Сколько цветов и оттенков может различать человеческий глаз в одной сцене?

матдм

Сколько цветов и оттенков может различать человеческий глаз в одной сцене?

Сколько различных цветов, оттенков, тонов и полутонов может различить средний человек в одной сцене? Другими словами, какая теоретическая битовая глубина необходима для записи фотографии со всей визуальной информацией, которую может воспринять человек?

Я видел ответы в диапазоне от 200 000 до 20 000 000, и трудно разобраться в авторитетности. И термин «цвет» неоднозначен — имеется в виду только оттенок или сюда входят также различия в насыщенности и светлоте?

эрудита

Я уверен, что была собрана статистика для «Теста Фарнсворта Манселла 100 оттенков». Вот дрянная онлайн-версия, на которую, я уверен, повлияла калибровка монитора: xrite.com/custom_page.aspx?PageID=77&Lang=en

джриста

При обсуждении количества цветов, воспринимаемых человеческим глазом, я обычно имею в виду 2,4 миллиона цветов цветового пространства CIE 1931 XYZ. Это довольно надежное, научно обоснованное число, хотя я допускаю, что оно может быть ограничено контекстом. Я думаю, что человеческий глаз может быть чувствителен к 10-100 миллионам различных «цветов» , когда речь идет как о цветности, так и о яркости.


Я буду основывать свой ответ на работе, проделанной CIE, которая началась в 1930-х годах и снова продвинулась в 1960-х, с некоторыми улучшениями алгоритмов и точности формул за последние пару десятилетий. Когда дело доходит до искусства, включая фотографию и печать, я думаю, что работа, проделанная CIE, особенно актуальна, поскольку она является основой цветокоррекции и современных математических моделей цвета и преобразования цветового пространства.

CIE, или Международная комиссия по освещению , в 1931 году установила цветовое пространство CIE 1931 XYZ .". Это цветовое пространство представляло собой график полной чистоты цвета, нанесенный на карту от 700 нм (ближний инфракрасный красный) до 380 нм (ближний ультрафиолетовый) и прошедший через все длины волн "видимого" света. Это цветовое пространство основано на человеческом зрении. , который представляет собой три стимула, создаваемого тремя типами колбочек в наших глазах: колбочками с короткой, средней и длинной длиной волны, которые соответствуют длинам волн 420–440 нм, 530–540 нм и 560–580 нм Эти длины волн соответствуют синему, зеленому , и желто-красные (или оранжево-красные) основные цвета (красные колбочки немного уникальны тем, что их чувствительность имеет два пика, первый в диапазоне 560–580 нм, а второй — в диапазоне 410–580 нм). Диапазон 440 нм.Эта чувствительность с двойным пиком указывает на то, что наши «красные» колбочки на самом деле могут быть «пурпурными» колбочками с точки зрения фактической чувствительности.) Кривые ответа на три стимула получены из поля зрения 2° центральной ямки, где наши колбочки наиболее сконцентрированы, а наше цветовое зрение при средней и высокой интенсивности освещения является максимальным.

Фактическое цветовое пространство CIE 1931 отображается на основе трехцветных значений XYZ, которые генерируются из красных, зеленых и синих производных, основанных на фактических значениях красного, зеленого и синего цветов (аддитивная модель). Трехцветные значения XYZ корректируются для «стандартный источник света», который обычно представляет собой сбалансированный по солнечному свету белый цвет 6500K (хотя исходное цветовое пространство CIE 1931 было создано для трех стандартизированных источников света A 2856K, B 4874K и C 6774K) и взвешивается в соответствии со «стандартным наблюдателем» (на основе на этом фовеальном поле зрения 2 °.) Стандартный цветовой график CIE 1931 XYZ имеет подковообразную форму и заполнен диаграммой «цветности» чистых «цветов», охватывающих диапазон оттенков от 700 нм до 380 нм, и в диапазоне насыщенности от 0 % по центру белой точки до 100% по периферии. Это "2,38 миллиона цветов , которые человеческий глаз может различить при освещении умеренно высокой интенсивности примерно такой же цветовой температуры и яркости дневного света (не солнечного света, который ближе к 5000k, а солнечного света + голубого неба, около 6500k.)


