
Figure 2b. La gamme Adobe RVB mappée dans l'espace CIELAB. Notez également que ces deux espaces RVB ont des gammes différentes et auront donc des représentations HSL et HSV différentes.

Dans certains espaces colorimétriques ou systèmes de couleurs tels que Munsell, HCL et CIELAB, la luminosité (valeur) contraint de manière achromatique les limites maximale et minimale et fonctionne indépendamment de la teinte et de la chrominance. Par exemple, la valeur Munsell 0 est un noir pur et la valeur 10 est un blanc pur. Les couleurs avec une teinte discernable doivent donc avoir des valeurs entre ces extrêmes.

Dans un modèle de couleur soustractif (par exemple, peinture, teinture ou encre), la luminosité d'une couleur à travers diverses teintes, nuances ou tons peut être obtenue en ajoutant respectivement du blanc, du noir ou du gris. Cela réduit également la saturation . Le clair - obscur et le ténébrisme profitent tous deux de contrastes dramatiques de valeur pour intensifier le drame dans l'art. Les artistes peuvent également utiliser des ombrages , une manipulation subtile de la valeur.

En HSL et HSV, la luminance affichée est relative à la teinte et à la chrominance pour une valeur de luminosité donnée, en d'autres termes la valeur de luminosité sélectionnée ne prédit pas la luminance affichée réelle ni sa perception. Les deux systèmes utilisent des triplets de coordonnées, où de nombreux triplets peuvent correspondre à la même couleur.

En HSV, tous les triplets avec la valeur 0 sont d'un noir pur. Si la teinte et la saturation sont maintenues constantes, l'augmentation de la valeur augmente la luminance, de sorte qu'une valeur de 1 est la couleur la plus claire avec la teinte et la saturation données. HSL est similaire, sauf que tous les triples avec la luminosité 1 sont d'un blanc pur. Dans les deux modèles, toutes les couleurs pures saturées indiquent la même luminosité ou valeur, mais cela ne concerne pas la luminance affichée qui est déterminée par la teinte. C'est-à-dire que le jaune a une luminance plus élevée que le bleu, même si la valeur de luminosité est fixée à un nombre donné.

Bien que les espaces HSL, HSV et similaires servent assez bien pour choisir ou ajuster une seule couleur, ils ne sont pas uniformes sur le plan de la perception. Ils échangent la précision contre la simplicité de calcul, car ils ont été créés à une époque où la technologie informatique était limitée en termes de performances.

Si nous prenons une image et extrayons les composants de teinte, de saturation et de luminosité ou de valeur pour un espace colorimétrique donné, nous verrons qu'ils peuvent différer considérablement d'un espace colorimétrique ou d'un modèle différent. Par exemple, examinez les images suivantes d'un cracheur de feu ( fig. 1 ). L'original est dans l'espace colorimétrique sRGB. CIELAB est une prédiction de luminosité perceptuellement uniforme qui est dérivée de la luminance , mais ignore le et , de l' espace colorimétrique CIE XYZ . Notez que cela semble similaire en termes de luminosité perçue à l'image couleur d'origine. Luma est un composant de luminance codé en gamma de certains systèmes de codage vidéo tels que et . Il est à peu près similaire, mais diffère à chrominance élevée, s'écartant le plus d'un signal achromatique tel que la luminance linéaire ou la luminosité non linéaire . HSL et HSV ne sont ni perceptuellement uniformes, ni uniformes quant à la luminance.

Une image en couleur montre une scène très contrastée et assez dramatique d'un cracheur de feu avec une grande flamme jaune orangé s'étendant de ses lèvres.  Il porte des vêtements orange-rouge foncés mais colorés.
1a. Photographie couleur (espace couleur sRGB).
Une image en niveaux de gris montrant la composante de luminosité CIELAB de la photographie semble être un rendu fidèle de la scène : elle ressemble à peu près à une photographie en noir et blanc prise sur un film panchromatique, avec des détails clairs dans la flamme, qui est beaucoup plus lumineuse que la tenue de l'homme ou l'arrière-plan.
1b. CIELAB L * (retransformé en sRGB pour un affichage cohérent).
Une image en niveaux de gris montrant la luma apparaît à peu près similaire à l'image de luminosité CIELAB, mais est un peu plus lumineuse dans les zones qui étaient à l'origine très colorées.
1c. Rec. 601 luma Y ' .
Une image en niveaux de gris montrant la composante moyenne (intensité HSI) de la photographie est un fac-similé beaucoup moins convaincant de la photographie couleur, avec un contraste réduit, en particulier avec sa flamme plus sombre que dans l'original.
1d. Moyenne composante : « intensité » I .
Une image en niveaux de gris montrant la composante de valeur HSV de la photographie laisse la flamme complètement blanche (dans le langage du photographe, "soufflée") et les vêtements de l'homme beaucoup trop brillants.
1e. Valeur HSV V .
Une image en niveaux de gris montrant la composante de luminosité HSL de la photographie rend la flamme approximativement grise moyenne et ruine l'effet dramatique de l'original en réduisant radicalement son contraste.
1f. Légèreté HSL L .

