Trojrozmerný charakter vnímania farieb umožňuje jeho zobrazenie v pravouhlom súradnicovom systéme. Akákoľvek farba môže byť reprezentovaná ako vektor, ktorého zložky sú relatívne váhy červenej, zelenej a modrej, vypočítané pomocou vzorcov
Keďže súčet týchto súradníc je vždy jeden a každá zo súradníc leží v rozsahu od 0 do 1, potom všetky takto znázornené body priestoru budú ležať v jednej rovine a iba v trojuholníku odrezanom od nej kladným oktantu súradnicového systému (obr. 2.5 a). Je zrejmé, že pri takomto zobrazení je možné celú množinu bodov tohto trojuholníka opísať pomocou dvoch súradníc, keďže tretí je nimi vyjadrený pomocou vzťahu
Prechádzame teda k dvojrozmernému znázorneniu plochy, t.j. k priemetu plochy do roviny (obr. 2.5 b).
Ryža. 2.5.
S použitím takejto transformácie v roku 1931 boli vyvinuté medzinárodné štandardy pre definíciu a meranie farieb. Základom normy bola takzvaná dvojrozmerná farebná tabuľka CIE. Keďže, ako ukázali fyzikálne experimenty, nie všetky možné farebné odtiene je možné získať pridaním troch základných farieb, boli za základné zvolené iné parametre získané na základe štúdia štandardných reakcií oka na svetlo. Tieto parametre - - sú čisto teoretické, pretože sú zostavené s použitím záporných hodnôt zložiek primárnej farby. Primárny farebný trojuholník bol vytvorený tak, aby pokryl celé spektrum viditeľného svetla. Okrem toho, rovnaké množstvo všetkých troch hypotetických farieb dáva dohromady bielu. Súradnice chromatickosti sú zostavené rovnakým spôsobom ako vo vyššie uvedenom vzorci:
Pri premietaní tohto trojuholníka na rovinu sa získa farebný graf CIE. Súradnice chromatickosti však definujú iba relatívne množstvá základných farieb, nešpecifikujú jas výslednej farby. Jas je možné nastaviť pomocou súradníc a možno ho určiť na základe hodnôt podľa vzorcov
Farebná schéma MCO je znázornená na obr. 2.6. Oblasť ohraničená krivkou pokrýva celé viditeľné spektrum a samotná krivka sa nazýva čiara spektrálnych farieb. Čísla na obrázku označujú vlnovú dĺžku v príslušnom bode. Bod zodpovedajúci poludňajšiemu osvetleniu pri nepretržitej oblačnosti sa berie ako referenčná biela farba.
Farebná schéma je užitočná pre množstvo úloh. Môže sa napríklad použiť na získanie ďalšej farby: na to musíte nakresliť lúč z danej farby cez referenčný bod, kým sa nepretína s druhou stranou krivky (farby sú dodatočné navzájom, ak sa po sčítaní v príslušnom pomere získa biela farba). Na určenie dominantnej vlnovej dĺžky ľubovoľnej farby sa tiež nakreslí lúč z referenčného bodu do priesečníka s danou farbou a pokračuje až do priesečníka s najbližším bodom farebnej čiary.
Na miešanie dvoch farieb sa používajú Grassmannove zákony. Nech sú na grafe CIE uvedené dve farby súradnicami a . Potom ich zmiešaním získate farbu. Ak zavedieme notáciu 
, potom dostaneme
Tak či onak, pri práci s akýmikoľvek obrázkami (fotky, rozloženie tlačenej či webovej stránky, kresby a pod.) musíte riešiť farebnosť. Skôr ako sa zoznámite so systémami správy farieb, musíte pochopiť podstatu procesov, ktoré sú ich základom. Tento článok bude užitočný nielen pre začiatočníkov v oblasti digitálneho zobrazovania, ale aj pre skúsených odborníkov, pretože pomôže systematizovať veľa nahromadených vedomostí a pomôže objasniť niektoré podrobnosti.
Na začiatok si skúsme definovať pojem, ktorý nás teraz najviac zaujíma – to je farba.
Farba je elektromagnetické žiarenie, ktoré naše oči dokážu vnímať a rozlišovať podľa vlnovej dĺžky. Áno, ale toto tvrdenie nevysvetľuje existenciu fialovej, ktorá sa v spektre nenachádza.
Farba je schopnosť povrchu predmetu selektívne odrážať žiarenie, ktoré naň dopadá. Áno, ale farebná fotografia pri slabom osvetlení je vnímaná ako takmer čiernobiela a na slnečnom svetle je vnímaná ako sýta plná farba.
Farba je spektrálne zloženie viditeľného elektromagnetického žiarenia. Áno, ale rozdielne (niekedy výrazne) spektrálne zloženie žiarenia môže spôsobiť vnem rovnakej farby.
Vyššie uvedené definície ako prvé prídu na myseľ väčšine ľudí, ale ako vidíte, neposkytujú vyčerpávajúcu definíciu farby a nie sú presné.
Pomerne úplná definícia pojmu „farba“ bude vyzerať takto:
farba je pocit, ktorý vzniká v ľudskej mysli, keď je vystavený jeho orgánom zraku elektromagnetického žiarenia vo viditeľnom rozsahu spektra.
To znamená, že žiarenie určitého spektrálneho zloženia je len podnet pre naše oči a farba už je senzácia, ktorý vzniká v našej mysli v dôsledku pôsobenia takéhoto podnetu. Je potrebné jasne rozlišovať medzi pojmami farebný stimul a samotnou farbou.
Tu môže vyvstať otázka: prečo nepoužiť namerané spektrálne rozloženie žiarenia na presný opis farby, ak je to práve to, čo v našej mysli spôsobí vnem farby? Teda popísať farbu podnetom, ktorý ju spôsobuje. Po prvé, táto metóda nebude vhodná, pretože jeden stimul bude daný asi 35 hodnotami spektrálnej priepustnosti, odrazu alebo emisie (tj rozsah 390-740 nm s krokom 10 nm). Po druhé, a čo je najdôležitejšie, tento spôsob popisu farby nezohľadňuje zvláštnosti vnímania viditeľného žiarenia našim zrakovým systémom. Dá sa to ilustrovať na nasledujúcom obrázku, ktorý ukazuje spektrálne odrazy dvoch objektov (čierny a biely graf):
Skúste analyzovať tieto dva grafy a povedzte, akú farbu budú povrchy týchto dvoch telies vnímať a ako sa budú tieto farby od seba líšiť. Jediný záver, ktorý sa zdá byť na povrchu, je, že tieto dve telá majú s najväčšou pravdepodobnosťou rôzne farby. Tento záver sa navrhuje z dôvodu významného rozdielu v krivkách spektrálnych koeficientov odrazu. Podnety zobrazené na grafe však budeme vnímať ako absolútne identické farby. Tieto dva stimuly sa nazývajú metamerický. Fenomén metamérie nie je možné vysvetliť iba fyzikou alebo optikou, preto na interpretáciu údajov spektrálnych meraní je potrebné vedieť, ako bude ľudský zrakový systém reagovať na rôzne farebné podnety.
Aby sa zohľadnili zvláštnosti vnímania farebných podnetov a vyriešila sa otázka merania farieb, v roku 1931 navrhla Medzinárodná komisia pre osvetlenie CIE (Commission Internationale de l "Eclairage) systém, ktorý zohľadňuje vnímanie farebných podnetov tzv Štandardný pozorovateľ CIE, ktorý charakterizuje vnímanie farieb priemerného človeka s normálnym zrakom.
Súbor údajov, ktorý definuje CIE Standard Observer, bol získaný empiricky na určitom počte skutočných pozorovateľov. Ako sa však vedcom podarilo zmerať vnem farby pod vplyvom želaných podnetov, ak nie je možné vykonať priame meranie takej veličiny, akou je „pocit“ na človeku?
Keďže každá veda začína meraním, kolorimetria si nevystačí len so subjektívnymi údajmi o farbe, ktorú človek dokáže vyjadriť (svetlá, matná, červená, bledá, modrastá atď.). Počítače môžu tiež pracovať iba s číslami, preto je potreba merať vnímanie farieb človekom nielen vedecky zaujímavá, ale je potrebná aj pre praktické činnosti.
