Цветовые координаты системы и цветность. Цветовая модель

Трехмерная природа восприятия цвета позволяет отображать его в прямоугольной системе координат. Любой цвет можно изобразить в виде вектора, компонентами которого являются относительные веса красного, зеленого и синего цветов, вычисленные по формулам

Поскольку эти координаты в сумме всегда составляют единицу, а каждая из координат лежит в диапазоне от 0 до 1, то все представленные таким образом точки пространства будут лежать в одной плоскости, причем только в треугольнике, отсекаемом от нее положительным октантом системы координат (рис. 2.5 а). Ясно, что при таком представлении все множество точек этого треугольника можно описать с помощью двух координат, так как третья выражается через них посредством соотношения

Таким образом, мы переходим к двумерному представлению области, т.е. к проекции области на плоскость (рис. 2.5 б).

Рис. 2.5.

С использованием такого преобразования в 1931 г. были выработаны международные стандарты определения и измерения цветов. Основой стандарта стал так называемый двумерный цветовой график МКО. Поскольку, как показали физические эксперименты, сложением трех основных цветов можно получить не все возможные цветовые оттенки, то в качестве базисных были выбраны другие параметры, полученные на основе исследования стандартных реакций глаза на свет. Эти параметры - - являются чисто теоретическими, поскольку построены с использованием отрицательных значений основных составляющих цвета. Треугольник основных цветов был построен так, чтобы охватывать весь спектр видимого света. Кроме того, равное количество всех трех гипотетических цветов в сумме дает белый цвет. Координаты цветности строятся так же, как и в приведенной выше формуле:

При проекции этого треугольника на плоскость получается цветовой график МКО. Но координаты цветности определяют только относительные количества основных цветов, не задавая яркости результирующего цвета. Яркость можно задать координатой , а определить исходя из величин , по формулам

Цветовой график МКО приведен на рис. 2.6 . Область, ограниченная кривой, охватывает весь видимый спектр, а сама кривая называется линией спектральных цветностей. Числа, проставленные на рисунке, означают длину волны в соответствующей точке. Точка , соответствующая полуденному освещению при сплошной облачности, принята в качестве опорного белого цвета.

Цветовой график удобен для целого ряда задач. Например, с его помощью можно получить дополнительный цвет: для этого надо провести луч от данного цвета через опорную точку до пересечения с другой стороной кривой (цвета являются дополнительными друг к другу, если при сложении их в соответствующей пропорции получается белый цвет). Для определения доминирующей длины волны какого-либо цвета также проводится луч из опорной точки до пересечения с данным цветом и продолжается до пересечения с ближайшей точкой линии цветностей.

Для смешения двух цветов используются законы Грассмана. Пусть два цвета заданы на графике МКО координатами и . Тогда смешение их дает цвет . Если ввести обозначения , то получим

Так или иначе, работая с любыми изображениями (фотографии, макет печатной или интернет страницы, рисунки и т.д.), приходится иметь дело с цветом. Перед тем, как ознакомиться с системами управления цветом , необходимо понять суть процессов, которые лежат в их основе. Данная статья будет полезна не только новичкам в области цифровых изображений, но и опытным профессионалам, поскольку она поможет систематизировать много накопленных знаний и поможет прояснить некоторые детали.

Для начала попробуем дать определение понятию, которое нас сейчас больше всего интересует — это цвет.

Цвет — это электромагнитное излучение, которое наши глаза могут воспринять и различить по длине волны. Да, но данное утверждение не объясняет существование пурпурного цвета, которого нет в спектре.

Цвет — это способность поверхности предмета избирательно отражать излучение, которое на него падает. Да, но цветная фотография при слабом освещении воспринимается почти черно-белой, а при солнечном свете — насыщенно полноцветной.

Цвет — это спектральный состав видимого электромагнитного излучения. Да, но разные (иногда существенно) по спектральному составу излучения могут вызвать ощущение одинакового цвета.

Приведённые выше определения в первую очередь приходят на ум большинству людей, однако, как видим, все они не дают исчерпывающего определения цвета и не являются точными.

Достаточно полное определение понятия "цвет", будет следующим:

цвет — это ощущение , которое возникает в сознании человека при воздействии на его органы зрения электромагнитного излучения видимого диапазона спектра.

То есть излучение определённого спектрального состава — это лишь стимул для наших глаз, а цвет — это уже ощущение , которое возникает в нашем сознании вследствие действия такого стимула. Нужно чётко различать понятия цветового стимула и непосредственно цвета.

Здесь может возникнуть вопрос: почему бы не использовать для точного описания цвета измеренное спектральное распределение излучения, если именно оно и вызовет в нашем сознании ощущение цвета? То есть, описывать цвет стимулом, который его вызывает. Во-первых, такой способ не будет удобным, поскольку один стимул будет задаваться около 35-ю значениями спектрального коэффициента пропускания, отражения или излучения (т.е. диапазона 390-740 нм с шагом 10 нм). Во-вторых, и важнее всего, такой способ описания цвета никак не учитывает особенности восприятия видимого излучения нашей зрительной системой. Проиллюстрировать это можно следующим рисунком, который показывает спектральные коэффициенты отражения двух предметов (чёрный и белый график соответственно):

Попробуйте проанализировать эти два графика, и сказать, какого цвета будут восприниматься поверхности этих двух тел и насколько эти цвета будут отличаться друг от друга. Единственным выводом, который, как кажется лежит на поверхности, является то, что эти два тела, скорее всего разного цвета. Такой вывод напрашивается из-за существенной разницы кривых спектральных коэффициентов отражения. Однако, приведённые на графике стимулы будут восприниматься нами абсолютно идентичным цветом. Такие два стимула называются метамерными . Явление метамерности нельзя объяснить исключительно физикой или оптикой, поэтому, для того чтобы интерпретировать данные спектральных измерений необходимо знать, как будет реагировать зрительная система человека на различные цветовые стимулы.

Чтобы учесть особенности восприятия цветовых стимулов и решить вопрос измерений цвета, в 1931 г. Международная комиссия по освещению CIE (Commission Internationale de l"Eclairage) предложила систему, которая учитывает восприятие цветовых стимулов так называемым Стандартным наблюдателем CIE , который характеризует цветовое восприятие среднестатистического человека с нормальным зрением.

Совокупность данных, которые определяют Стандартного наблюдателя CIE были получены опытным путём на определённом количестве реальных наблюдателей. Но каким образом исследователям удалось измерить ощущение цвета под действием нужных стимулов, если прямое измерение такой величины, как "ощущение" на человеке провести невозможно?

Поскольку, каждая наука начинается с измерений, колориметрия не могла обойтись только субъективными данными о цвете, который может выразить человек (яркий, тусклый, красный, бледный, голубоватый и т.п.). Компьютеры также могут работать только с числами, поэтому, необходимость измерить ощущение цвета человеком представляет не только научный интерес, но и нужна для практической деятельности.

В 20-х годах ХХ века, независимо друг от друга, учёные Гилд и Райт провели серию экспериментов с целью изучения цветового зрения человека. Опыты проводились с помощью устройства, схематично показанного на рисунке:

Работа такого устройства (визуального колориметра) основана на принципе аддитивного синтеза цвета, по которому, добавляя два или больше излучения друг к другу (например на экране), можно получить ощущение определённого количества цветов, регулируя при этом яркость каждого из этих основных излучений. Подбирают такие основные стимулы исходя из необходимости воспроизвести как можно большее количество цветов при наименьшем количестве этих основных излучений. Стандартный наблюдатель CIE был получен относительно трёх спектрально чистых стимулов, которые вызывают ощущение красного, зелёного и синего цветов (R, G, B) с длинами волн 700, 546,1 и 435,8 нм соответственно.

Эти три излучения проецируются на верхнюю часть экрана, а излучение, чувство цвета от которого пытались измерить — на нижнюю. Участникам опыта необходимо было получить ощущение одинакового цвета на обеих частях поля, регулируя при этом яркость трёх основных излучений. Количества (яркости) основных излучений, которые вызывают чувство нужного цвета и является числовыми значениями (координатами) этого цвета. То есть исследователям удалось измерить ощущение цвета , путём его воспроизведения и визуального оценивания человеком.

Однако, оказалось, что значительную часть монохроматических излучений невозможно воспроизвести этим способом. Чтобы обойти это ограничение и измерить координаты цвета этих не достижимых данным способом стимулов, одно из основных излучений проектировалось не на верхнюю, а на нижнюю часть экрана, "загрязняя" тем самым спроектированный на него исследуемый стимул. Принцип измерения цвета не меняется при этом: также необходимо регулировать яркость основных излучений для достижения цветового равенства между двумя полями устройства. В таком случае, количество основного излучения, спроектированного на изучаемое (нижняя часть поля), берётся со знаком минус, то есть появляется отрицательная координата цвета.