Итак, может ли человеческий глаз различать только 2,4 миллиона цветов? Согласно работе, проделанной CIE в 1930-х годах, при определенном источнике света, который соответствует интенсивности и цветовой температуре дневного света, если учесть только 2° колбочек, сосредоточенных в центральной ямке наших глаз, кажется, что мы действительно можем см. 2,4 миллиона цветов.

Однако спецификации CIE ограничены по объему. Они не учитывают разные уровни освещения, источники света разной интенсивности или цветовой температуры или тот факт, что у нас больше колбочек, разбросанных по крайней мере по 10-градусной области нашей сетчатки вокруг центральной ямки. Они также не учитывают тот факт, что периферические колбочки кажутся более чувствительными к синему, чем колбочки, сосредоточенные в центральной ямке (в основном это красные и зеленые колбочки).

Уточнения в графиках цветности CIE были внесены в 60-х и снова в 1976 году, когда «стандартный наблюдатель» был усовершенствован, чтобы включить в нашу сетчатку полное 10-градусное цветочувствительное пятно. Эти усовершенствования стандартов CIE никогда не применялись широко, и обширные исследования цветовой чувствительности, которые были проведены в связи с работой CIE, в значительной степени ограничивались исходным цветовым пространством CIE 1931 XYZ и графиком цветности.

Учитывая ограничение цветовой чувствительности всего лишь 2-градусным пятном в центральной ямке, существует большая вероятность того, что мы можем видеть более 2,4 миллиона цветов, особенно синих и фиолетовых. Это подтверждается усовершенствованием цветовых пространств CIE в 1960-х годах .


Тон, который, возможно, лучше обозначить как светимость (яркость или интенсивность цвета), является еще одним аспектом нашего зрения. Некоторые модели сочетают в себе цветность и яркость, в то время как другие отчетливо разделяют их. Человеческий глаз содержит сетчатку, состоящую из колбочек… «цветочувствительных» устройств, а также палочек, которые не зависят от цвета, но чувствительны к изменениям яркости. В человеческом глазу примерно в 20 раз больше палочек (94 миллиона), чем колбочек (4,5 миллиона). Палочки также примерно в 100 раз более чувствительны к свету, чем колбочки, способные обнаруживать один фотон. Палочки, по-видимому, наиболее чувствительны к голубовато-зеленым длинам волн света (около 500 нм) и менее чувствительны к красноватым и близким к ультрафиолету длинам волн. Следует отметить, что чувствительность палочек накопительная, поэтому чем дольше человек наблюдает за статичной сценой, тем яснее уровни яркости в этой сцене будут восприняты умом. Быстрые изменения в сцене или движение панорамирования снижают способность различать тонкую градацию тонов.

Учитывая гораздо большую чувствительность палочки к свету, кажется логичным заключить, что люди обладают более тонкой и отчетливой чувствительностью к изменениям интенсивности света, чем к изменениям оттенка и насыщенности, когда кто-то некоторое время наблюдает за статичной сценой. Я не могу точно сказать, как это влияет на наше восприятие цвета и как это влияет на количество цветов, которые мы можем видеть. Простой тест на тональную чувствительность можно провести ясным дневным вечером, когда солнце садится. Цвет голубого неба может варьироваться от почти бело-голубого до глубокого темного полуночного синего. В то время как оттенок такого неба охватывает очень небольшой диапазон, тональный уровень огромен и очень прекрасен. Наблюдая такое небо, можно увидеть бесконечно плавный переход от яркого бело-голубого к небесно-голубому и к темно-синему полуночному.


Исследования, не связанные с работой CIE, показали широкий диапазон «максимальных цветов», которые может воспринимать человеческий глаз. Некоторые имеют верхний предел в 1 миллион цветов, в то время как другие имеют верхний предел в 10 миллионов цветов. Более поздние исследования показали, что у некоторых женщин есть уникальный четвертый тип колбочек, «оранжевые» колбочки, который, возможно, может увеличить их чувствительность до 100 миллионов, однако в этом исследовании при расчете «цвета» учитывались как цветность, так и яркость.