V 20. rokoch 20. storočia nezávisle od seba vedci Guild a Wright uskutočnili sériu experimentov na štúdium ľudského farebného videnia. Experimenty sa uskutočnili pomocou zariadenia, ktoré je schematicky znázornené na obrázku:
Činnosť takého zariadenia (vizuálneho kolorimetra) je založená na princípe aditívnej syntézy farieb, podľa ktorej pridaním dvoch alebo viacerých žiarení k sebe (napríklad na obrazovke) môžete získať pocit určitého počet farieb, pričom sa upravuje jas každého z týchto základných žiarení. Takéto základné podnety sa vyberajú na základe potreby reprodukovať čo najviac farieb s čo najmenším množstvom týchto základných žiarení. Štandardný CIE pozorovateľ bol vytvorený s ohľadom na tri spektrálne čisté stimuly, ktoré vyvolávajú pocit červenej, zelenej a modrej (R, G, B) pri vlnových dĺžkach 700, 546,1 a 435,8 nm.
Tieto tri žiarenia sa premietajú na hornú časť obrazovky a žiarenie, z ktorého sa skúšalo vnímanie farieb, sa premieta na spodok. Účastníci experimentu potrebovali získať pocit rovnakej farby na oboch častiach poľa a zároveň upraviť jas troch hlavných žiarení. Množstvo (jas) hlavných žiarení, ktoré spôsobujú pocit požadovanej farby a sú číselnými hodnotami (súradnicami) tejto farby. To znamená, že výskumníci uspeli merať vnímanie farieb, jeho reprodukciou a vizuálnym hodnotením osobou.
Ukázalo sa však, že značnú časť monochromatických žiarení nie je možné touto metódou reprodukovať. Aby sa toto obmedzenie obišlo a zmerali sa farebné súradnice týchto stimulov, ktoré sa touto metódou nedajú dosiahnuť, jedno z hlavných žiarení sa premietalo nie na hornú, ale na spodnú časť obrazovky, čím sa študovaný stimul „znečisťoval“. premietnuté do nej. Princíp merania farieb sa v tomto prípade nemení: je tiež potrebné upraviť jas hlavných žiarení, aby sa dosiahla farebná rovnosť medzi dvoma poľami zariadenia. V tomto prípade sa množstvo hlavného žiarenia premietaného na skúmaný objekt (spodná časť poľa) berie so znamienkom mínus, to znamená, že sa objaví negatívna farebná súradnica.
Po zmeraní farebných súradníc všetkých spektrálne čistých žiarení viditeľnej zóny spektra získame súradnicový systém všetkých možných farieb. Prítomnosť negatívnych súradníc v tomto systéme spôsobila, že použitie bolo nepohodlné, pretože väčšina výpočtov sa v tom čase vykonávala ručne. To bol jeden z dôvodov vytvorenia systému XYZ, v ktorom sú všetky farebné súradnice kladné.
Systém XYZ je tiež založený na aditívnom miešaní podnetov, avšak na rozdiel od systému RGB používaného vo vyššie popísanom vizuálnom kolorimetri, XYZ využíva nereálne, matematicky opísané podnety, ktoré sú vybrané na uľahčenie výpočtov. To znamená, že pri získavaní systému XYZ neboli použité experimenty, ale matematické transformácie údajov z experimentov Guild a Wright. Farebné súradnice XYZ nemajú záporné hodnoty a práve tento systém sa používa na opis štandardného pozorovateľa CIE.
Údaje XYZ je možné získať meraním na kolorimetroch, ktoré majú stupnice priamo odstupňované v XYZ (je to možné aj napriek nereálnosti hlavných podnetov XYZ), alebo výpočtom z údajov spektrálneho rozloženia odrazovej, priepustnej alebo emisnej energie. Po vypočítaní farebných súradníc vyššie uvedených metamérnych kriviek v systéme XYZ získame rovnaké farebné súradnice týchto dvoch stimulov. Bez ohľadu na spektrálne rozloženie budú mať stimuly, ktoré vytvárajú rovnaký farebný vnem, rovnaké farebné súradnice XYZ. To znamená, že tento systém popisuje, ako bude náš vizuálny systém vnímať farebné podnety a dá sa použiť na číselný opis farby.
V praxi sa najčastejšie používa derivácia súradnicového systému XYZ - xyY, ktorý bol získaný jednoduchým prepočtom z XYZ:
kde X a y- chromatické súradnice a Y— koeficient jasu, ktorý zostáva nezmenený (nastavenie jasu farby hodnotou Y bolo stanovené pri vytváraní systému XYZ).
Chroma je dvojrozmerná veličina, ktorá zahŕňa pojem odtieň a sýtosť. Práve xy chromatické diagramy môžeme najčastejšie vidieť pri grafickom zobrazení súradníc farieb. Tento diagram je znázornený na nasledujúcom obrázku:
Čierna uzavretá krivka predstavuje súradnice chromatickosti všetkých spektrálne čistých a purpurových stimulov. V jeho vnútri sú všetky ostatné farby, ktorých sýtosť sa s približovaním bieleho bodu znižuje (napríklad pre denné svetlo má biely bod súradnice xy 0,31, respektíve 0,33).
Xy diagram umožňuje vizuálne zobraziť farebnosť rôznych podnetov, farebné škály zariadení a porovnať ich. Tento diagram má však jednu významnú nevýhodu: rovnaké vzdialenosti na grafe nezodpovedajú rovnakému farebnému rozdielu, aký zažíva náš vizuálny systém. Túto nerovnosť znázorňujú dva biele segmenty na predchádzajúcom obrázku. Dĺžky týchto segmentov zodpovedajú pocitu rovnakého farebného rozdielu. Inými slovami, rovnaká vzdialenosť na grafe v jednej z jeho zón môže byť vnímaná ako jasne viditeľný rozdiel vo farbe, zatiaľ čo v inej zóne nebude pozorovaný žiadny rozdiel.
Na prekonanie tohto nedostatku vyvinul výbor CIE v 60. až 70. rokoch dvadsiateho storočia sériu rovnako kontrastné(jednotné pre vnímanie) grafy a škály, v ktorých jednotka škály zodpovedá vždy rovnakému rozdielu vo vnímaní farieb. Najbežnejším z nich je systém CIE LAB alebo L * a * b * alebo jednoducho Lab. Tento systém je rovnako kontrastný nielen vzhľadom na farbu, ale aj vzhľadom na vnímanie jasu podnetu, t.j. ľahkosť. Hodnota L* je rovnaká stupnica jasu kontrastu, zatiaľ čo a* a b* sú jednotné farebné stupnice. Keďže tento systém je trojrozmerný, je zvykom ho nazývať Farebný priestor laboratória.
Priestor Lab sa získava matematickými transformáciami priestoru XYZ, to znamená, že údaje Lab možno získať z údajov XYZ alebo xyY a naopak.
Dôležitou výhodou priestoru Lab, ktorá vyplýva z jeho rovnakého kontrastu, je možnosť numericky špecifikovať rozdiel v porovnávaných farbách. Hodnota tohto rozdielu bude obvyklá geometrická vzdialenosť medzi súradnicami týchto farieb, ktorá je označená ako ∆E.
Ak sa chcete dozvedieť, ako systémy farebných súradníc XYZ a Lab používajú moderné systémy správy farieb, ako aj získať pokyny a tipy na ich nastavenie, môžete si prečítať túto stránku.
Základom modernej teórie farieb je teória Helmholtza a Heringa o trikolórnych farebných vnemoch. V súčasnosti uznávaná teória farieb je založená na troch zákonoch pridávania farieb, ktoré stanovil Grassmann.
V súlade s prvým zákonom možno akúkoľvek farbu považovať za súbor troch lineárne nezávislých farieb, teda takých troch farieb, z ktorých žiadnu nemožno získať pridaním ďalších dvoch.
Z druhého zákona vyplýva, že celý rozsah farieb je súvislý, to znamená, že nemôže existovať farba, ktorá nesusedí s inými farbami. Nepretržitými zmenami žiarenia je možné meniť akúkoľvek farbu na inú.
Tretí zákon o pridávaní farieb hovorí, že určitá farba získaná pridaním niekoľkých zložiek závisí iba od ich farieb a nezávisí od ich spektrálneho zloženia. Na základe tohto zákona možno rovnakú farbu získať rôznymi kombináciami iných farieb. V súčasnosti je všeobecne akceptované považovať akúkoľvek farbu za kombináciu modrej, zelenej a červenej, ktoré sú lineárne nezávislé. Podľa tretieho zákona miešania farieb však existuje nespočetné množstvo ďalších kombinácií troch lineárne nezávislých farieb.