Измерив координаты цвета всех спектрально чистых излучений видимой зоны спектра мы получим координатную систему всех возможных цветов. Присутствие в этой системе отрицательных координат делало её неудобной в использовании, поскольку большинство вычислений в то время проводились вручную. Это было одной из причин создания системы XYZ, в которой все координаты цвета имеют положительные значения.

Система XYZ также базируется на аддитивном смешивании стимулов, однако, в отличие от системы RGB, которая использовалась в описанном выше визуальном колориметре, в XYZ используются нереальные, математически описанные стимулы, которые подобраны с целью облегчения расчётов. То есть при получении системы XYZ использовались не опыты, а математические преобразования данных опытов Гилда и Райта. Координаты цвета XYZ не имеют отрицательных значений, и именно эта система используется для описания Стандартного наблюдателя CIE.

Данные XYZ могут быть получены измерением на колориметрах, которые имеют непосредственно проградуированные в XYZ шкалы (это возможно, несмотря на нереальность основных стимулов XYZ), или путём проведения вычислений по данным спектрального распределения энергии отражения, пропускания или излучения. Проведя вычисления координат цвета приведённых выше метамерных кривых в системе XYZ, мы получим одинаковые координаты цвета этих двух стимулов. Независимо от спектрального распределения, стимулы, вызывающие ощущение одинакового цвета, будут иметь одинаковые координаты цвета XYZ. То есть эта система описывает, как будут восприниматься цветовые стимулы нашей зрительной системой и её можно использовать для числового описания цвета.

На практике, чаще всего, используется производная от XYZ координатная система — xyY , которая была получена простым пересчётом с XYZ:

где x и y — координаты цветности, а Y — коэффициент яркости, который остаётся без изменений (задание яркости цвета величиной Y было заложено при создании системы XYZ).

Цветность — двухмерная величина, которая включает в себя понятие цветового тона и насыщенности. Именно диаграммы цветности xy можно чаще всего увидеть при графическом показе координат цвета. Данная диаграмма приведена на следующем рисунке:

Чёрная замкнутая кривая — это координаты цветности всех спектрально чистых и пурпурных стимулов. Внутри неё находятся все другие цвета, насыщенность которых падает с приближением к белой точке (например для дневного света белая точка имеет координаты xy 0,31 та 0,33 соответственно).

Диаграмма xy позволяет наглядно показать цветность различных стимулов, цветовые охваты устройств и сравнить их. Однако данная диаграмма имеет один существенный недостаток: одинаковые расстояния на графике не соответствуют одинаковой цветовой разнице, которую испытывает наша зрительная система. Такая неравномерность проиллюстрирована двумя белыми отрезками на предыдущем рисунке. Длины этих отрезков соответствуют ощущению одинаковой разницы цветности. Иными словами, одно и то же расстояние на графике в одной его зоне, может восприниматься чётко заметной разницей в цвете, тогда как в другой зоне — никакая разница наблюдаться не будет.

Для преодоления этого недостатка, комитетом CIE в 60-70-х годах ХХ века была разработана серия равноконтрастных (равномерных для восприятия) графиков и шкал, в которых единица шкалы всегда соответствует одинаковой разнице цветового ощущения. Самой распространённой среди них является система CIE LAB, или L*a*b* или просто Lab. Эта система равноконтрастна не только в отношении цветности, но и относительно восприятия яркости стимулов, т.е. светлоты. Величина L* — равноконтрастная шкала светлоты, тогда как a* и b* — равномерные шкалы цветности. Поскольку данная система трёхмерная, её принято называть цветовым пространством Lab.

Пространство Lab получено путём математических преобразований пространства XYZ, то есть данные Lab можно получить из данных XYZ или xyY, и наоборот.

Важным преимуществом пространства Lab, которое следует из его равноконтрастности, является возможность численно задать различие сравниваемых цветов. Величиной этого отличия будет обычное геометрическое расстояние между координатами этих цветов, которая обозначается как ΔE .

Узнать, каким образом цветовые координатные системы XYZ и Lab используются современными системами управления цветом, а также получить инструкции и советы по их настройке, можно прочитав этого сайта.

В основе современного учения о цвете лежит теория Гельмгольца и Геринга о трехцветных цветовых ощущениях. Принятая в настоящее время теория цветности базируется на трех законах сложения цветов, установленных Грассманом.

В соответствии с первым законом любой цвет можно рассматривать как совокупность трех линейно независимых цветов, т. е. таких трех цветов, из которых ни один не может быть получен сложением двух других.

Из второго закона следует, что вся цветовая гамма непрерывна, т. е. не может существовать цвет, не примыкающий к другим цветам. Путем непрерывных изменений излучения любой цвет может быть превращен в другой.

Третий закон сложения цветов гласит, что какой-то цвет, полученный путем сложения нескольких компонентов, зависит только от их цветов и не зависит от их спектральных составов. На основании этого закона один и тот же цвет может быть получен путем разных сочетаний других цветов. Общепринятым является в настоящее время рассматривать любой цвет как совокупность синего, зеленого и красного, являющихся линейно независимыми. Однако, согласно третьему закону смешения цветов, существует бесчисленное множество других комбинаций из трех линейно независимых цветов.

Международной комиссией по освещению (МКО) в качестве трех первичных цветов приняты цвета монохроматических излучений с длинами волн 700, 546,1 и 435,5 нм, обозначаемые R , G , B .

Если эти три первичных цвета расположить в пространстве в виде трех векторов, исходящих из одной точки, обозначив соответствующие единичные вектора r , g , b , то любой цвет F , можно выразить в виде векторной суммы:

F=Rr+Gg+Bb

где R , G , B - модули цветов, пропорциональные количеству первичных цветов в полученном суммарном цвете; эти модули называют координатами цвета.

Координаты цвета однозначно характеризуют цвет, т. е. человек не ощущает разницы в цветах, имеющих одинаковые координаты. Однако равные координаты цвета вовсе не означают одинакового спектрального состава. Образцы, цвет которых характеризуется разными спектрами, но имеющие одинаковые координаты цвета, называются метамерными . Воспринимаемый человеком цвет окрашенного образца зависит от того, в свете какого источника он рассматривается. Метамерные образцы, кажущиеся одинаковыми по цвету в свете одного источника, различаются в свете другого.

Для выражения данных измерения цвета принята система X , Y , Z . В этой системе за три первичных приняты цвета, реально не существующие, но линейно связанные с цветами R,Gи В.
Цвет в системе Х YZ выражается векторной суммой:

F = Хх +Yy + Zz

В отличие от системы RG В все реальные цвета в системе Х YZ имеют положительные координаты. Яркости первичных цветов х и y приняты равными нулю, поэтому яркость цвета F может быть охарактеризована лишь одной координатой цвета Y ,

Удельные координаты спектрально чистых цветов различной длины волны (удельные координаты цвета) приведены на рис.

Отношение координаты цвета к сумме всех трех координат называется координатой цветности. Координаты цветности, соответствующие координатам цвета, обозначаются х , у, z

x=X/(X+Y+Z) и т.д.

Очевидно, что:

х + у + z =1

Также очевидно, что координаты цветности остаются неизменными при пропорциональном увеличении или уменьшении всех координат цвета. Таким образом, координаты цветности однозначно характеризуют только цветность, но не учитывают яркости цвета. То, что сумма всех координат цветности равна единице, позволяет использовать для характеристики цветности только две координаты, что, в свою очередь, дает возможность графически изображать цветность в декартовых координатах.

Графическое изображение цветности в координатах х , у называется цветовым графиком (рис).

На цветовом графике нанесены точки, соответствующие спектрально чистым цветам. Они располагаются на незамкнутой кривой. Белому цвету соответствует точка С с координатами цветности х = 0,3101 и у = 0,3163. Концы кривой стягиваются отрезком, на котором располагаются пурпурные тона, отсутствующие в спектре. Длина волны пурпурного тона обозначается цифрой со штрихом и равна длине волны дополнительного цвета, т. е. цвета, расположенного в точке на пересечении прямой, проходящей через точку данного пурпурного цвета и точку С , с кривой спектрально чистых цветов. На отрезках, соединяющих точку белого цвета с точками на периферии диаграммы, расположены цвета одного цветового тона.

Цветовой тон (доминирующая длина волны) - эта длина волны, соответствующая максимуму на спектре отражения образца (или спектра пропускания прозрачного образца), или длина волны монохроматического излучения, которое должно быть добавлено к белому для того, чтобы получить данный цвет.