В конечном итоге возникает вопрос, можем ли мы отделить цветность от яркости при определении «цвета»? Предпочитаем ли мы определять термин «цвет» как оттенок, насыщенность и яркость света, который мы воспринимаем? Или лучше разделить их, отделить цветность от яркости? Сколько уровней интенсивности может реально увидеть глаз, и сколько явных различий в цветности? Я не уверен, что на эти вопросы действительно был дан научный ответ.


Другой аспект восприятия цвета связан с контрастом. Легко заметить разницу в двух вещах, когда они хорошо контрастируют друг с другом. При попытке визуально определить, сколько «цветов» человек видит, глядя на различные оттенки красного, может быть довольно сложно сказать, различаются ли два похожих оттенка или нет. Однако сравните оттенок красного с оттенком зеленого, и разница станет очень ясной. Сравните этот оттенок зеленого последовательно с каждым оттенком красного, и глазу будет легче уловить различия в красных оттенках как в периферическом отношении друг к другу, так и в контрасте с зеленым. Все эти факторы являются гранями видения нашего разума, который является гораздо более субъективным устройством, чем сам глаз (что затрудняет научную оценку восприятия цвета за пределами возможностей самого глаза).в контексте , чем установка без какого-либо контраста вообще.

матдм

В любом случае: 10-100 миллионов различных цветов = 24-27 бит, из которых 22 — оттенок и насыщенность.

джриста

Печальная вещь в цветовой модели RGB заключается в том, что она смешивает цветность и яркость. Вы не можете просто изменить яркость независимо от цветности, вы должны изменить цветность одновременно... они неразрывно связаны. Эта ссылка по своей сути ограничивает степень точности, которую мы можем извлечь из RGB, пока не достигнем более высокой битовой глубины за пределами 8 бит на канал ... 16 бит на канал вполне достаточно, но все же не идеально. Настоящим обломом многих тестов зрения является то, что они проводятся с компьютерами и компьютерными экранами, ИСПОЛЬЗУЯ цветовую модель RGB. Я думаю, что это в некотором роде ограничило наши измерения человеческого зрения.

матдм

@jrista: как с этим связан сдвиг Безольда-Брюке?

джриста

Я полагаю, что метод Безольда-Брюке основан только на внефовеальных тестах восприятия или тестах, которые включают внешнее чувствительное к цвету пятно 10°, но игнорируют (или недооценивают) фовеальное пятно 2° (которое имеет больше красных и зеленых колбочек). Большая концентрация синих колбочек в экстрафовеальной области может объяснить сине-желтый взвешенный сдвиг. Я не так много знаю об их исследованиях, поэтому не могу ничего сказать определенно.

матдм

@jrista: как проводятся такие тесты? В газетах я вижу справочные исследования на людях, дающие субъективные ответы, а не измерения или что-то в этом роде. Прямо сейчас я слишком устал, чтобы понимать что-либо из того, что читаю, но у меня возникает подозрение, что модель, которая разделяет цвет на оттенок, насыщенность и яркость, также имеет ограничения. Не то, чтобы это обязательно имело непосредственное отношение к моему вопросу здесь. :)

джриста

@mattdm: Каждая цветовая модель, которую мы когда-либо разрабатывали, имеет ограничения ... такова природа лучших. Были только "моделирование" реальности, не более того. До того дня, когда мы действительно сможем проводить прямые измерения внутри глаза или даже непосредственно с самих колбочек и палочек, мы, вероятно, никогда полностью не поймем цветовое зрение, и поэтому все наши модели будут так или иначе ошибочны. Для простоты обе цветовые модели HSV/B/L и RGB имеют свои ограничения. RGB — это ужасный способ моделирования цвета, но отличный способ излучать или ощущать цвет, поскольку он соответствует дизайну аппаратного уровня.