Medzinárodná komisia pre osvetlenie (CIE) prijala farby monochromatického žiarenia s vlnovými dĺžkami 700, 546,1 a 435,5 nm ako tri základné farby, označované R, G, B.
Ak sú tieto tri základné farby usporiadané v priestore vo forme troch vektorov vychádzajúcich z jedného bodu, ktoré označujú zodpovedajúce jednotkové vektory r, g, b, potom akúkoľvek farbu F, možno vyjadriť ako vektorový súčet:
F=Rr+Gg+Bb
kde R, G, B - moduly farieb úmerné počtu základných farieb vo výslednej celkovej farbe; tieto moduly sa nazývajú farebné súradnice.
Farebné súradnice jednoznačne charakterizujú farbu, t.j. človek necíti rozdiel vo farbách, ktoré majú rovnaké súradnice. Rovnaké farebné súradnice však neznamenajú rovnaké spektrálne zloženie. Vzorky, ktorých farba je charakterizovaná rôznymi spektrami, ale majú rovnaké farebné súradnice, sa nazývajú metamerický. Vnímaná farba zafarbenej vzorky závisí od zdroja, v ktorom je pozorovaná. Metamérne vzorky, ktoré majú rovnakú farbu vo svetle jedného zdroja, sú odlišné vo svetle iného zdroja.
Systém použitý na vyjadrenie údajov merania farieb je X,
Y,
Z.
V tomto systéme sa tri základné farby považujú za farby, ktoré v skutočnosti neexistujú, ale sú lineárne spojené s farbami R, G a AT.
Farba v systéme XYZ je vyjadrený ako vektorový súčet:
F=xx+Yy + Zz
Na rozdiel od systému RGAT všetky skutočné farby v systéme XYZ majú kladné súradnice. Svetlosť základných farieb X a r braná rovná nule, teda jas farby F možno charakterizovať iba jednou farebnou súradnicou Y,
Konkrétne súradnice spektrálne čistých farieb rôznych vlnových dĺžok (špecifické farebné súradnice) sú znázornené na obr.
Pomer farebnej súradnice k súčtu všetkých troch súradníc sa nazýva farebná súradnica. Sú označené súradnice chromatickosti zodpovedajúce farebným súradniciam X, y,z
x=X/(X+Y+Z) atď.
Je zrejmé, že:
X+ y +z=1
Je tiež zrejmé, že chromatické súradnice zostávajú nezmenené pri proporcionálnom zvyšovaní alebo znižovaní všetkých farebných súradníc. Súradnice chromatickosti teda jednoznačne charakterizujú iba farba, ale neberú do úvahy jas farby. Skutočnosť, že súčet všetkých súradníc farebnosti je rovný jednej, umožňuje použiť na charakterizáciu farebnosti iba dve súradnice, čo zase umožňuje graficky znázorniť farebnosť v karteziánskych súradniciach.
Grafické znázornenie farebnosti v súradniciach X, r sa nazýva farebná schéma (obr.).
Body zodpovedajúce spektrálne čistým farbám sú vynesené do farebnej schémy. Sú umiestnené na otvorenom oblúku. Biela farba zodpovedá bodu C s chromatickými súradnicami X = 0,3101 a y = 0,3163. Konce krivky sú stiahnuté segmentom, na ktorom sa nachádzajú fialové tóny, ktoré v spektre chýbajú. Vlnová dĺžka purpurového tónu je označená číslom s ťahom a rovná sa vlnovej dĺžke doplnkovej farby, t.j. farby umiestnenej v bode priesečníka priamky prechádzajúcej bodom danej purpurovej farby a bod s, s krivkou spektrálne čistých farieb. Na segmentoch spájajúcich biely bod s bodmi na okraji diagramu sú farby rovnakého farebného tónu.
Farebný tón (dominantná vlnová dĺžka) - ide o vlnovú dĺžku zodpovedajúcu maximu v spektre odrazivosti vzorky (alebo priepustnom spektre priehľadnej vzorky), alebo vlnovú dĺžku monochromatického žiarenia, ktoré je potrebné pridať k bielej, aby sa získala daná farba.
Čistota farieb (sýtosť) akejkoľvek farby je definovaný ako pomer jasu monochromatickej zložky k súčtu jasu monochromatickej a bielej zložky. Jas - toto je hodnota, ktorá charakterizuje množstvo svetla odrazeného od vzorky. Ako už bolo uvedené, jas v trojfarebnom systéme sa berie ako hodnota farebných súradníc Y.
Ak vezmeme nejakú farbu na farebnú schému a označíme ju bodkou a, potom sa jeho celkový jas bude rovnať Ya, a jas monochromatickej zložky, úmerný relatívnej vzdialenosti farby od bieleho bodu, bude vyjadrený pomerom: Yll2/(l1+l2).
Farbu teda možno charakterizovať tromi spôsobmi, pričom na jej charakterizáciu sa v každom prípade používajú tri veličiny:
1) farebné súradnice X, Y, Z,
2) chromatické súradnice X a pri v spojení s farebnou súradnicou Y;
3) farebný tón l, čistota farieb R a jas Y.
Meranie belosti.
Jedným z hlavných ukazovateľov bielych pigmentov a plnív je ich belosť. belosť nazývaný stupeň aproximácie farby ideálnej bielej. V ideálnom prípade je biela plocha, ktorá difúzne odráža všetko na ňu dopadajúce svetlo v celej viditeľnej oblasti spektra. Ako referenčná sa však môže použiť iná preferovaná biela vzorka.
Existuje pomerne veľa rôznych spektrofotometrických a kolorimetrických metód hodnotenia belosti. Na hodnotenie belosti bielych pigmentov sa najčastejšie používajú hodnoty farebných rozdielov medzi meranou vzorkou a akceptovaným štandardom. Belosť W sa v tomto prípade vypočíta podľa vzorca:
DE - úplný farebný rozdiel.
Ryža. 6.10. Schéma na výpočet farebných súradníc podľa všeobecnej metódy Ryža. 6.11. Schéma pre výpočet farebných súradníc metódou zvolených ordinátov Ryža. 6.12. Prahová elipsa: C - základná farba; A, B, C, D, E, F, G, H, I - farby, ktoré sa líšia od základnej o jeden prah Ryža. 6.13. Prahové McAdamove elipsy Ryža. 6.14. Rovnomerný kontrast UV farieb Ryža. 6.15. Farba tela laboratória a graf ab Ryža. 6.16. Prahové hodnoty rozlišovania farieb v subtraktívnej syntéze: 1 - nenasýtené farby; 2- nasýtený; 3 - pamätná
Na reprodukciu farby je potrebné poznať vlastnosti reprodukovaného objektu aj získaného výsledku (napríklad farebný originál a jeho reprodukcia). V tomto prípade sa na posúdenie kvality nezaobíde bez farebných meraní, bez prísneho popisu farby. Štúdium merania farieb sa nazýva kolorimetria alebo farebná metrológia.
Teória farieb využíva v zásade dva spôsoby popisu farby – pomocou kolorimetrických systémov a systémov špecifikácií. V tejto časti sa budú brať do úvahy iba princípy konštrukcie kolorimetrických systémov.
Jeden spôsob určenia farby je založený na jej meraní podľa princípu syntézy. V zariadeniach - kolorimetroch (podrobnejšie sa o nich hovorí v podkapitole 8.1), kde je tento princíp implementovaný, sa pomocou troch hlavných syntetizuje farba, ktorá je identická s nameranou farbou.
Dve strany hranola tvoria fotometrické pole. Do jednej polovice poľa smeruje merané žiarenie C a do druhej polovice hlavné R, G, B. Úpravou množstva hlavných sa dajú vyrovnať farby oboch polovíc poľa. Po znalosti charakteristík zariadení absorbujúcich svetlo (membrány, kliny) je možné nájsť množstvá hlavných a z nich - súradnice meranej farby. Po definovaní farebných súradníc je ľahké reprodukovať samotnú farbu.
Niekedy sa namiesto farebných súradníc určujú psychofyzikálne charakteristiky farby: dominantná vlnová dĺžka, čistota farieb a jas. Ich definícia je založená na skutočnosti, že spektrum obsahuje všetky farby okrem purpurovej. Preto je možné pre akýkoľvek svetelný lúč zvoliť spektrálnu farbu, ktorá je identická s farbou nameranou farebným tónom. Na obr. 6.1 ukazuje schému merania podľa tohto princípu.