Чистота цвета (насыщенность) какого-либо цвета определяется как отношение яркости монохроматической составляющей к сумме яркостей монохроматической и белой составляющих. Яркость - это величина, характеризующая количество света, отраженного от образца. Как уже отмечалось, за яркость в трехцветной системе принимают значение координаты цвета Y .

Если мы возьмем на цветовом графике какой-нибудь цвет и обозначим его точкой а, то его суммарная яркость будет равна Y а , а яркость монохроматической составляющей, пропорциональная относительному удалению цвета от точки белого цвета, выразится соотношением: Yll2/(l1+l2).

Таким образом, цвет можно характеризовать тремя способами, используя в любом случае для его характеристики три величины:

1) координаты цвета X , Y , Z ,

2) координаты цветности х и у в совокупности с координатой цвета Y;

3) цветовой тон l , чистоту цвета р и яркость Y .

Измерение белизны.
Одним из основных показателей белых пигментов и наполнителей является их белизна. Белизной называют степень приближения цвета к идеально белому. Идеально белой называют поверхность, диффузно отражающую весь падающий на нее свет во всей видимой области спектра. Однако за эталон может быть принят и другой предпочтительный белый образец.

Существует довольно много различных спектрофотометрических и колориметрических методов оценки белизны. Чаще всего для оценки белизны белых пигментов используются значения цветовых различий между измеряемым образцом и принятым эталоном. Белизна W в этом случае вычисляется по формуле:

DЕ – полное цветовое различие.

Рис. 6.10. Схема расчета цветовых координат по общему методу Рис. 6.11. Схема расчета цветовых координат методом избранных ординат Рис. 6.12. Пороговый эллипс: Ц - базовый цвет; A, B, C, D, E, F, G, H, I - цвета, отличающиеся от базового на один порог Рис. 6.13. Пороговые эллипсы Мак-Адама Рис. 6.14. Равноконтрастный цветовой график UV Рис. 6.15. Цветовое тело Lab и диаграмма ab Рис. 6.16. Пороги цветоразличения в субтрактивном синтезе: 1 - ненасыщенные цвета; 2- насыщенные; 3 - памятные

Для воспроизведения цвета необходимо знать характеристики как воспроизводимого объекта, так и полученного результата (например, цветной оригинал и его репродукция). В этом случае для оценки качества нельзя обойтись без цветовых измерений, без строгого описания цвета. Учение об измерении цвета называется колориметрией или метрологией цвета.

Теория цвета использует в основном два способа описания цвета - с помощью колориметрических систем и систем спецификаций. В данном разделе будут рассмотрены только принципы построения колориметрических систем.

Один из способов определения цвета основан на измерении его по принципу синтеза. В приборах - колориметрах (подробнее они рассматриваются в подразд. 8.1), где реализован этот принцип, с помощью трех основных синтезируется цвет, тождественный измеряемому.

Две грани призмы образуют фотометрическое поле. На одну половину поля направляют измеряемое излучение Ц, а на другую - основные R, G, В. Регулируя количества основных, цвета обеих половин поля можно уравнять. Зная характеристики светопоглощающих устройств (диафрагмы, клинья), можно найти количества основных, а по ним - координаты измеряемого цвета. Определив Цветовые координаты, легко воспроизвести сам цвет.

Иногда вместо цветовых координат определяют психофизические характеристики цвета: доминирующую длину волны, чистоту цвета и яркость. Их определение основано на том, что спектр содержит все цвета, кроме пурпурных. Поэтому к любому световому пучку можно подобрать спектральный цвет, тождественный измеряемому по цветовому тону. На рис. 6.1 показана схема измерения по этому принципу.

В данном случае эталоном служит монохроматическое излучение М, выделенное из спектра. Так как измеряемый и монохроматический пучки могут различаться по насыщенности, то на грань призмы вместе с монохроматическим направляется еще и белое излучение Б. Зная длину волны монохроматического излучения М, его количество и количество белого, необходимых для получения цвета, тождественного Ц, находят психофизические характеристики измеряемого цвета.

Длина волны монохроматического излучения, тождественная измеряемому цвету, называется доминирующей длиной волны (опред-е">Насыщенность цвета Ц характеризуется колориметрической чистотой цвета р . Она определяет долю того монохроматического излучения, которое обеспечивает в смеси с белым зрительное тождество с рассматриваемым излучением (цветом), вычисляется по формуле

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/Blam - яркость монохроматического излучения; переход" href="part-005.htm#i1304">подразд. 5.1.7).

Выбор основных цветов, ограниченный лишь условием линейной независимости между ними, позволяет иметь неограниченно большое количество колориметрических систем.

Одной из таких систем является основная физиологическая система КЗС. В этой системе координаты цвета К, 3 и С - уровни возбуждения трех приемников глаза в единичных значениях КЗС - компонентов цвета. Особенность физиологической системы заключается в том, что в отличие от всех других систем (в том числе и тех, которые будут рассматриваться дальше) в ней любой цвет не только выражается суммой трех основных, но и определяется уровнем и соотношением реакций трех цветоощущающих рецепторов глаза (см. рис. 4.7). В связи с этим особая важность данной системы там, где есть необходимость анализа реакций цветоошущающих рецепторов, цветовой адаптации и т.д.

Основная трудность построения данной системы заключается в невозможности точного измерения спектральной чувствительности каждого из трех цветоошущающих рецепторов.

Первая колориметрическая система RGB была предложена и принята в 1931 г. международной комиссией по освещению (МКО), в литературе часто вместо МКО используется аббревиатура CIE от французского Commision Internationale de I"Eclairage). Выбор основных цветов этой системы осуществлялся исходя из следующих требований.

1. Выбранные основные должны легко воспроизводиться.

2. Каждый из выбранных основных должен возбуждать по возможности лишь одну группу цветоощущающих рецепторов.

Учитывая год разработки первой колориметрической системы, следует отметить, что в то время наиболее воспроизводимыми считались излучения газосветных ламп, из которых с помощью светофильтров легко выделялись монохроматические излучения. В связи с этим CIE в качестве основных были выбраны излучения:

красное (формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/LamG.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Для перехода к энергетическим величинам за единицы количеств основных RGB принимают не яркостные коэффициенты, а яркостные единицы: формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-2.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Учитывая, что яркости пропорциональны световым потокам, можно считать, что при соотношении световых потоков формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/219-3.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" в люменах:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/Fo-lambda.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Принимая во внимание, что опред-е">R + GG + BB . (6.1.4)

Для перехода к уравнению цветности находят модуль цвета m - сумму координат цвета (m = R + G + В) и затем каждый из членов уравнения (6.1.4) делят на модуль:

где r, g, b - координаты цветности.

Яркость цвета (формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/220-1.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

С учетом (6.1.2), переходя от яркостных единиц к яркостным коэффициентам, получим

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-7.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Сумма в скобках выражает яркость единичного цвета Ц..gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Заменяя сумму, стоящую В скобках выражения (6.1..gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Определение психофизических характеристик доминирующей длины волны и чистоты цвета в CIERGB проводят по диаграмме цветности rg, полученной при помощи кривых сложения.

Кривые сложения формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/rgb.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=") (рис. 6.2 ). Поэтому значения ординат кривых сложения называют удельными, т.е. отнесенными к единице мощности.

В CIERGB ординаты кривых сложения (удельные координаты) были установлены опытным путем. Экспериментально нахождение удельных координат осуществлялось путем подбора смеси излучений основных RGB к спектральным излучениям произвольной мощности и последующего деления их координат на мощность:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/r-lam-.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" имеет отрицательные значения в определенном участке. Это говорит о том, что для получения цветового равенства один из основных цветов должен смешиваться с исследуемым спектральным.

С помощью кривых сложения выделение">рис. 6.3

). На полученной таким образом линии (на рисунке она изображена пунктиром) лежат единичные пурпурные цвета максимальной насыщенности. Пурпурных цветов в спектре нет. Их получают искусственным путем, смешивая в различных количествах красный и фиолетовый цвета. Площадь, ограниченная локусом и пунктирной прямой, называется областью реальных цветов. Вне этой области Находятся цвета более насыщенные, чем реальные.

Как видно из рис. 6.3, цветовой треугольник rОg целиком расположен внутри области, ограниченный локусом. Все цвета, ледащие внутри треугольника, имеют положительные координаты цветности. У цветов, лежащих вне треугольника, одна из координат цветности имеет отрицательное значение. Это связано с наличием области отрицательных значений кривой сложения выделение">рис. 6.4 ). Локус замнут линией пурпурных цветов.

Данная диаграмма цветности rg характеризуется следующими колориметрическими свойствами.

1. Белая точка Б имеет координаты (0,33; 0,33).

2. Насыщенность цветов возрастает от белой точки к локусу.

3. На прямой, соединяющей белую точку с локусом, лежат цвета постоянного цветового тона.