джриста

Цветовые системы, которые отделяют оттенок и насыщенность от яркости, являются лучшими способами моделирования цвета, поскольку они более точно соответствуют тому, как мы видим. С технической точки зрения модель Lab является наиболее релевантной для восприятия моделью, поскольку она имеет ось зеленого/пурпурного цвета и ось синего/желтого цвета, которые являются диаметрально противоположными полюсами и не могут использоваться для представления обоих основных цветов одновременно. в одно и то же время (т.е. вы можете иметь либо пурпурный, либо зеленый цвет, но не оба одновременно). Светимость представлена ​​третьей осью в другой плоскости. Продолжить ->

джриста

L a b* примерно настолько близок, насколько это возможно, к двум цветовым осям и оси интенсивности человеческого зрения, поэтому это единственная цветовая модель/пространство, используемая для вычисления хроматически адаптированного цветового различия, что имеет решающее значение для согласования цветов. преобразование цветового пространства, разработка перцептивно точной цветовой модели (например, цветовые модели для струйной печати) и т. д. С другой стороны, HSL, HSB, YCC и т. д. не очень хороши для излучения или восприятия цвета, поскольку их сложно или невозможно разработать устройство таким образом, чтобы сделать это возможным. Распознавание определенных цветов (например, RGB) проще и дешевле.

джриста

Что касается того, как проводятся проверки зрения, это связано с полем зрения. Многие тесты цветового зрения используют темный экран и излучают точки света под определенными углами в определенном поле зрения. Вы можете стимулировать только область 2-10° вокруг фовеального пятна, или только фовеальное пятно, или стимулировать крайние периферические области сетчатки. Сходите к офтальмологу и пожалуйтесь на обширные проблемы со зрением... таким образом вы многое узнаете о зрении и проверке зрения. У меня в глазах что-то, называемое волокнистыми мутными массами, которые наносят ущерб моему зрению. Я сделал все тесты.

чб

@jrista - потрясающий, увлекательный ответ. Обычно я просматриваю или пропускаю многословные ответы (по первому абзацу, как вы знаете, мало что будет сказано), но в итоге хотелось, чтобы этот ответ был намного длиннее и подробнее . Есть еще ссылки на статьи по этому поводу? В любом случае, спасибо за это превосходное объяснение.

джриста

@bill: На эту тему есть много информации. В сети есть как минимум сотни, если не тысячи, сайтов и страниц, посвященных цвету, цветовым моделям и моделированию, цветовым пространствам, зрению, устройству и возможностям глаза, субъективным аспектам того, как наш мозг обрабатывает то, что наши глаза забрать и т. д. У меня может быть больше ссылок в старых архивах моих закладок дома ... Однако я давно не просматривал этот материал.

Красный Песчаный Кирпич

150: количество оттенков, которые глаз может различать в спектре.

1 000 000: количество цветов (сочетаний оттенка, насыщенности и яркости), которые глаз может различать в оптимальных лабораторных условиях.

С сайта www.visualexpert.com

Однако это представляется спорным вопросом.

матдм

Интересно, что, указав число один миллион, этот сайт продолжает: «Это только оценка, поскольку было бы невозможно на самом деле протестировать все возможные комбинации. Некоторые даже считают, что это число достигает 7 000 000».

матдм

Конкретный аспект этого сайта — различие между цветами по юридическим причинам — также интересен. Эта тема имеет довольно широкое применение. :)

матдм

Итак, этот сайт предлагает 20 бит, 22, если мы возьмем большее число. 8 бит посвящены оттенку.

Ник Бедфорд

Я бы сказал, что они правильно поняли, когда решили, что 24-битной точности достаточно для мониторов. Я знаю, что могу видеть 18-битный цвет панели TN, но 24-битный цвет настолько плавный, насколько я могу видеть на практике.

пользователь4574

Пара моментов.

  1. Один миллион различимых цветов, даже если это правда, в лучшем случае относится к идеальным лабораторным условиям. В реальном мире число, несомненно, будет намного меньше. Вы можете смело игнорировать все эти разговоры о миллионах цветов.