V tomto prípade je štandardom monochromatické žiarenie M, izolované zo spektra. Keďže meraný a monochromatický lúč sa môžu líšiť v sýtosti, na okraj hranola smeruje spolu s monochromatickým aj biele žiarenie B. Poznáme vlnovú dĺžku monochromatického žiarenia M, jeho množstvo a množstvo bielej potrebnej na získanie identickej farby. až C, psychofyzikálne charakteristiky meraných farieb.
Vlnová dĺžka monochromatického žiarenia, zhodná s nameranou farbou, sa nazýva dominantná vlnová dĺžka(definované "> Sýtosť farieb C je charakterizovaná kolorimetricky čistota farby. Určuje podiel tohto monochromatického žiarenia, ktoré po zmiešaní s bielou poskytuje vizuálnu identitu s uvažovaným žiarením (farbou), sa vypočíta podľa vzorca
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/Blam- jas monochromatického žiarenia; prechod" href="part-005.htm#i1304"> časť 5.1.7).
Výber základných farieb, obmedzený iba podmienkou lineárnej nezávislosti medzi nimi, vám umožňuje mať neobmedzený počet kolorimetrických systémov.
Jeden z týchto systémov je hlavným fyziologickým systémom GLC. V tomto systéme sú farebné súradnice K, 3 a C úrovne excitácie troch prijímačov oka v jednotlivých hodnotách CCD - farebných zložiek. Zvláštnosť fyziologického systému spočíva v tom, že na rozdiel od všetkých ostatných systémov (vrátane tých, o ktorých sa bude ďalej uvažovať), v ňom nie je akákoľvek farba vyjadrená len súčtom troch hlavných, ale je určená aj úrovňou a pomer reakcií troch receptorov oka vnímajúcich farbu (pozri obr. 4.7). V tomto ohľade je tento systém obzvlášť dôležitý tam, kde je potrebné analyzovať reakcie receptorov vnímajúcich farbu, adaptáciu farieb atď.
Hlavná ťažkosť pri konštrukcii tohto systému spočíva v nemožnosti presného merania spektrálnej citlivosti každého z troch receptorov na snímanie farieb.
Prvý RGB kolorimetrický systém bol navrhnutý a prijatý v roku 1931 Medzinárodnou komisiou pre osvetlenie (CIE), v literatúre sa často používa skratka CIE od francúzskej Commision Internationale de I "Eclairage namiesto CIE. Výber základných farieb tohto systém bol realizovaný na základe nasledujúcich požiadaviek.
1. Vybrané hlavné by sa mali dať ľahko reprodukovať.
2. Každý z vybraných hlavných by mal vzbudzovať, ak je to možné, iba jednu skupinu receptorov vnímajúcich farbu.
S prihliadnutím na rok vývoja prvého kolorimetrického systému treba poznamenať, že za najreprodukovateľnejšie žiarenie sa vtedy považovali plynové lampy, z ktorých sa monochromatické žiarenie ľahko oddeľovalo pomocou svetelných filtrov. V tomto ohľade boli ako hlavné vybrané žiarenie CIE:
červená (vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/LamG.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Pre prechod na energetické veličiny nie sú koeficienty jasu, ale jednotky jasu sa berú ako jednotky množstiev základného RGB: vzorec "src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6- 1-2.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Vzhľadom na to, že jas je úmerný svetelným tokom, môžeme predpokladať, že s pomerom svetelných tokov platí vzorec "src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/219-3. gif" align="absmiddle" alt="(!LANG:v lúmenoch:
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/Fo-lambda.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Zatiaľ čo def. "> R + GG + BB . (6.1.4)
Ak chcete prejsť na rovnicu chromatickosti, nájdeme farebný modul m - súčet farebných súradníc (m = R + G + B) a potom každý z členov rovnice (6.1.4) vydelíme modulom:
kde r, g, b sú súradnice chromatickosti.
Jas farieb (vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/220-1.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Ak vezmeme do úvahy (6.1.2), prechádzame od jednotiek jasu ku koeficientom jasu, dostaneme
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-7.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Súčet v zátvorkách vyjadruje jas jednej farby..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Nahradenie súčtu v zátvorkách výrazu (6.1..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Stanovenie psychofyzikálnych charakteristík dominantnej vlnovej dĺžky a čistoty farieb v CIERGB sa uskutočňuje podľa chromatického diagramu rg získaného pomocou adičných kriviek.
Vzorec sčítacích kriviek" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/rgb.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:) (obr. 6.2). Preto sa hodnoty súradníc sčítacích kriviek nazývajú špecifické, t.j. na jednotku výkonu.
V CIERGB boli ordináty adičných kriviek (špecifické súradnice) stanovené empiricky. Experimentálne boli nájdené špecifické súradnice výberom zmesi základných RGB žiarenia so spektrálnymi žiareniami ľubovoľnej sily a následným delením ich súradníc výkonom:
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/r-lam-.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:má v určitej oblasti zápornú hodnotu. To naznačuje, že na získanie farebnej rovnosti musí byť jedna zo základných farieb zmiešaná so skúmaným spektrom.
Výber sčítacích kriviek "> Obr. 6.3
). Na takto získanej čiare (na obrázku je znázornená bodkovanou čiarou) sú jednotlivé purpurové farby maximálnej sýtosti. V spektre nie sú žiadne fialové farby. Získavajú sa umelo zmiešaním červenej a fialovej farby v rôznych množstvách. Oblasť ohraničená miestom a prerušovanou čiarou sa nazýva oblasť skutočných farieb. Mimo tejto oblasti sú farby sýtejšie ako skutočné.Ako je možné vidieť na obr. 6.3, farebný trojuholník rОg je celý umiestnený vo vnútri regiónu, ohraničený lokusom. Všetky farby v trojuholníku majú kladné chromatické súradnice. Pre farby mimo trojuholníka má jedna z chromatických súradníc zápornú hodnotu. Je to spôsobené prítomnosťou oblasti záporných hodnôt výberu krivky sčítania "\u003e Obr. 6.4). Lokus je zakrytý čiarou purpurovej farby.
Tento vzorník farieb rg sa vyznačuje nasledujúcimi kolorimetrickými vlastnosťami.
1. Biely bod B má súradnice (0,33; 0,33).
2. Sýtosť farieb sa zvyšuje od bieleho bodu k lokusu.
3. Na priamke spájajúcej biely bod s lokusom ležia farby konštantného odtieňa.
4. Lokus je hranica najsýtejších (spektrálnych) farieb.
Metóda zisťovania farebných charakteristík - dominantná vlnová dĺžka a čistota farieb - je diskutovaná v podkapitole. 7.1.5.2.
Na záver tejto časti je potrebné uviesť dve poznámky týkajúce sa systému CIERGB.
1. Systém CIERGB diskutovaný vyššie je kolorimetrický systém. V súčasnej terminológii sa však pod „systémom RGB“ niekedy rozumie systém popisu farieb, ktorý nie je štandardným kolorimetrickým systémom. Najčastejšie sa s tým stretávame v predtlačových procesoch pri spracovaní informácií o farebnom obrázku. Farby, v tomto prípade takzvaný „RGB systém“, závisia od konkrétneho zariadenia, ako je monitor alebo skener. Nemôžu byť charakterizované konštantnou, špecifickou vlnovou dĺžkou. Napríklad je známe, že farba v rozsahu vlnových dĺžok od 620 nm do 700 nm je červená a akékoľvek žiarenie ľubovoľnej sily v tomto intervale možno nazvať "R". To isté platí pre „G“ a „B“. Rôzne monitory môžu reprodukovať rovnakú farbu rôznymi spôsobmi, pretože každý z nich má svoje vlastné osobné vlastnosti (teplota farieb, fosfor atď.). Ale tieto charakteristiky nie sú konštantné a môžu sa meniť v priebehu času, ako aj od zariadenia k zariadeniu. Preto farby „systému RGB“ závislé od zariadenia nemajú nič spoločné s kolorimetrickým systémom RGB prijatým v roku 1931.
2. Kolorimetrický systém RGB sa v súčasnosti prakticky nepoužíva. Malo by sa chápať ako návod na lepšie pochopenie všeobecných princípov metrológie farieb na základe skutočných základných farieb. Preto sa mu v tejto učebnici venuje pozornosť.
Treba poznamenať, že CIERGB slúžil ako základ pre väčšinu kolorimetrických systémov vyvinutých neskôr. Preto nedostatky, ktoré boli základom tohto kolorimetrického systému, sa neskôr preniesli na iné.