4. Локус является границей самых насыщенных (спектральных) цветов.

Методика нахождения характеристик цвета - доминирующей длины волны и чистоты цвета - рассмотрена в подразд. 7.1.5.2 .

В заключение этого раздела следует сделать два замечания относительно системы CIERGB.

1. Рассматриваемая выше система CIERGB является колориметрической системой. Однако во встречающейся в настоящее время терминологии под "системой RGB" иногда понимают систему описания цветов, которая не является стандартной колориметрической системой. Наиболее часто это встречается в допечатных процессах при обработке цветной изобразительной информации. Цвета, так называемой в этом случае, "системы RGB" зависят от конкретного устройства, например монитора или сканера. Их нельзя охарактеризовать постоянной, конкретной длиной волны. Например, известно, что цвет в интервале длин волн от 620 нм до 700 нм является красным, и любое излучение произвольной мощности в этом интервале можно назвать "R". То же самое относится к "G" и "В". Различные мониторы один и тот же цвет могут воспроизводить по-разному, так как каждый из них имеет свои персональные характеристики (цветовую температуру, люминофоры и т.д.). Но и эти характеристики не постоянны и могут меняться со временем, а также от устройства к устройству. Поэтому аппаратно-зависимые цвета "системы RGB" не имеют никакого отношения к принятой в 1931 г. колориметрической системе RGB.

2. Колориметрическая система RGB в настоящее время практически не применяется. Ее следует рассматривать как вспомогательную, позволяющую лучше понять общие принципы метрологии цвета на основе реальных основных цветов. Поэтому ей и уделено внимание в данном учебнике.

Следует отметить, что для большинства разработанных в дальнейшем колориметрических систем основой служила именно CIERGB. Поэтому те недостатки, которые были заложены в основе этой колориметрической системы, в дальнейшем передавались и другим.

Одновременно с колориметрической системой RGB была принята еще одна. В качестве основных в ней были выбраны цвета более насыщенные, чем спектральные. В связи с тем что таких цветов в природе нет, их обозначили символами XYZ, а сама колориметрическая система получила название CIEXYZ. К разработке этой колориметрической системы побудил ряд причин, связанных с некоторыми неудобствами при работе с системой CIERGB.

Одним из недостатков системы CIERGB является наличие отрицательных координат для целого ряда реальных цветов, что затрудняет расчет цветовых характеристик по спектральным кривым. Другой существенный недостаток системы CIERGB - необходимость определения всех трех составляющих цвета для определения количественной характеристики цвета - яркости.

В связи с этим в основу построения колориметрической системы XYZ были положены следующие положения:

1) все реальные цвета должны иметь только положительные координаты;

2) яркость должна определяться одной координатой цвета;

3) координаты белого цвета равноэнергетического источника (о равноэнергетическом источнике см. в подразд. 7.1.8) должны иметь координаты 0,33; 0,33.

Путем математических преобразований с учетом вышеуказанных требований удалось осуществить переход от реальных цветов CIERGB к нереальным (сверхнасыщенным) CIEXYZ.

В соответствии со вторым условием построения колориметрической системы XYZ цвета X и Z имеют яркостные коэффициенты, равные нулю формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/Ly.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" = 1). В этом случае формула для расчета яркости В значительно упрощается:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-12.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

В общем виде уравнение цвета в CIEXYZ записывается следующим образом:

Ц = XX + YY + ZZ .

Переход к уравнению цветности в CIEXYZ осуществляется через m так же, как и в системе CIERGB (см. формулу 6.1.5):

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/xyz.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".

Как было сказано ранее, при разработке колориметрической системы XYZ было поставлено условие, что реальные цвета не должны иметь отрицательных координат..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" не имеют отрицательных значений (рис. 6.5 ). Они определяются по формулам (6.1.13) и имеют тот же смысл, что и ординаты кривых в системе CIERGB:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/y-lam-.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" совпадает по форме и положению с кривой относительной световой эффективности..gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=" объясняется условиями преобразования CIERGB в CIEXYZ. Площади, ограниченные каждой кривой и осью координат, одинаковы.

За время использования системы CIEXYZ было выявлено, что значения удельных координат цвета выделение">рис. 6.6

(Кривые сложения xyz 1931 и формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/225-1.gif" border="0" align="absmiddle" alt=" в 1964 г. были решением МКО рекомендованы в качестве дополнительных для цветовых реагентов. Система выделение">рис. 6.7 принципиально не отличается диаграммы цветности rg. Свойства ее те же, разница лишь в том, что локус находится внутри единичного треугольника цветности. Точка белого цвета соответствует координатам равноэнергетического источника Е(0,33; 0,33).

Цветовой график ху используют для нахождения качественных характеристик цвета доминирующей длины волны выделение">рис. 6.8 (Определение формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/226.gif" border="0" align="absmiddle" alt=". Соединим точку Е с точкой Ц и продлим линию до пересечения с локусом..gif" border="0" align="absmiddle" alt="). Это означает, что цвет Ц - зеленый (зеленый цвет имеет интервал в спектре от 510 до 565 нм).

Определение характеристик цветностей пурпурных цветов имеет свою особенность. В спектре их нет, а следовательно, точки, выражающие цветности пурпурных цветов с определенной длиной волны, на локусе также отсутствуют (на цветовом графике ху концы локуса, характеризующие красный и фиолетовый цвета, соединены между собой линией пурпурных цветов).

Взяв вблизи этой линии точку П, характеризующую пурпурный цвет (см. рис. 6.8), выразим его цветовой тон. Для этого, как и в предыдущем примере, соединим точку Е с точкой П и продлим до пересечения с локусом..gif" border="0" align="absmiddle" alt=", в обратном направлении до пересечения с локусом..gif" border="0" align="absmiddle" alt=" выражает цвет, дополнительный цвету П.

В рассмотренных примерах цвета, лежащие на линиях формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-14.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

где формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/227.gif" border="0" align="absmiddle" alt=".gif" border="0" align="absmiddle" alt=" - координаты источника света (в нашем случае Е). Применяется та из формул, числитель которой переход" href="part-007.htm#i1751">подразд. 7.1.8), относительно которых и проводят построения.

С учетом различных требований, выдвигаемых практикой цветовоспроизведения, было создано несколько колориметрических систем. В каждой из них основные выбирались на определенных условиях.

Как правило, переход от одной системы цветовых координат к другой осуществлялся с помощью пересчета. Так осуществлялся и пересчет от реальных цветов системы CIERGB к нереальным CIEXYZ. Так как опытным путем координаты нереальных (более насыщенных, чем спектральные) цветов определить нельзя, то метод пересчета является, по существу, единственным. Из закона Грассмана следует, что между координатами любых цветов, выраженных в разных системах, должна существовать линейная зависимость. В связи с этим в основе преобразований колориметрических систем лежит решение линейных уравнений.

Чтобы перейти от одной колориметрической системы к другой, необходимо измерить основные старой системы в координатах новой системы. Рассмотрим это на примере.

Пусть цвет выражен уравнением в системе основных RGB:

Ц = RR + GG + BB . (6.1.15)

Определит координаты этого цвета, но в системе основных ХYZ:

Ц = XX + YY + ZZ .

Для такого перехода необходимо измерить координаты старых основных CIERGB в новых CIEXYZ.

Пусть будет получен такой результат (аналогично (5.1.1)), показывающий принципы перехода из одной системы в другую:

формула" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-17.gif" border="0" align="absmiddle" alt="

Из этой формулы видна связь между координатами старой и новой системы:

излучение" и "источник". Под термином "источник" понимается физический объект, дающий то или иное излучение (например, солнце и т.д.). Под термином "излучение" понимается определенное спектральное распределение энергии, попадающей на объект. При этом заданное спектральное распределение не обязательно должно быть получено с помощью одного источника.

В 1931 году CIE установила ряд стандартных излучений и источников. Их краткая характеристика дана ниже.

Стандартное излучение А характеризуется тем же распределением излучения в видимой части спектра, что и абсолютно черное тело при Т = 2856 К. Это средняя цветовая температура лампы накаливания.

Стандартное излучение В воспроизводит распределение энергии в спектре прямого солнечного света с коррелированной цветовой температурой Т = 4874 К.

Стандартное излучение С воспроизводит излучение дневного неба, затянутого облаками с коррелированной цветовой температурой Т = 6774 К.