Relation à la valeur et à la luminance relative

La valeur de Munsell a longtemps été utilisée comme échelle de luminosité perceptuellement uniforme . Une question intéressante est la relation entre l'échelle de valeurs de Munsell et la luminance relative . Conscient de la loi de Weber-Fechner , Munsell a fait la remarque « Devrions-nous utiliser une courbe logarithmique ou une courbe des carrés ? » Aucune des deux options ne s'est avérée tout à fait correcte ; les scientifiques ont finalement convergé vers une courbe à peu près en racine cubique, conforme à la loi de puissance de Stevens pour la perception de la luminosité, reflétant le fait que la luminosité est proportionnelle au nombre d'impulsions nerveuses par fibre nerveuse par unité de temps. Le reste de cette section est une chronologie des approximations de légèreté, conduisant à CIELAB .

Noter. – Le V de Munsell va de 0 à 10, tandis que Y va généralement de 0 à 100 (souvent interprété comme un pourcentage). Typiquement, la luminance relative est normalisée de sorte que le "blanc de référence" (par exemple, l'oxyde de magnésium ) a une valeur tristimulus de Y = 100 . Etant donné que la réflectance de l'oxyde de magnésium (MgO) par rapport au diffuseur parfaitement réfléchissant est de 97,5%, V = 10 correspond à Y = 100/97,5% ≈ 102,6 si MgO est utilisé comme référence.

Observez que la luminosité est de 50% pour une luminance relative de l'ordre de 18% par rapport au blanc de référence.

1920

Prêtre et al. fournir une estimation de base de la valeur Munsell (avec Y allant de 0 à 1 dans ce cas) :

1933

Munsell, Sloan et Godlove lancent une étude sur l'échelle de valeur neutre de Munsell, en considérant plusieurs propositions reliant la luminance relative à la valeur de Munsell, et suggèrent :

1943

Newhall, Nickerson et Judd préparent un rapport pour l' Optical Society of America sur la renotation Munsell. Ils suggèrent une parabole quintique (rapportant la réflectance en termes de valeur) :

1943

À l'aide du tableau II du rapport OSA, Moon et Spencer expriment la valeur en termes de luminance relative :

1944

Saunderson et Milner introduisent une constante soustractive dans l'expression précédente, pour un meilleur ajustement à la valeur de Munsell. Plus tard, Jameson et Hurvich affirment que cela corrige les effets de contraste simultanés .

1955

Ladd et Pinney d' Eastman Kodak s'intéressent à la valeur de Munsell en tant qu'échelle de luminosité perceptuellement uniforme à utiliser en télévision . Après avoir considéré une fonction logarithmique et cinq fonctions de loi de puissance (selon la loi de puissance de Stevens ), ils relient la valeur à la réflectance en élevant la réflectance à la puissance 0,352 :

Réalisant que c'est assez proche de la racine cubique , ils le simplifient en :

1958

Glasser et al. définissez la luminosité comme dix fois la valeur Munsell (de sorte que la luminosité varie de 0 à 100) :

1964

Wyszecki simplifie cela en :

Cette formule se rapproche de la fonction de valeur de Munsell pour 1% < Y < 98% (elle n'est pas applicable pour Y < 1% ) et est utilisée pour l' espace colorimétrique CIE 1964 .