Súčasne s kolorimetrickým systémom RGB bol prijatý ďalší. Ako hlavné v ňom boli zvolené farby sýtejšie ako spektrálne farby. Vzhľadom na to, že v prírode takéto farby nie sú, boli označené symbolmi XYZ a samotný kolorimetrický systém sa nazýval CIEXYZ. Vývoj tohto kolorimetrického systému bol podnietený množstvom dôvodov spojených s určitými nepríjemnosťami pri práci so systémom CIERGB.
Jednou z nevýhod systému CIERGB je prítomnosť negatívnych súradníc pre množstvo reálnych farieb, čo sťažuje výpočet farebných charakteristík zo spektrálnych kriviek. Ďalším výrazným nedostatkom systému CIERGB je nutnosť stanovenia všetkých troch farebných zložiek, aby bolo možné určiť kvantitatívnu charakteristiku farby – jas.
V tejto súvislosti sa za základ pre konštrukciu kolorimetrického systému XYZ vzali tieto ustanovenia:
1) všetky skutočné farby musia mať iba kladné súradnice;
2) jas by mal byť určený jednou farebnou súradnicou;
3) súradnice bielej farby zdroja rovnakej energie (pre zdroj rovnakej energie pozri pododdiel 7.1.8) musia mať súradnice 0,33; 0,33.
Pomocou matematických transformácií, s prihliadnutím na vyššie uvedené požiadavky, bolo možné uskutočniť prechod z reálnych CIERGB farieb na neskutočné (presýtené) CIEXYZ.
V súlade s druhou podmienkou na zostavenie kolorimetrického systému XYZ majú farby X a Z koeficienty jasu rovné nule, vzorec "src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/Ly .gif" " align="absmiddle" alt="(!LANG:= 1). V tomto prípade je vzorec na výpočet jasu B značne zjednodušený:
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-12.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Vo všeobecnosti je farebná rovnica v CIEXYZ napísaná takto:
C \u003d XX + YY + ZZ.
Prechod na rovnicu chromatickosti v CIEXYZ sa vykonáva cez m rovnakým spôsobom ako v systéme CIERGB (pozri vzorec 6.1.5):
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/xyz.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:.
Ako už bolo spomenuté, pri vývoji kolorimetrického systému XYZ bola stanovená podmienka, že skutočné farby by nemali mať záporné súradnice..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:nemajú záporné hodnoty (obr. 6.5). Sú určené vzorcami (6.1.13) a majú rovnaký význam ako ordináty kriviek v systéme CIERGB:
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/y-lam-.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:sa tvarom a polohou zhoduje s krivkou relatívnej svetelnej účinnosti..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:je vysvetlená podmienkami konverzie CIERGB na CIEXYZ. Oblasti ohraničené každou krivkou a súradnicovou osou sú rovnaké.
Pri používaní systému CIEXYZ sa zistilo, že hodnoty konkrétnych farebných súradníc výberu "> Obr. 6.6
(Krivky sčítania Xyz 1931 a vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/225-1.gif" border="0" align="absmiddle" alt="( ! jazyk:v roku 1964 boli odporúčané CIE ako dodatočné farebné činidlá. Systém výberu "> Obr.6.7 sa v rg chromatickom diagrame zásadne nelíši Jeho vlastnosti sú rovnaké, rozdiel je len v tom, že lokus sa nachádza vo vnútri jednotkového chromatického trojuholníka Biely bod zodpovedá súradniciam rovno- zdroj energie E (0,33; 0,33).Farebný graf xy sa používa na nájdenie kvalitatívnych charakteristík farby výberu dominantnej vlnovej dĺžky "> Obr. 6.8 (definičný vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/226 .gif" border=" 0" align="absmiddle" alt="(!LANG:. Spojte bod E s bodom C a predĺžte čiaru k priesečníku s lokusom..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:). To znamená, že farba C je zelená (zelená má interval v spektre od 510 do 565 nm).
Stanovenie charakteristík farebnosti purpurových farieb má svoju zvláštnosť. Nenachádzajú sa v spektre, a preto na lokuse chýbajú aj body vyjadrujúce farebnosť fialových farieb s určitou vlnovou dĺžkou (na farebnom grafe xy sú konce lokusu charakterizujúce červenú a fialovú farbu navzájom spojené líniou fialových farieb).
Zachytením bodu P v blízkosti tejto čiary, ktorý charakterizuje fialovú farbu (pozri obr. 6.8), vyjadríme jej farebný tón. Aby sme to urobili, ako v predchádzajúcom príklade, spojíme bod E s bodom P a predĺžime až po priesečník s miestom..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:, v opačnom smere ku križovatke s lokusom..gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:vyjadruje farbu komplementárnu k farbe P.
V uvažovaných príkladoch sú farby ležiace na čiarach vzorca" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-14.gif" border="0" zarovnať ="absmiddle" alt ="(!LANG:
kde vzorec je" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/227.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:- súradnice svetelného zdroja (v našom prípade E). Použije sa jeden zo vzorcov, ktorého čitateľom je prechod "href="part-007.htm#i1751">odst. 7.1.8), podľa ktorého sa stavby vykonávajú.
Berúc do úvahy rôzne požiadavky kladené praxou reprodukcie farieb, bolo vytvorených niekoľko kolorimetrických systémov. V každom z nich boli za určitých podmienok vybrané tie hlavné.
Prechod z jedného farebného súradnicového systému do druhého sa spravidla uskutočňoval pomocou prepočtu. Takto prebiehal prepočet z reálnych farieb systému CIERGB na neskutočné CIEXYZ. Keďže súradnice neskutočných (sýtejších ako spektrálnych) farieb sa experimentálne nedajú určiť, metóda prepočtu je v podstate jediná. Z Grassmannovho zákona vyplýva, že medzi súradnicami akýchkoľvek farieb vyjadrených v rôznych sústavách by mal existovať lineárny vzťah. V tomto smere je transformácia kolorimetrických systémov založená na riešení lineárnych rovníc.
Na prechod z jedného kolorimetrického systému do druhého je potrebné zmerať hlavný starý systém v súradniciach nového systému. Pozrime sa na to na príklade.
Nech je farba vyjadrená rovnicou v základnom systéme RGB:
C \u003d RR + GG + BB. (6.1.15)
Definuje súradnice tejto farby, ale v základnom systéme XYZ:
C \u003d XX + YY + ZZ.
Pre takýto prechod je potrebné zmerať súradnice starých hlavných CIERGB v novom CIEXYZ.
Nech sa získa nasledujúci výsledok (podobný (5.1.1)), ktorý ukazuje princípy prechodu z jedného systému do druhého:
vzorec" src="http://hi-edu.ru/e-books/xbook322/files/6-1-17.gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:
Tento vzorec ukazuje vzťah medzi súradnicami starého a nového systému:
žiarenie" a „zdroj". Pojem „zdroj" označuje fyzický objekt, ktorý vydáva jedno alebo druhé žiarenie (napríklad slnko atď.). Pojem „žiarenie" označuje určité spektrálne rozloženie energie dopadajúcej na spektrálne rozloženie nemusí byť odvodené z jedného zdroja.
V roku 1931 CIE stanovila množstvo štandardných emisií a zdrojov. Ich stručný popis je uvedený nižšie.
Štandardné žiarenie A charakterizované rovnakým rozložením žiarenia vo viditeľnej časti spektra ako úplne čierne teleso pri T \u003d 2856 K. Toto je priemerná teplota farby žiarovky.
Štandardné žiarenie B reprodukuje rozloženie energie v spektre priameho slnečného žiarenia s korelovanou farebnou teplotou T = 4874 K.
Štandardné žiarenie C reprodukuje žiarenie dennej oblohy pokrytej mrakmi s korelovanou farebnou teplotou T = 6774 K.
Ako ukázali neskoršie štúdie, žiarenie denného svetla nie je vždy presne reprodukované žiarením B a C. Okrem toho sa ukázalo, že je potrebné plnšie zohľadňovať ultrafialový rozsah spektra denného svetla, najmä pri hodnotení farebných charakteristík luminiscenčných objektov. V tomto smere CIE v roku 1963 určila spektrálne rozloženie rôznych fáz denného svetla v rozsahu 300-830 nm a odporučila niekoľko nových žiarení D. Žiarenie D65 – s korelovanou farebnou teplotou 6504 K. V súčasnosti je akceptované CIE ako štandard. Keďže použitie iba žiarenia D65 spĺňalo potrebné požiadavky, boli pre CIE navrhnuté žiarenia D50, D55 a D75. O50 a D55 s korelovanou farebnou teplotou 5000 K a 5500 K sú pre tie aplikácie, kde sa vyžaduje žltkastá fáza denného svetla a D75 pre modrú fázu denného svetla.