Как показали более поздние исследования, излучение дневного света не всегда точно воспроизводится излучениями В и С. Кроме того, появилась необходимость более полно учитывать ультрафиолетовый диапазон спектра дневного света, особенно при оценке характеристик цвета люминисцирующих объектов. В связи с этим CIE в 1963 г. определила спектральное распределение различных фаз дневного света в интервале 300-830 нм и рекомендовала несколько новых излучений D. Излучение D65 - с коррелированной цветовой температурой 6504 К. В настоящее время оно принято CIE в качестве стандартного. Поскольку использование только излучения D65 удовлетворяло необходимым требованиям, CIE были предложены излучения D50, D55 и D75. О50и D55, соответственно с коррелированной цветовой температурой 5000 К и 5500 К, предназначены для тех случаев, когда требуется фаза дневного света с желтоватым оттенком, a D75 - для фазы дневного света с более голубым оттенком.

Исследования показали, что цветность излучения дневного света не совпадает с цветностью черного тела и характеризовать дневное излучение температурой черного тела можно лишь в определенном приближении. Поэтому цветовую температуру дневного излучения принято называть коррелированной цветовой температурой.

Стандартные источники МКО (А, В, С,....gif" border="0" align="absmiddle" alt=" с Т = 6504 К. Помимо них CIE установлены источники выделение">рис. 6.9 - кривые относительного спектрального распределения энергии в спектре излучения ряда источников, рекомендованных CIE.

Координаты цветности стандартных источников МКО

Источник	Координата цветности х	Координата цветности y	Цветовая температура, К
А	0,4476	0,4074	2856
В	0,3484	0,3516	4874 (4800)
С	0,3101	0,3162	6774 (6500)
D 55	0,3324	0,3475	5503
D 65	0,3127	0,3290	6504
D 75	0,2990	0,3150	7504

Которые возникают при работе с изображениями, да и множество других топиков, например, на тему обработки изображений, так или иначе затрагивают вопросы цвета и цветовоспроизведения. Но, к сожалению, большинство таких статей описывают понятие цвета и особенности его воспроизведения очень поверхностно или в них делаются поспешные выводы или даже ошибки. Количество статей и вопросов на профильных форумах об практических аспектах точного цветовоспроизведения, а также множество неверных попыток дать ответы на эти вопросы даже самими опытными специалистами, говорит о том, что проблемы при работе с цветом возникают довольно часто, а найти аргументированные и чёткие ответы на них трудно.

Недостаточные или ошибочные знания большинства IT специалистов относительно цветовоспроизведения, по моему мнению, объясняются тем, что на изучение теории цвета тратится очень мало времени, так как её основы обманчиво простые: так как на сетчатке глаза есть три вида колбочек, то смешивая определённые три цвета можно без проблем получить всю радугу цветов, что подтверждается регуляторами RGB или CMYK в какой то программе. Большинству этого кажется достаточно, и ихняя тяга к знаниям в этой области заканчивается. Но, процессы получения, создания и воспроизведения изображений готовят Вам множество нюансов и возможных проблем, решить которые поможет понимание теории цвета, а также процессов в основе которых она лежит. Этот топик призван восполнить пробел знаний в области цветоведения, и будет полезен большинству дизайнеров, фотографов, программистов, а также, надеюсь, другим IT специалистам.

Попробуйте дать ответ на следующие вопросы:

• почему физика не может дать определения понятию цвета?
• какая из семи основных единиц измерений СИ основывается на свойствах зрительной системы человека?
• какого цветового тона нет в спектре?
• как удалось измерить ощущение цвета человеком ещё 90 лет назад?
• где используются цвета, которые не имеют яркости?

Если хоть один на вопрос у Вас не нашёлся ответ, рекомендую заглянуть под кат, где Вы сможете найти ответы на все эти вопросы.

Определение понятия цвета. Его измерение

Всем нам известно, что наука не может обойтись без измерений и единиц измерения, и наука про цвет не исключение. Поэтому сначала попытаемся дать определение понятию цвета, и основываясь на этом определении попробуем найти способы его измерения.

Никто не удивится, услышав, что цвета воспринимаются нами при помощи глаз, которые улавливают для этого свет окружающего нас мира. Свет - это электромагнитное излучение диапазона длин волн 390-740 нм (видимого для глаза), поэтому попробуем найти ключ к способам измерения цвета в свойствах этих лучей, предполагая, что цвет - это особенности попавшего нам в глаза света. Это никак не противоречит нашим размышлениям: именно свет попадая в глаза заставляет человека воспринимать цвет.

Физике известны и легко поддаются измерению такие параметры света как мощность и его спектральный состав (то есть распределение мощностей по длинам волн - спектр). Измерив спектр отражённого света, например, от синей и красной поверхности, мы увидим что находимся на правильном пути: графики распределения мощностей будут существенно отличаться, что подтверждает наше предположение, что цвет - это свойство видимого излучения, так как эти поверхности разного цвета. Первая трудность, которая нас подстерегает, это необходимость записывать не меньше 35 числовых значений спектра (видимый диапазон длин волн 390-740 нм с шагом 10 нм) для описания одного цвета. Ещё не успев начать обдумывать способы решения этой второстепенной проблемы, ми обнаружим, что спектры некоторых идентичных по цвету образцов ведут себя странно (красный и зелёный график):

Мы видим, что спектры отличаются существенно, несмотря на безошибочно одинаковый цвет образцов (в данном случае - серого цвета; такие два излучения именуются метамерными). На формировании ощущения цвета этих образцов влияние оказывает только свет, который от них отражён (упустим здесь влияние цвета фона, уровень адаптации глаза к освещению и другие второстепенные факторы), потому его спектральное распределение - это всё что могут нам дать физические измерения наших образцов. В данном случае, два существенно разных распределения спектра определяют один и тот же цвет.

Приведём второй пример проблемы спектрального описания цвета. Мы знаем, что лучи каждого участка видимого спектра окрашены для нас в определённый цвет: от синего в районе 400 нм, через голубой, зелёный, жёлтый, оранжевый к красному с длиной волны 650 нм и выше. Жёлтый находится где то в районе 560-585 нм. Но мы можем подобрать такую смесь красного и зелёного излучений, которая будет восприниматься жёлтой несмотря на полное отсутствие какого либо излучения в «жёлтом» диапазоне 560-585 нм.

Получается, что никакие физические параметры не могут объяснить идентичность цвета в первой и наличие жёлтой окраски лучей во второй ситуации. Странная ситуация? Где мы допустили ошибку?

Проводя эксперимент с измерением спектров, мы предположили что цвет - это свойство излучения, но наши результаты это опровергают, потому что нашлись разные за спектром лучи света, которые воспринимаются как один и тот же цвет. Если бы наше предположение было верным, каждое заметное изменение кривой спектра вызывало бы воспринимаемые изменения цвета, что не наблюдается. Так как сейчас мы ищем способы цветовых измерений, и мы увидели что измерение спектров нельзя назвать измерением цвета, нам нужно искать другие пути, при помощи которых это будет осуществимо.

В действительности, в первом случае было проведено два эксперимента: один с использованием спектрометра, результатом которого были два графика, а другой - визуальное сравнение образцов человеком. Первый способ измеряет спектральный состав света, а второй сопоставляет ощущения в сознании человека. Ввиду того, что первый способ нам не подходит, попробуем задействовать человека для измерения цвета, предположив что цвет - это ощущение, которое испытывает человек при воздействии света на его глаза. Но как измерить ощущения человека, понимая всю сложность и неопределённость этого понятия? Электроды в мозг или энцефалограмму не предлагать, потому что такие методы даже сейчас не дают нужной точности для такого тонкого понятия как цвет. Более того, данная проблема была успешно решена ещё в 20-х годах ХХ века без наличия большинства нынешних технологий.

Яркость

Первая проблема для решения которой стало необходимо численно выразить зрительные ощущения человека, была задача измерения яркости источников света. Измерение мощности излучения ламп (именно мощность излучения, в джоулях, или ваттах, а не потребляемая электрическая мощность) не давало ответа на этот вопрос, потому что, во первых, человек не видит излучения с длинами волн меньше 380 и больше 780 нм, и поэтому любое излучение вне этого диапазона не влияет на яркость источника. Во вторых, как мы уже видели со спектрами, ощущения цвета (и яркости) более сложный процесс чем просто фиксирование характеристик попавшего нам в глаза света: зрение человека более чувствительно к одним зонам спектра, и менее к другим. Например, зелёное излучение намного ярче идентичного по мощности синего. Очевидно, что для решения проблемы численного выражения яркости источников света, нужно количественно определить чувствительность зрительной системы человека для всех отдельных волн спектра, которую потом можно использовать для расчёта вклада каждой длины волны источника в его суммарную яркость. Как и поднятая выше задача с измерением цвета, эта тоже сводится к необходимости измерения ощущения яркости человеком.