1976

CIELAB utilise la formule suivante :

Y n est la valeur tristimulus CIE XYZ Y du point blanc de référence (l'indice n suggère "normalisé") et est soumis à la restrictionOui/O n> 0,01 . Pauli supprime cette restriction en calculant une extrapolation linéaire qui mappeOui/O n= 0 à L * = 0 et est tangente à la formule ci-dessus au point auquel l'extension linéaire prend effet. Premièrement, le point de transition est déterminé comme étantOui/O n = (6/29) 3 0,008856 , alors la pente de (29/3) 3 ≈ 903,3 est calculé. Cela donne la fonction en deux parties :

La légèreté est alors :

À première vue, vous pouvez approximer la fonction de luminosité par une racine cubique, une approximation que l'on trouve dans une grande partie de la littérature technique. Cependant, le segment linéaire proche du noir est significatif, ainsi que les coefficients 116 et 16. La fonction de puissance pure la mieux ajustée a un exposant d'environ 0,42, loin de1/3. Une carte grise d' environ 18% , ayant une réflectance exacte de (33/58) 3 , a une valeur de luminosité de 50. On l'appelle « gris moyen » car sa luminosité se situe à mi-chemin entre le noir et le blanc.

1997

Dès 1967, une relation hyperbolique entre l'intensité lumineuse et les réponses des cônes a été découverte chez les poissons, conformément au modèle cinétique de Michaelis-Menten des réactions biochimiques. Dans les années 70, la même relation a été trouvée chez un certain nombre d'autres vertébrés et en 1982, en utilisant des microélectrodes pour mesurer les réponses des cônes chez des macaques rhésus vivants, Valeton et Van Norren ont trouvé la relation suivante :

1 / V ~ 1 + (σ / I) 0,74 , où V est le potentiel mesuré, I l'intensité lumineuse et une constante.

En 1986, Seim et Valberg ont réalisé que cette relation pourrait aider à la construction d'un espace colorimétrique plus uniforme. Cela a inspiré les progrès de la modélisation des couleurs et lorsque la Commission internationale de l'éclairage a organisé un symposium en 1996, les objectifs d'un nouveau modèle de couleur standard ont été formulés et, en 1997, la CIECAM97 (Commission internationale de l'éclairage, modèle d'apparence des couleurs, 1997, version simple) a été normalisée. CIECAM97s fait la distinction entre la luminosité, la façon dont quelque chose apparaît léger par rapport à un objet blanc éclairé de la même manière, et la luminosité, la quantité de lumière qui semble briller de quelque chose. Selon CIECAM97s la légèreté d'un échantillon est :

J = 100 (Un échantillon / Un blanc ) cz

Dans cette formule, pour un petit échantillon dans des conditions lumineuses dans un champ environnant avec une luminance relative n par rapport au blanc, c a été choisi tel que :

Cela modélise qu'un échantillon apparaîtra plus sombre sur un fond clair que sur un fond sombre. Voir effet de contraste pour plus d'informations sur le sujet. Quand n =1/5, cz = 1, représentant l'hypothèse que la plupart des scènes ont une luminance relative moyenne de 1/5par rapport au blanc brillant, et que par conséquent un échantillon dans un tel environnement devrait être perçu à sa juste luminosité. La quantité A modélise la réponse du cône achromatique ; cela dépend de la couleur, mais pour un échantillon gris dans des conditions lumineuses, cela correspond à :

N bb est un facteur de fudge normalement égal à 1 ; cela n'est préoccupant que lorsque l'on compare des jugements de luminosité basés sur des blancs de référence légèrement différents.

Ici Y est la luminance relative par rapport au blanc sur une échelle de 0 à 1 et L A est la luminance moyenne du champ visuel adaptatif dans son ensemble, mesurée en cd/m 2 . La réponse achromatique suit une sorte de courbe en S, allant de 1 à 123, nombres qui découlent de la façon dont les réponses des cônes sont moyennées et qui sont finalement basés sur une estimation approximative de la plage utile d'influx nerveux par seconde, et qui a une plage intermédiaire assez large où il suit approximativement une courbe de racine carrée. La luminosité selon CIECAM97s est alors :

Q = (1,24 / c) (J/100) 0,67 (A blanc + 3) 0,9

Le facteur 1,24/c est un facteur surround qui reflète le fait que les scènes apparaissent plus lumineuses dans des conditions environnantes sombres. Des suggestions pour un modèle plus complet, CIECAM97C, ont également été formulées, pour prendre en compte plusieurs effets dans des conditions extrêmement sombres ou lumineuses, un éclairage coloré, ainsi que l'effet Helmholtz-Kohlrausch, où les échantillons hautement chromatiques apparaissent plus clairs et plus lumineux par rapport à un gris neutre. Pour modéliser ce dernier effet, dans CIECAM97C, la formule de J est ajustée comme suit :

J HK = J + (100 – J) (C / 300) |sin(½h – 45°)|, où C est la saturation et h l'angle de teinte

Q est alors calculé à partir de J HK au lieu de J. Cette formule a pour effet d'augmenter la luminosité et la luminosité des échantillons colorés. Plus le chroma est grand, plus l'effet est fort ; pour des couleurs très saturées, C peut être proche de 100 voire supérieur. Le terme sinus absolu a une vallée en forme de V pointu avec un zéro au jaune et un large plateau dans les bleus profonds.