  2. В фотографии динамический диапазон — это крошечная часть динамического диапазона сцены, поэтому вы все равно не сможете воспроизвести многие цвета. Все технологии резко перечисляют диапазон цветопередачи. Особенно принты.

  3. Количество необходимых битов зависит не только от количества цветов. Цветовое пространство не является линейным (см. закон Вебера, закон Фехнера, эллипсы МакАдама и т. д.), поэтому вы не можете просто разбить цветовое пространство на серию шагов одинакового размера в зависимости от количества битов. Вам всегда потребуется намного больше битов, чем предполагает количество цветов. 24 бита дают 16 миллионов цветов, но все равно не дают хороших изображений. Вам нужно как минимум 10 или 12 бит на цвет, чтобы создать плавные градиенты без полос.

матдм

№ 3 - это вопрос кодировки. Вам никогда не понадобится больше битов, чем размер данных.

пользователь4574

«#3 — это вопрос кодирования. Вам никогда не понадобится больше битов, чем размер данных». С практической точки зрения вы не правы. Нелинейный отклик глаза и большинства устройств отображения гарантирует, что большая часть уровней верхнего и нижнего пределов будет потрачена впустую. Многие цветовые уровни будут давать неразличимые цвета. Есть несколько способов обойти это с помощью специализированного оборудования, которое отображает данные высокого разрешения в старших 8 битах, но, сделав это, я обнаружил, что это не стоит усилий.

джриста

@mattdm: Я думаю, ты неправильно понимаешь, что он говорит. Искусство правильно в своем утверждении, что цветовое пространство нелинейно (если вы посмотрите на цветовой график CIE 1931 XYZ, вы увидите, что он имеет изогнутую форму с большей площадью, отведенной для зеленых оттенков). Я думаю, что Искусство имеет в виду следующее. вы должны выделить больше битов для зеленого, чем для синего или красного, чтобы полностью реализовать потенциал цветового пространства. Использование 10 или 12 бит на канал помогает достичь этого, хотя это все же не идеальное распределение битов на цвет. Я бы не согласился с пунктом 1... но это тема для другого дня.

матдм

Ключ "шаги одинакового размера". То, что вы не можете этого сделать, не означает, что вам нужно больше точности, чем данных. Вам просто нужна правильная кодировка. Но я абсолютно согласен с тем, что могут быть практические причины для использования большего количества битов и менее эффективного кодирования. (См. наше предыдущее длинное обсуждение очень неэффективного рабочего пространства scRGB.)

Марк Рэнсом

@mattdm у тебя есть ссылка на это обсуждение? Является ли обычная гамма-коррекция недостаточной для выравнивания битовых значений с реакцией глаза?

Корнелий Скарабеус

Чтобы дать вам представление: большинство мониторов утверждают, что способны отображать примерно 16 миллионов цветов. Более дешевые панели на самом деле имеют только 6 бит на канал и используют дизеринг для микширования 16 миллионов. Это на самом деле заметно! (некоторые используют анимированный дизеринг, там вы можете увидеть это как легкий эффект мерцания) Истинные 24 бита (8 на канал), на мой взгляд, действительно необходимы для приятных плавных цветовых переходов.

«Что, в свою очередь, поднимает вопрос: действительно ли форматы, использующие 48 бит, 16 на канал, намного больше, чем необходимо?»

  • Это зависит от того, для чего вы хотите его использовать. Просто для отображения на экране, да. Но если вы хотите работать с изображением или в качестве входного формата, нет.

Марк Рэнсом

Мне еще предстоит найти монитор, который не показывает полосы на этом специально созданном изображении: markblog.com/gradient-noise . Эти полосы отличаются одним битом в 8-битном цветовом пространстве. Что касается 16 бит на канал, то они обычно используют линейное цветовое пространство, а не гамма-корректированное, поэтому в нижнем диапазоне эти биты не так бесполезны, как кажутся.