Измерить ощущение яркости от излучений каждой длины волны удалось путём визуального сравнения человеком яркостей излучений с известными мощностями. Это довольно просто: управляя интенсивностью излучения, нужно уравнять яркости двух монохроматических (спектрально максимально узких) потоков, измерив при этом их мощности. Например, чтобы уравнять по яркости монохроматическое излучение с длиной волны 555 нм мощностью один ватт нужно использовать двухватное излучения с длиной волны 512 нм. То есть, наша зрительная система вдвое чувствительнее к первому излучению. На практике, для высокой точности результатов был проведён более сложный эксперимент, но это не меняет сути сказанного (детально процесс описан в оригинальном научном труде 1923 года). Результатом серии таких экспериментов для всего видимого диапазона является кривая спектральной световой эффективности (ещё можно встретить название «кривая видности»):

По оси Х отложены длины волн, по оси Y - относительная чувствительность зрительной системы человека к соответствующей длине волны.

Имея прибор с такой же спектральной чувствительностью, можно с лёгкостью определять на нём яркость нужных световых излучений. Именно под такую кривую тщательно подстраивается чувствительность различных фотометров, люксметров и других приборов, в работе которых важно определение воспринимаемой человеком яркости. Но чувствительность таких приборов всегда является только приближением к кривой спектральной световой эффективности человека и для более точных измерений яркости используют спектральное распределение интересующего источника света.

Спектральное распределение получают разделением излучения на узкие спектральные зоны и измерением мощности каждой из них отдельно. Мы можем рассматривать яркость нашего источника как сумму яркости всех этих спектральных зон, и для этого определим яркость каждого из них (формула для тех, кому не интересно читать мои объяснения на пальцах): умножаем измеренную мощность на соответствующую этой длине волны чувствительность нашей зрительной системы (оси Y и X предыдущего графика соответственно). Просуммировав полученные таким образом яркости всех зон спектра, мы получим яркость нашего первичного излучения в фотометрических единицах, которые дают точное представление об воспринимаемой яркости тех или иных объектов. Одна из фотометрических единиц входит в Основные единицы СИ - кандела , которая определяется через кривую спектральной световой эффективности, то есть основывается на свойствах зрительной системы человека. Кривая относительной чувствительности зрительной системы человека была принята в качестве международного стандарта в 1924 году Международной комиссией по освещению (в советской литературе можно встретить сокращение МКО), или CIE - Commission Internationale de l"Éclairage.

Система CIE RGB

Но, кривая спектральной световой эффективности даёт нам представление только об яркости светового излучения, а мы можем назвать другие его характеристики, например, насыщенность и цветовой тон, которые при её помощи нельзя выразить. По способу измерения яркости, ми теперь знаем, что «измерять» цвет может только непосредственно человек (не забываем, что цвет - это ощущение) или некая модель его реакции, такая как кривая спектральной световой эффективности, которая позволяет численно выразить ощущения яркости. Предположим, что для измерения цвета, нужно экспериментально при помощи человека создать, по аналогии с кривой световой эффективности, некую систему, которая будет отображать цветовую реакцию зрительной системы на все возможные варианты спектрального распределения света.

Уже давно известно одно свойство лучей света (на самом деле, это особенность нашей зрительной системы): если смешать два разноцветных излучения, можно получить цвет, который будет совсем не похож на изначальные. Например, направив на белый лист бумаги в одну точку зелёный и красный свет определённых мощностей, можно получить чисто жёлтое пятно без примесей зелёных или красных оттенков. Добавив третье излучение, а к имеющимся двум лучше подойдёт синее (потому что его никак не получить смесью красного и зелёного), мы получим систему, которая позволит нам получать множество цветов.

Если визуально уравнять в таком приборе некое тестовое излучение, мы получим три показателя: интенсивность красного, зелёного и синего излучателей соответственно (как приложенное к лампам напряжение, например). То есть, при помощью нашего прибора (именуемого визуальным колориметром), который воспроизводит цвет, и нашей зрительной системы, нам удалось получить численные значения цвета некого излучения, к чему мы и стремились. Такие три значения часто именуют координатами цвета , потому что их удобно представить как координаты трёхмерного пространства.

Подобные эксперименты успешно провели в 20-х годах ХХ века независимо друг от друга учёные Джон Гилд (John Guild) и Дэвид Райт (David Wright). В качестве основных излучений у Райта использовались монохроматические излучения красного, зелёного и синего цветов с длинами волн 650, 530 и 460 нм соответственно, а Гилд использовал более сложные (не монохроматические) излучения. Несмотря на существенные отличия в используемом оборудовании и на то, что данные были усреднены только по 17-ти наблюдателям с нормальным зрением (10 у Райта и 7 у Гилда) итоговые результаты обоих исследователей оказались очень близки друг к другу, что говорит об высокой точности измерений, проведённых учёными. Схематически, процедура измерений изображена на рисунке:

На верхнюю часть экрана проецируется смесь излучений от трёх источников, а на нижнюю - изучаемое излучение, а участник опыта видит их одновременно через отверстие в шторке. Исследователь ставит перед участником задачу уравнять цвет между полями прибора, и направляет при этом исследуемое излучение на нижнее поле. Участник регулирует мощности трёх излучений пока ему это не удастся, а исследователь записывает показатели интенсивности трёх источников.

В ряде случаев, не удаётся уравнять определённые монохроматические излучения при таком эксперименте: тестовое поле при любом положении регуляторов трёх излучений остаётся более насыщенным чем используемая смесь. Но, в силу того, что целью эксперимента является получение координат цвета, а не его воспроизведение, исследователи пошли на хитрость: одно основное излучение прибора они смешали не с двумя другими, а направили его на нижнюю часть экрана, то есть смешали его с тестовым излучением:

Далее уравнивание проводится как обычно, но количество того излучение, которое смешано с изучаемым, будет считаться отрицательным. Здесь можно провести аналогию со сменой знака при переносе числа в другую часть обычного уравнения: так как между двумя частями экрана колориметра установлено визуальное равенство, верхнюю его часть можно рассматривать как одну часть уравнения, а нижнюю - как другую.

Оба исследователя провели визуальные измерения всех отдельных монохроматических излучений видимого спектра. Изучая таким способом свойства видимого спектра, учёные предполагали, что их результаты можно будет использовать для описания любых других излучений. Учёные оперировали мощностями трёх независимых излучений и результатом серии таких экспериментов являются три кривые, а не одна как это было сделано при создании кривой световой эффективности.

Для создания удобной и универсальной системы спецификации цвета комитет CIE провели усреднения данных измерений Гилда и Райта пересчитав их данные для тройки основных излучений с длинами волн 700, 546,1 и 435,8 нм (красное, зелёное и синее, red, green, blue - RGB). Зная соотношение яркостей основных излучений такой усреднённой системы, которые нужны для воспроизведения белого цвета (соответственно 1:4.5907:0.0601 для красного, зелёного и синего лучей, что установлено экспериментально с последующим пересчётом) и используя кривую спектральной эффективности, члены CIE рассчитали кривые удельных координат цвета, которые показывают нужное количество трёх основных излучений этой системы для уравнения любого монохроматического излучения мощностью один ватт:

По оси Х отложены длины волн, а по оси Y - нужные количества трёх излучений необходимые для воспроизведения цвета, вызываемого соответствующей длиной волны. Негативные участки графиков соответствуют тем монохроматическим излучениям, которые не могут быть воспроизведены тремя используемыми в системе основными излучениями, и для их спецификации нужно прибегать к описанному выше ухищрению при уравнивании.

Для построения подобной системы можно выбрать любые другие три излучения (при этом помня, что никакое из них не должно воспроизводится смесью двух других), которые дадут нам другие удельные кривые. Выбранные в системе CIE RGB основные излучения воспроизводят большое число излучений спектра, а её удельные кривые получены с большой точностью и стандартизированы.

Кривые удельных координат цвета избавляют от необходимости использовать громоздкий визуальный колориметр, с его медленным методом визуального уравнивания для получения координат цвета при помощи человека, и позволяют рассчитывать их только по спектральному распределение излучения, получить которые довольно быстро и просто при помощи спектрометра. Такой метод возможен, потому что любое излучение можно представить как смесь монохроматических лучей, мощности которых отвечают интенсивности соответствующей зоны спектра этого излучения.

Теперь проверим наши два образца, перед которыми сдалась физика, показывая разные спектры для одноцветных объектов, используя кривые удельных координат формула : поочерёдно умножим спектральное распределение мощностей отражённого от образцов света на три удельные кривые и просуммируем результаты для каждой из них (как при расчёте яркости из спектрального распределения, но здесь используются три кривые). Результатом будет три числа, R, G и B, которые являют собой координаты цвета в системе CIE RGB, то есть количества трёх излучений этой системы, смесь которых идентична по цвету с измеряемым. Мы получим три одинаковые показатели RGB для двух наших образцов, что соответствует нашему идентичному ощущению цвета и подтверждает наше предположение что цвет - это ощущение и измерять его можно только при участии нашей зрительной системы, или её модели в виде трёх кривых системы CIE RGB или какой либо другой, удельные координаты которой известны (другую такую систему, базирующейся на других основных цветах, мы рассмотрим детально чуть позже). Используя колориметр CIE RGB для измерения отражённого от образцов света непосредственно, то есть визуально уравнивая цвет смеси трёх излучений системы с цветом каждого образца, мы получим те же три координаты RGB.