Štúdie ukázali, že farebnosť žiarenia denného svetla sa nezhoduje s farebnosťou čierneho telesa a denné žiarenie je možné charakterizovať teplotou čierneho telesa len v určitej aproximácii. Preto sa teplota farby denného svetla nazýva korelovaná teplota farby.
Štandardné zdroje CIE (A, B, C,....gif" border="0" align="absmiddle" alt="(!LANG:s T \u003d 6504 K. Okrem nich CIE zriadila zdroje emisií "\u003e Obr. 6.9 - krivky relatívneho spektrálneho rozloženia energie v emisnom spektre množstva zdrojov odporúčaných CIE.
| Zdroj | Farebnosť x | Chromatickosť y | Teplota farby, K |
| A | 0,4476 | 0,4074 | 2856 |
| AT | 0,3484 | 0,3516 | 4874 (4800) |
| s | 0,3101 | 0,3162 | 6774 (6500) |
| D55 | 0,3324 | 0,3475 | 5503 |
| D65 | 0,3127 | 0,3290 | 6504 |
| D75 | 0,2990 | 0,3150 | 7504 |
Ktoré vznikajú pri práci s obrazom a mnohé ďalšie témy, napríklad na tému spracovania obrazu, tak či onak ovplyvňujú problematiku farieb a reprodukcie farieb. Ale, žiaľ, väčšina týchto článkov popisuje pojem farby a vlastnosti jej reprodukcie veľmi povrchne, prípadne z nich vyvodzujú unáhlené závery či dokonca chyby. Množstvo článkov a otázok na špecializovaných fórach o praktických aspektoch presnej reprodukcie farieb, ako aj veľa nesprávnych pokusov odpovedať na tieto otázky aj skúsenými odborníkmi naznačuje, že problémy pri práci s farbami vznikajú pomerne často a nájsť odôvodnené a jasné odpovede na ne ťažké.
Nedostatočné alebo chybné znalosti väčšiny IT špecialistov o reprodukcii farieb sa podľa môjho názoru vysvetľujú skutočnosťou, že štúdiom teórie farieb sa strávi veľmi málo času, pretože jej základy sú klamlivo jednoduché: keďže na sietnici sú tri typy kužeľov, zmiešaním určitých troch farieb možno bez problémov získať celú dúhu farieb, čo v niektorých programoch potvrdzujú ovládacie prvky RGB alebo CMYK. Väčšine sa to zdá dosť a ich túžba po vedomostiach v tejto oblasti končí. Procesy získavania, vytvárania a reprodukovania obrázkov vás však pripravujú na mnohé nuansy a možné problémy, ktoré pomôže vyriešiť pochopenie teórie farieb, ako aj procesov, na ktorých je založená. Táto téma je určená na vyplnenie medzery vo vedomostiach v oblasti vedy o farbách a bude užitočná pre väčšinu dizajnérov, fotografov, programátorov a dúfam, že aj iných IT špecialistov.
Skúste odpovedať na nasledujúce otázky:
- prečo fyzika nedokáže definovať pojem farba?
- Ktorá zo siedmich základných jednotiek SI je založená na vlastnostiach ľudského zrakového systému?
- Aký farebný tón nie je v spektre?
- Ako bolo možné pred 90 rokmi zmerať vnímanie farieb človekom?
- kde sa používajú farby, ktoré nemajú jas?
Definícia pojmu farba. Jeho rozmer
Všetci vieme, že veda sa nezaobíde bez meraní a jednotiek merania a veda o farbách nie je výnimkou. Preto sa najprv pokúsime definovať pojem farba a na základe tejto definície sa pokúsime nájsť spôsoby, ako ju merať.Nikoho neprekvapí, že farby vnímame pomocou našich očí, ktoré na tento účel zachytávajú svetlo sveta okolo nás. Svetlo je elektromagnetické žiarenie v rozsahu vlnových dĺžok 390-740 nm (viditeľné okom), takže skúsme nájsť kľúč k tomu, ako merať farbu vo vlastnostiach týchto lúčov, za predpokladu, že farba je znakom svetla, ktoré vstúpilo naše oči. To nie je v žiadnom prípade v rozpore s našimi myšlienkami: je to svetlo, ktoré vstupuje do očí, vďaka čomu človek vníma farbu.
Fyzika pozná a môže ľahko merať také parametre svetla, ako je výkon a jeho spektrálne zloženie (čiže rozloženie výkonu na vlnových dĺžkach – spektrum). Zmeraním spektra odrazeného svetla, napríklad od modrého a červeného povrchu, uvidíme, že sme na správnej ceste: grafy rozloženia výkonu sa budú výrazne líšiť, čo potvrdzuje náš predpoklad, že farba je vlastnosťou viditeľného žiarenia, keďže tieto povrchy sú rôznych farieb. Prvým problémom, ktorý na nás číha, je potreba zaznamenať aspoň 35 číselných hodnôt spektra (rozsah viditeľných vlnových dĺžok 390-740 nm s krokom 10 nm) na opis jednej farby. Skôr než začneme uvažovať o spôsoboch, ako vyriešiť tento menší problém, zistíme, že spektrá niektorých vzoriek, ktoré sú farebne identické, sa správajú zvláštne (červený a zelený graf):
Vidíme, že spektrá sa výrazne líšia, a to aj napriek nezameniteľne identickej farbe vzoriek (v tomto prípade sivá; takéto dve žiarenia sa nazývajú metamérne). Na formovanie farebného vnemu týchto vzoriek má vplyv iba svetlo, ktoré sa od nich odráža (preskočíme tu vplyv farby pozadia, mieru prispôsobenia oka osvetleniu a iné menšie faktory), pretože jeho spektrálne distribúcia je všetko, čo nám môžu poskytnúť fyzické merania našich vzoriek. V tomto prípade dve výrazne odlišné distribúcie spektra definujú rovnakú farbu.
Uveďme druhý príklad problému spektrálneho popisu farby. Vieme, že lúče každého úseku viditeľného spektra sú pre nás sfarbené do určitej farby: od modrej v oblasti 400 nm, cez modrú, zelenú, žltú, oranžovú až po červenú s vlnovou dĺžkou 650 nm a viac. Žltá je niekde v oblasti 560-585 nm. Môžeme si ale vybrať takú zmes červeného a zeleného žiarenia, ktoré bude vnímané ako žlté aj napriek úplnej absencii akéhokoľvek žiarenia v „žltom“ rozsahu 560-585 nm.
Ukazuje sa, že žiadne fyzikálne parametre nedokážu vysvetliť identitu farby v prvej situácii a prítomnosť žltého sfarbenia lúčov v druhej situácii. Zvláštna situácia? Kde sme urobili chybu?
Pri experimente s meraním spektier sme predpokladali, že farba je vlastnosť žiarenia, ale naše výsledky to vyvracajú, pretože za spektrom boli rôzne lúče svetla, ktoré sú vnímané ako jedna farba. Ak by bol náš predpoklad správny, každá badateľná zmena spektrálnej krivky by spôsobila vnímanú zmenu farby, ktorá nie je pozorovaná. Keďže teraz hľadáme spôsoby merania farby a videli sme, že meranie spektier nemožno nazvať meraním farieb, musíme hľadať iné spôsoby, ako to bude možné.
V skutočnosti sa v prvom prípade uskutočnili dva experimenty: jeden s použitím spektrometra, ktorého výsledkom boli dva grafy, a druhý, vizuálne porovnanie vzoriek osobou. Prvý spôsob meria spektrálne zloženie svetlo a druhý zápalky Cítiť v mysli človeka. Vzhľadom na skutočnosť, že prvá metóda nám nevyhovuje, skúsme použiť osobu na meranie farby, za predpokladu, že farba je pocit, ktorý človek zažíva, keď sa na oči aplikuje svetlo. Ale ako zmerať pocity človeka, pochopiť zložitosť a neistotu tohto konceptu? Neponúkajte elektródy mozgu ani encefalogram, pretože ani teraz takéto metódy neposkytujú potrebnú presnosť pre taký jemný koncept, akým je farba. Navyše, tento problém bol úspešne vyriešený už v 20. rokoch 20. storočia bez dostupnosti väčšiny súčasných technológií.