2002

La réponse achromatique dans les CIECAM97 est une addition pondérée des réponses des cônes moins 2,05. Étant donné que le terme de bruit total s'élève à 3,05, cela signifie que A et par conséquent J et Q ne sont pas nuls pour le noir absolu. Pour résoudre ce problème, Li, Luo & Hunt ont suggéré de soustraire 3,05 à la place, de sorte que l'échelle commence à zéro. Bien que les CIECAM97 aient été un modèle réussi pour stimuler et orienter la recherche colorimétrique, Fairchild a estimé que pour des applications pratiques, certains changements étaient nécessaires. Celles pertinentes pour les calculs de luminosité étaient de, plutôt que d'utiliser plusieurs valeurs discrètes pour le facteur d'environnement c, de permettre une interpolation linéaire de c et ainsi permettre au modèle d'être utilisé dans des conditions d'environnement intermédiaires, et de simplifier z pour supprimer le cas particulier des grands stimuli parce qu'il a estimé qu'il n'était pas pertinent pour les applications d'imagerie. Sur la base des résultats expérimentaux, Hunt, Li, Juan et Luo ont proposé un certain nombre d'améliorations. Ce qui est pertinent pour le sujet à l'étude, c'est qu'ils ont suggéré d'abaisser légèrement z. Li et Luo ont découvert qu'un espace colorimétrique basé sur un tel CIECAM97 modifié utilisant la luminosité comme l'une des coordonnées était plus uniforme sur le plan de la perception que CIELAB. En raison de la forme de la courbe S de réponse du cône, lorsque la luminance d'une couleur est réduite, même si sa composition spectrale reste la même, les différentes réponses des cônes ne changent pas tout à fait au même rythme les unes par rapport aux autres. Il est donc plausible que la teinte et la saturation perçues changent à de faibles niveaux de luminance. Mais CIECAM97s prédit des écarts beaucoup plus importants que ce que l'on pense généralement probable et donc Hunt, Li et Luo ont suggéré d'utiliser une courbe de réponse conique qui se rapproche d'une courbe de puissance pour une gamme de stimuli beaucoup plus large, de sorte que la teinte et la saturation soient mieux préservées. Toutes ces propositions, ainsi que d'autres relatives à la chromaticité, ont abouti à un nouveau modèle d'apparence de couleur, CIECAM02. Dans ce modèle, la formule de la légèreté reste la même :

J = 100 (Un échantillon / Un blanc ) cz

Mais toutes les quantités qui entrent dans cette formule changent d'une manière ou d'une autre. Le paramètre c est maintenant variable en continu comme discuté ci-dessus et z = 1,48 + n. Bien qu'il soit supérieur à z dans les CIECAM97, le facteur de puissance effectif total est très similaire car le facteur de puissance effectif de la réponse achromatique est beaucoup plus faible :

Comme précédemment, cette formule suppose des conditions lumineuses. Mis à part 1220, qui résulte d'une constante de réponse de cône arbitrairement supposée, les diverses constantes de CIECAM02 ont été ajustées à des ensembles de données expérimentales. L'expression de la luminosité a également considérablement changé :

Notez que contrairement à la suggestion de CIECAM97C, CIECAM02 ne contient aucune disposition pour l'effet Helmholtz-Kohlrausch.

Autres effets psychologiques

Cette perception subjective de la luminance de manière non linéaire est une chose qui rend la compression gamma des images intéressante. A côté de ce phénomène, il existe d'autres effets impliquant la perception de la légèreté. La chromaticité peut affecter la légèreté perçue comme décrit par l'effet Helmholtz-Kohlrausch . Bien que l'espace CIELAB et ses proches ne tiennent pas compte de cet effet sur la luminosité, il peut être impliqué dans le modèle colorimétrique de Munsell. Les niveaux de lumière peuvent également affecter la chromaticité perçue, comme avec l' effet Purkinje .

Voir également

Remarques

Les références

Liens externes

Médias liés à la légèreté sur Wikimedia Commons