Нужно отметить, что в колориметрических системах принято нормировать количества основных излучений так, чтобы R=G=B=1 соответствовало принятому в системе белому цвету. Для системы CIE RGB таким белым цветом принят цвет гипотетического равноэнергетического источника, который излучает равномерно на всех длинах волн видимого спектра. Без такой нормировки, система получается неудобной, потому что яркость синего источника очень мала - 4.5907:0.0601 против зелёного, и на графиках большинство цветов «прилипало» бы к синей оси диаграммы. Введя такую нормировку (соответственно 1:4.5907:0.0601 для красного, зелёного и синего лучей системы) ми перейдём от фотометрических к колориметрическим единицам что сделает такую систему более удобной.

Следует обратить внимание, что система CIE RGB не базируется на какой либо теории цветового зрения, а кривые удельных координат цвета не являются спектральной чувствительностью трёх видов колбочек сетчатки глаза человека, как они часто ошибочно интерпретируются. Такая система легко обходится без данных про свойства пигментов колбочек сетчатки и без каких либо данных про сложнейшие процессы обработки зрительной информации в нашем мозгу. Это говорит об исключительной изобретательности и дальновидности учёных, которые создали такую систему несмотря на ничтожные сведения про свойства зрительного аппарата человека на то время. Более того, система CIE RGB лежит в основе науки о цвете практически без изменений до сих пор, несмотря на колоссальный прогресс науки за прошедшее время.

Также нужно отметить, что несмотря на то, что монитор для воспроизведения цвета также использует три излучения как и система СIE RGB, три значения цветовых компонент монитора (RGB) не будут строго специфицировать цвет, потому что разные мониторы воспроизводят цвет по разному с довольно большим разбросом, и к тому же, основные излучения мониторов довольно сильно отличаются от основных излучений системы СIE RGB. То есть, не следует воспринимать RGB значения монитора как некий абсолют определения цвета.

Для лучшего понимания, необходимо отметить, что говоря «излучение/источник/длина волны/лампа имеет зелёный цвет» мы на самом деле имеем ввиду что «излучение/источник/длина волны/лампа вызывает ощущение зелёного цвета». Излучение видимого диапазона - это только стимул для нашей зрительной системы, а цвет - это результат восприятия этого стимула и не следует приписывать цветовые свойства электромагнитным волнам. Например, как в примере выше, никакие волны с жёлтого диапазона спектра не появляются при смешении красных и зелёных монохроматических лучей, но их смесь мы воспринимаем жёлтой.

Нереальные цвета. Система CIE XYZ

В 1931 году в Тринити-колледже Кембриджского университета (Великобритания) на очередном заседании CIE система основанная на данных Гилда и Райта была принята в качестве международного стандарта. Также, группа учёных, во главе с американцем Дином Джаддом (Deane B. Judd), чтобы не ждать очередного заседания комитета, которое произойдёт не раньше чем через год, предложила другую систему спецификации цвета, окончательные данные которой были рассчитаны только в ночь перед заседанием. Предложенная система оказалась настолько удобной и удачной, что она была принята комитетом без каких либо серьёзных обсуждений.

Чтобы понять на основе чего была создана такая система, цвет нужно представить в виде вектора, потому что сложение двух и более цветов подчиняется тем самим правилам что и сложение векторов (это выплывает из законов Грассмана). Например, результат смешивания излучения красного цвета с зелёным можно представить как сложение двух векторов с длинами, которые пропорциональны яркости этих излучений:

Яркость смеси будет равна длине полученного сложением вектора, а цвет будет зависеть от соотношения яркости используемых излучений. Чем соотношение больше в пользу одного из первичных цветов, тем больше результирующее излучение будет ближе по цвету к этому излучению:

Попробуем подобным образом графически изобразить смешение цветов в используемом для создания системы CIE RGB колориметре. Как помним, в нём используются три излучения красного, зелёного и синего цвета. Никакой цвет этой тройки не получить суммой двух остальных, поэтому представлять все возможные смеси этих излучений нужно будет в трёхмерном пространстве, что не мешает нам использовать векторные свойства сложения цветов при этом:

Не всегда удобно чертить трёхмерные диаграммы, поэтому часто используют упрощённый график, который являет собой проекцию всех нужных цветов на единичную плоскость (выделена синим) трёхмерной схемы:

Результатом такой проекции вектора цвета будет точка на диаграмме, осями которой будут стороны треугольника, которые задаются точками основных цветов системы СIE RGB:

Такая точка будет иметь координаты в системе этого треугольника в виде расстояние от любых двух его сторон (третья координата лишняя, так как в треугольнике любую точку можно определить по двум расстояниям от вершин или сторон). Координаты в таком треугольнике называют координатами цветности, и они определяют такие параметры цвета как цветовой тон (синий, голубой, зелёный и т.д.) и насыщенность (серый, бледный, насыщенный и т.п.). В силу того, что мы перешли от трёхмерной к плоской диаграмме, она не позволяет показать третий параметр цвета - яркость, но для многих случаев определение только значения цветности будет достаточно.

Чтобы не путаться, отдельно выделим что координаты цвета - это положение конца вектора цвета в трёхмерной системе, и обозначаются они заглавными буквами (RGB, XYZ, например), а координаты цветности - это положение точки цвета на плоской диаграмме цветностей, и обозначаются они строчными буквами (rg, xy) и их достаточно двух.

Использование координатной системы в которой между осями нет прямого угла не всегда неудобно, поэтому в колориметрии чаще используют такую систему из трёх векторов, единичная плоскость которой формирует прямоугольный треугольник. Две его стороны возле прямого угла используют как оси диаграммы цветности:

Поместим теперь на такую диаграмму все возможные цветности, пределом которых будет линия спектрально чистых излучений с линией пурпурных цветностей, часто именуемая локусом, которая ограничивает на диаграмме область реальных цветов (красная линия):

Линия пурпурных цветностей лежит между цветностями излучений крайнего синего и красного концов спектра. Пурпурным цветам мы не можем сопоставить никакую зону спектра, как это можно сделать с любым другим цветом, потому что ощущения пурпурного цвета возникает при одновременном действии на нашу зрительную систему синих и красных лучей, а не какого то одного.

Значительная часть локуса (в зоне 380-546 нм) выходит за пределы треугольника, ограниченного цветностями основных излучений, то есть имеет отрицательные координаты цветности, потому что эту часть спектральных излучений не удалось уравнять на колориметре CIE. Это соответствует кривым удельных координат цвета, в которых тот самый участок спектра имеет отрицательные координаты (в диапазоне 380-440 нм это невидимые на графике малые значения).

Присутствие отрицательных координат цвета и цветности превращало колориметрические расчёты в непростую задачу: в 20-30-х годах большинство расчётов проводились при помощи логарифмической линейки, а объем вычислений в колориметрических работах немаленький.

Предыдущая диаграмма показывает нам, что все положительные координаты имеют только цвета, что лежат в пределах треугольника, который формируют цветности используемых в данной системе основных излучений. Если бы локус лежал в середине треугольника, все цвета имели бы положительные координаты, что бы значительно упростило расчёты. Но найти такие три точки на локусе, которые смогли бы включить его в себя полностью невозможно, в силу его выпуклой формы. Позже было установлено, что причина такой формы локуса кроется в особенностях спектральной чувствительности трёх видов колбочек нашего глаза, которые перекрываются между собой и любое излучение возбуждает колбочки, которые отвечают за другую зону спектра, что понижает уровень насыщенности цвета.

А что если выйти за рамки локуса, и использовать цвета, которые невозможно воспроизвести и увидеть, но координаты которых можно с лёгкостью использовать в уравнениях наравне с координатами реальных цветов? Раз мы уже перешли от экспериментов к расчётам, ничто не мешает нам использовать такие нереальные цвета, потому что все свойства смешения цветов сохраняются при этом! Нам подойдут любые три цвета, чей треугольник сможет включить локус реальных цветов, и мы без трудностей сможем начертить множество таких троек нереальных основных цветов (будет целесообразно строить такой треугольник как можно плотнее вокруг локуса, так будет меньше ненужных областей на диаграмме):

Имея такую свободу в выборе точек новых основных цветов, учёные решили извлечь из этого некоторые полезные возможности для новой трёхцветной системы. Например, возможность определять фотометрическую яркость непосредственно при помощи создаваемой системы без дополнительных расчётов или измерений (в системе CIE RGB яркость нужно рассчитывать), то есть объединить её каким то образом с фотометрическим стандартом 1924 года.