Jas
Prvým problémom, na ktorého riešenie bolo potrebné numericky vyjadriť vizuálne vnemy človeka, bola úloha zmerať jas svetelných zdrojov. Meranie výkonu žiarenia lámp (konkrétne výkon žiarenia v jouloch alebo wattoch a nie spotrebovaný elektrický výkon) na túto otázku nezodpovedalo, pretože po prvé, človek nevidí žiarenie s vlnovými dĺžkami menšími ako 380 a viac. ako 780 nm, a preto akékoľvek žiarenie mimo tohto rozsahu neovplyvňuje jas zdroja. Po druhé, ako sme už videli pri spektrách, vnímanie farby (a jasu) je zložitejší proces ako jednoduché stanovenie charakteristík svetla, ktoré vstupuje do našich očí: ľudské videnie je citlivejšie na niektoré zóny spektra a menej ostatným. Napríklad zelené žiarenie je oveľa jasnejšie ako modré žiarenie rovnakej sily. Je zrejmé, že na vyriešenie problému numerického vyjadrenia jasu svetelných zdrojov je potrebné kvantifikovať citlivosť ľudského zrakového systému pre všetky jednotlivé vlnové dĺžky spektra, ktoré potom možno použiť na výpočet príspevku každej vlnovej dĺžky svetelného zdroja. zdroja na jeho celkový jas. Rovnako ako vyššie uvedený problém s meraním farby, aj tento sa scvrkáva na potrebu merať pocit jasu osobou.Bolo možné zmerať pocit jasu zo žiarenia každej vlnovej dĺžky vizuálnym porovnaním jasu žiarenia so známymi silami osoby. Je to celkom jednoduché: ovládaním intenzity žiarenia je potrebné vyrovnať jas dvoch monochromatických (spektrálnych čo najužších) prúdov a súčasne merať ich sily. Napríklad na vyrovnanie jasu monochromatického žiarenia s vlnovou dĺžkou 555 nm s výkonom jeden watt by sa malo použiť dvojwattové žiarenie s vlnovou dĺžkou 512 nm. To znamená, že náš zrakový systém je dvakrát citlivejší na prvé žiarenie. V praxi sa pre vysokú presnosť výsledkov uskutočnil zložitejší experiment, čo však nemení podstatu toho, čo bolo povedané (proces je podrobne opísaný v pôvodnej vedeckej práci z roku 1923). Výsledkom série takýchto experimentov pre celý viditeľný rozsah je krivka spektrálnej svetelnej účinnosti (môžete nájsť aj názov „krivka viditeľnosti“):
Vlnové dĺžky sú vynesené pozdĺž osi X a relatívna citlivosť ľudského zrakového systému na zodpovedajúcu vlnovú dĺžku je vynesená pozdĺž osi Y.
Ak máte zariadenie s rovnakou spektrálnou citlivosťou, môžete na ňom ľahko určiť jas požadovaných svetelných emisií. Práve pod takouto krivkou sa starostlivo nastavuje citlivosť rôznych fotometrov, luxmetrov a iných zariadení, pri práci ktorých je dôležité určiť jas vnímaný človekom. Citlivosť takýchto zariadení je však vždy len aproximáciou krivky spektrálnej svetelnej účinnosti človeka a na presnejšie merania jasu sa používa spektrálne rozloženie požadovaného svetelného zdroja.
Spektrálne rozloženie sa získa rozdelením žiarenia do úzkych spektrálnych zón a meraním výkonu každej z nich samostatne. Jas nášho zdroja môžeme považovať za súčet jasu všetkých týchto spektrálnych zón, a preto určujeme jas každej z nich (vzorec pre tých, ktorí nemajú záujem čítať moje vysvetlenia na prstoch): vynásobte nameraný výkon citlivosťou nášho zrakového systému zodpovedajúcej tejto vlnovej dĺžke (os y a x predchádzajúceho grafu). Zhrnutím takto získaných jasov všetkých zón spektra získame jas nášho primárneho žiarenia vo fotometrických jednotkách, ktoré dávajú presnú predstavu o vnímanej jasnosti určitých objektov. Jedna z fotometrických jednotiek je zahrnutá do základných jednotiek SI - kandela, ktorá sa určuje pomocou krivky spektrálnej svetelnej účinnosti, teda na základe vlastností ľudského zrakového systému. Krivka relatívnej citlivosti ľudského zrakového systému bola prijatá ako medzinárodný štandard v roku 1924 Medzinárodnou komisiou pre osvetlenie (v sovietskej literatúre sa dá nájsť skratka CIE), alebo CIE – Commission Internationale de l „Éclairage“.
Systém CIE RGB
Ale krivka spektrálnej svetelnej účinnosti nám dáva predstavu len o jase svetelného žiarenia a môžeme pomenovať jej ďalšie charakteristiky, napríklad sýtosť a odtieň, ktoré sa s jej pomocou nedajú vyjadriť. Podľa spôsobu merania jasu teraz vieme, že iba človek môže priamo „merať“ farbu (nezabudnite, že farba je pocit) alebo nejaký model svojej reakcie, ako je krivka spektrálnej svetelnej účinnosti, ktorá vám umožňuje na číselné vyjadrenie pocitov jasu. Predpokladajme, že na meranie farby je potrebné experimentálne s pomocou človeka vytvoriť, analogicky s krivkou svetelnej účinnosti, určitý systém, ktorý bude zobrazovať farebnú odozvu vizuálneho systému na všetky možné možnosti spektrálneho rozloženia. svetla.Jedna vlastnosť svetelných lúčov je už dlho známa (v skutočnosti je to vlastnosť nášho vizuálneho systému): ak zmiešate dve rôzne farebné žiarenia, môžete získať farbu, ktorá bude úplne odlišná od originálu. Napríklad nasmerovaním zeleného a červeného svetla určitých síl na biely list papiera v jednom bode môžete získať čisto žltú škvrnu bez nečistôt zelených alebo červených odtieňov. Pridaním tretieho žiarenia a modrá sa lepšie hodí k existujúcim dvom (pretože neexistuje spôsob, ako ju získať zmesou červenej a zelenej), získame systém, ktorý nám umožní získať veľa farieb.
Ak v takomto zariadení vizuálne vyrovnáme nejaké testovacie žiarenie, dostaneme tri indikátory: intenzitu červeného, zeleného a modrého žiariča (ako napríklad napätie aplikované na lampy). To znamená, že pomocou nášho zariadenia (nazývaného vizuálny kolorimeter), ktorý reprodukuje farby, a nášho vizuálneho systému sa nám podarilo získať číselné hodnoty pre farbu určitého žiarenia, o čo sme sa snažili. Tieto tri významy sa často nazývajú farebné súradnice, pretože je vhodné ich reprezentovať ako súradnice trojrozmerného priestoru.
Podobné experimenty úspešne vykonali v 20. rokoch 20. storočia nezávisle vedci John Guild a David Wright. Wright používal ako hlavné žiarenia monochromatické žiarenie červenej, zelenej a modrej farby s vlnovými dĺžkami 650, 530 a 460 nm, zatiaľ čo Guild používal zložitejšie (nemonochromatické) žiarenia. Napriek výrazným rozdielom v použitom zariadení a skutočnosti, že údaje boli spriemerované iba pre 17 pozorovateľov s normálnym zrakom (10 pre Wrighta a 7 pre Guild), konečné výsledky oboch výskumníkov boli veľmi blízko seba, čo naznačuje vysokú presnosť meraní, ktoré vykonali vedci. Schematicky je postup merania znázornený na obrázku:
Na hornú časť obrazovky sa premieta zmes žiarenia z troch zdrojov a na spodnú časť sa premieta skúmané žiarenie a účastník experimentu ich súčasne vidí cez otvor v závese. Výskumník zadá účastníkovi úlohu vyrovnať farbu medzi políčkami prístroja a zároveň nasmeruje skúmané žiarenie do spodného poľa. Účastník upravuje silu troch žiarení, kým sa mu to nepodarí, a výskumník zaznamenáva intenzitu troch zdrojov.