Для обоснования выбора тройки новых цветов (помним, что они существуют только в расчётах), которые были в итоге для этого выбраны учёными, вернёмся на нашу объёмную диаграмму координат цвета. Для наглядности и лёгкости понимания мы будем использовать обычную прямоугольную систему координат. Поместим на неё плоскость, на которой все цвета будут иметь одинаковую фотометрическую яркость. Как помним, единичные яркости красного, зелёного и синего основных излучений в системе СIE RGB соотносятся как 1:4.5907:0.0601, и чтобы перейти обратно к фотометрическим единицам их нужно взять в пропорции 1/1 к 1/4,59 к 1/0,0601, то есть, 1:0,22:17 что даст нам плоскость цветов с одинаковой фотометрической яркостью в колориметрической системе СIE RGB (точка пересечения плоскости с осью B находится за пределами рисунка в позиции 17):

Все цвета, координаты которых находятся на этой плоскости будут, иметь одинаковую фотометрическую яркость. Если провести параллельную плоскость вдвое ниже предыдущей (0,5:0,11:8,5), мы получим место положение цветов с вдвое меньшей яркостью:

Аналогично, ниже можно провести новую параллельную плоскость, которая пересечёт начало координат, на которой разместятся все цвета с нулевой яркостью, а ещё ниже можно начертить даже плоскости отрицательных яркостей. Это может показаться абсурдным, но вспомним, что работаем с математическим представлением трёхцветной системы, где в уравнениях всё это возможно, чем мы и воспользуемся.

Перейдём обратно на плоскую диаграмму rg, спроектировав на неё плоскость нулевых яркостей. Проекцией будет линия нулевой яркости - алихна, которая пересекает начало координат:

На алихне лежат цветности, которые не имеют яркости, и если использовать размещённый на ней цвет в цветовом уравнивании (не реальным, со смешиванием световых потоков, а в уравнениях, где такие цвета возможны), он не будет влиять на яркость полученной смеси. Если разместить на алихне два цвета трёхцветной системы, то яркость всей смеси будем определятся только одним оставшимся цветом.

Напомню, что мы ищем цветовые координаты таких трёх гипотетических цветов, которые смогут уравнять цвета всех реальных излучений без использования отрицательных значений (треугольник должен включать в себя весь локус) и при этом, новая система будет включать в себя фотометрический стандарт яркости непосредственно. Разместив два цвета на алихне (названные X и Z), а третий выше локуса (Y), мы решим обе проблемы:

Локус реальных цветов находится полностью в треугольнике, который ограничен тремя выбранными цветами, а яркость полностью перешла к одному из трёх компонент системы - Y. В зависимости от нормировки величин и характера измерений, координата Y может выражать яркость непосредственно в канделах на м 2 , процент от максимальной яркости какой то системы (дисплея, например), процент пропускания (прозрачные образцы, слайды например) или яркость относительно некоторого эталона (при измерениях отражающих образцов).

Преобразовав полученный треугольник в прямоугольный, ми получим знакомую многим диаграмму цветности xy:

Нужно помнить, что диаграмма xy - это проекция системы с основными точками XYZ на единичную плоскость, аналогично так диаграмма rg и система RGB. Данная диаграмма позволяет в удобной форме иллюстрировать цветности различных излучений, например, цветовые охваты различных устройств. Диаграмма обладает одним полезным свойством: координаты цветности смеси двух излучений будут находится строго на линии, которая соединяет точки этих двух излучений на диаграмме. Поэтому, цветовой охват монитора, например, на такой диаграмме будет являть собой треугольник.

Диаграмма xy имеет также один недостаток, который следует помнить: равные отрезки на разных участках диаграммы не означают одинаковую воспринимаемую разницу в цвете. Это проиллюстрировано двумя белыми отрезками на предыдущем рисунке. Длины этих отрезков соответствуют ощущению одинаковой разницы цветности, но при этом отрезки различаются по длине в три раза.

Рассчитаем кривые удельных координат цвета полученной системы, которые показывают нужное количество трёх основных цветов XYZ для уравнения любого монохроматического излучения мощностью один ватт:

Видим, что в кривых отсутствуют отрицательные участки (что наблюдалось в системе RGB), что и было одной из целей создания системы XYZ. Также, кривая y (игрек с чёрточкой сверху) полностью совпадает с кривой спектральной световой эффективности зрения человека (про неё говорилось выше при объяснении определения яркости световых излучений), поэтому величина Y определяет яркость цвета непосредственно - она рассчитывается идентичным образом как и фотометрическая яркость по той же кривой. Это достигнуто путём размещения двух других цветов системы на плоскости нулевых яркостей. Поэтому, колориметрический стандарт 1931 года включает в себя фотометрический стандарт 1924 года, что позволяет обойтись без лишних расчётов или измерений.

Эти три кривые определяют Стандартного колориметрического наблюдателя - стандарт, который используют при колориметрической интерпретации спектральных измерений и он лежит в основе всей науке о цвете практически без изменений до сих пор. Хотя визуальный колориметр XYZ не может существовать физически, его свойства позволяют с высокой точностью проводить цветовые измерения и он помогает многим отраслям предсказуемо воспроизводить и передавать информацию о цвете. На системе XYZ базируется всё дальнейшие достижения науке о цвете, например знакомая многим система CIE L*a*b* и ей подобные, а также новейшие системы CIECAM, которые используют современные программы построения цветовых профилей.

Итоги

1. Точная работа с цветом требует его измерения, которое также необходимо как и измерение длины или веса.
2. Измерение воспринимаемой яркости (одного из атрибутов зрительного ощущения) световых излучений невозможно без учёта особенностей нашей зрительной системы, которые были успешно исследованы и заложены во все фотометрические величины (кандела, люмен, люкс) в виде кривой её спектральной чувствительности.
3. Простое измерение спектра исследуемого света само по себе не даёт ответа на вопрос о его цвете, потому что легко можно найти разные спектры которые воспринимаются как один цвет. Разные величины, которые выражают один и тот же параметр (цвет, в нашем случае), говорят о несостоятельности такого метода определения.
4. Цвет - это результат восприятия света (цветового стимула) в нашем сознании, а не физическое свойство этого излучения, поэтому измерять каким то образом нужно это ощущение. Но прямое измерение ощущений человека невозможно (или было невозможным на момент создания описанных здесь колориметрических систем).
5. Эту проблему обошли путём визуального (при участии человека) уравнивания цвета исследуемого излучения при помощи смешения трёх излучений, количества которых в смеси и будут искомым численным выражением цвета. Одной из систем таких трёх излучений есть CIE RGB.
6. Экспериментально уравняв при помощи такой системы все монохроматические излучения по отдельности, получают (после некоторых расчётов) удельные координаты этой системы, которые показывают нужные количества её излучений для уравнения цвета любого монохроматического излучения мощностью один ватт.
7. Зная удельные координаты, можно рассчитать координаты цвета исследуемого излучения по его спектральному составу без визуального уравнивания цвета человеком.
8. Система CIE XYZ создана путём математических трансформаций системы CIE RGB и базируется на тех же принципах - любой цвет можно точно специфицировать количеством трёх излучений, смесь которых воспринимается человеком идентичной по цвету. Основное отличие системы XYZ - цвет её основных «излучений» существует только в колориметрических уравнениях, и получить их физически невозможно.
9. Основная причина создания системы XYZ - облегчения расчётов. Координаты цвета и цветности всех возможных световых излучений будут положительными. Также, координата цвета Y выражает фотометрическую яркость стимула непосредственно.

Заключение

Наиболее близкими для ИТ специалистов сферами деятельности, в фундаменте которых лежат описанные в этой статье принципы и системы, является обработка изображений и их воспроизведение различными способами: от фотографии к веб-дизайну и полиграфии. Системы управления цветом непосредственно используют в своей работе колориметрические системы и результаты цветовых измерений, что позволяет предсказуемо воспроизводить цвет различными способами. Но эта тема уже выходит за пределы данной статьи, потому что здесь затронуты основополагающие аспекты теории цвета, а не цветовоспроизведения.

Этот топик не претендует дать исчерпывающие и полные сведения про поднятую тему, а является лишь «картинкой для привлечения внимания» для IT специалистов, многие из которых просто обязаны понимать основы цветоведения. Для облегчения понимания многое здесь упрощено или изложено вскользь, поэтому, привожу список источников, которые будут интересны тем, кто хочет более детально ознакомится с теорией цвета (все книги можно найти в сети):
фотометрия кандела Добавить метки