V mnohých prípadoch nie je možné v takomto experimente vyrovnať určité monochromatické žiarenia: testovacie pole v akejkoľvek polohe troch regulátorov žiarenia zostáva nasýtenejšie ako použitá zmes. Ale vzhľadom na skutočnosť, že účelom experimentu je získať farebné súradnice a nie ich reprodukovať, výskumníci urobili trik: zmiešali jedno hlavné žiarenie zariadenia nie s ostatnými dvoma, ale nasmerovali ho na nižšie časť obrazovky, to znamená, že ju zmiešali s testovacím žiarením:
Ďalej sa vyrovnanie vykonáva ako obvykle, ale množstvo žiarenia, ktoré sa zmieša so skúmaným, sa bude považovať za negatívne. Tu môžeme nakresliť analógiu so zmenou znamienka pri prenose čísla do inej časti obvyklej rovnice: keďže medzi dvoma časťami kolorimetrickej obrazovky je vytvorená vizuálna rovnosť, jej hornú časť možno považovať za jednu časť rovnice a spodná časť ako druhá.
Obaja výskumníci vykonali vizuálne merania všetkých jednotlivých monochromatických emisií vo viditeľnom spektre. Pri skúmaní vlastností viditeľného spektra týmto spôsobom vedci predpokladali, že ich výsledky možno použiť na opis akéhokoľvek iného žiarenia. Vedci pracovali so silami troch nezávislých žiarení a výsledkom série takýchto experimentov sú tri krivky a nie jedna, ako to bolo pri vytváraní krivky svetelnej účinnosti.
Aby sa vytvoril pohodlný a všestranný systém špecifikácie farieb, komisia CIE spriemerovala namerané údaje Gilda a Wrighta a prepočítala ich údaje pre trio základných žiarení s vlnovými dĺžkami 700, 546,1 a 435,8 nm (červená, zelená a modrá, červená, zelená , modrá - RGB). Poznanie pomeru jasov hlavných žiarení takého priemerného systému, ktoré sú potrebné na reprodukciu bielej farby (respektíve 1: 4,5907: 0,0601 pre červené, zelené a modré lúče, ktorý bol stanovený experimentálne s následným prepočítaním) a pomocou spektrálneho krivky účinnosti, členovia CIE vypočítali krivky špecifických farebných súradníc, ktoré ukazujú požadovaný počet troch hlavných vyžarovaní tohto systému pre rovnicu ľubovoľného monochromatického žiarenia s výkonom jeden watt:
Vlnové dĺžky sú vynesené pozdĺž osi X a požadované množstvá troch žiarení potrebných na reprodukciu farby spôsobenej zodpovedajúcou vlnovou dĺžkou sú vynesené pozdĺž osi Y. Negatívne časti grafov zodpovedajú tým monochromatickým emisiám, ktoré nie je možné reprodukovať tromi hlavnými emisiami používanými v systéme a pre ich špecifikáciu je potrebné pri nastavovaní použiť trik opísaný vyššie.
Na zostavenie takéhoto systému si môžeme zvoliť ľubovoľné ďalšie tri žiarenia (pripomíname, že žiadne z nich by nemalo byť reprodukované zmesou ostatných dvoch), čím získame ďalšie špecifické krivky. Hlavné žiarenia vybrané v systéme CIE RGB reprodukujú veľké množstvo spektrálnych žiarení a jeho špecifické krivky sú získané s vysokou presnosťou a štandardizované.
Krivky špecifických farebných súradníc eliminujú potrebu používať ťažkopádny vizuálny kolorimeter s pomalou metódou vizuálnej úpravy na získanie farebných súradníc pomocou človeka a umožňujú ich vypočítať iba zo spektrálneho rozloženia žiarenia, ktoré sa dá pomerne rýchlo a ľahko získať. pomocou spektrometra. Takáto metóda je možná, pretože akékoľvek žiarenie môže byť reprezentované ako zmes monochromatických lúčov, ktorých výkony zodpovedajú intenzite zodpovedajúcej zóny spektra tohto žiarenia.
Teraz skontrolujme naše dve vzorky, pred ktorými to fyzika vzdala, ukazujúce rôzne spektrá pre jednofarebné objekty pomocou kriviek špecifických súradníc vzorca spektrálneho rozloženia, ale tu sú použité tri krivky). Výsledkom budú tri čísla R, G a B, čo sú farebné súradnice v systéme CIE RGB, teda počet troch vyžarovaní tohto systému, ktorých zmes je farebne zhodná s nameraným. Pre naše dve vzorky dostaneme tri identické hodnoty RGB, čo zodpovedá nášmu identickému farebnému vnemu a potvrdzuje náš predpoklad, že farba je vnem a dá sa merať len za účasti nášho zrakového systému, alebo jeho modelu vo forme tri krivky systému CIE RGB alebo nejaké iné, ktorých špecifické súradnice sú známe (ďalší takýto systém založený na iných základných farbách, podrobne zvážime o niečo neskôr). Pomocou kolorimetra CIE RGB na priame meranie svetla odrazeného od vzoriek, teda vizuálnym vyrovnaním farby zmesi troch žiarení systému s farbou každej vzorky, získame rovnaké tri súradnice RGB.
Treba poznamenať, že v kolorimetrických systémoch je obvyklé normalizovať množstvá základného žiarenia tak, aby R=G=B=1 zodpovedalo bielej farbe prijatej v systéme. Pre systém CIE RGB je táto biela farba farbou hypotetického zdroja rovnakej energie, ktorý vyžaruje rovnomerne na všetkých vlnových dĺžkach viditeľného spektra. Bez takejto normalizácie sa systém ukazuje ako nepohodlný, pretože jas modrého zdroja je veľmi malý – 4,5907:0,0601 oproti zelenej a na grafoch by sa väčšina farieb „prilepila“ k modrej osi diagramu. Po zavedení takejto normalizácie (respektíve 1:4,5907:0,0601 pre červené, zelené a modré lúče systému) prejdeme od fotometrických ku kolorimetrickým jednotkám, vďaka ktorým bude takýto systém pohodlnejší.
Je potrebné poznamenať, že systém CIE RGB nie je založený na žiadnej teórii farebného videnia a krivky konkrétnych farebných súradníc nie sú spektrálnou citlivosťou troch typov čapíkov ľudskej sietnice, ako sa často mylne interpretujú. Takýto systém sa ľahko zaobíde bez údajov o vlastnostiach pigmentov sietnicových kužeľov a bez akýchkoľvek údajov o najzložitejších procesoch spracovania vizuálnych informácií v našom mozgu. To hovorí o výnimočnej vynaliezavosti a predvídavosti vedcov, ktorí takýto systém vytvorili napriek zanedbateľným informáciám o vlastnostiach vtedajšieho ľudského zrakového aparátu. Navyše, systém CIE RGB je základom vedy o farbách, zatiaľ čo sa prakticky bez zmien, napriek obrovskému pokroku vedy v minulosti.
Treba tiež poznamenať, že aj keď monitor používa na reprodukciu farieb aj tri žiariče, ako napríklad systém CIE RGB, hodnoty troch farebných komponentov (RGB) monitora nebudú presne špecifikovať farbu, pretože rôzne monitory reprodukujú farby odlišne. pomerne veľký rozptyl a okrem toho hlavné emisie monitorov sú celkom odlišné od hlavných emisií systému CIE RGB. To znamená, že by ste nemali brať hodnoty RGB monitora ako nejaký druh absolútnej definície farieb.
Pre lepšie pochopenie je potrebné poznamenať, že keď hovoríme „žiarenie/zdroj/vlnová dĺžka/lampa je zelená“, myslíme tým skutočne „žiarenie/zdroj/vlnová dĺžka/lampa dáva vám pocit zelená farba“. Viditeľné žiarenie je len podnet pre náš zrakový systém a farba je výsledkom vnímania tohto podnetu a farebné vlastnosti by sa nemali pripisovať elektromagnetickým vlnám. Napríklad, ako v príklade vyššie, pri zmiešaní červených a zelených monochromatických lúčov sa neobjavia žiadne vlny zo žltej oblasti spektra, ale ich zmes vnímame ako žltú.
Neskutočné farby. Systém CIE XYZ
V roku 1931 na Trinity College, Cambridge University (Veľká Británia), na pravidelnom stretnutí CIE, bol systém založený na údajoch Gilda a Wrighta prijatý ako medzinárodný štandard. Taktiež skupina vedcov na čele s Američanom Deanom B. Juddom, aby nečakala na ďalšie zasadnutie výboru, ktoré sa uskutoční najskôr o rok neskôr, navrhla iný systém špecifikácie farieb, ktorého konečné údaje boli vypočítané len večer pred stretnutím. Navrhnutý systém sa ukázal byť natoľko pohodlný a úspešný, že ho výbor prijal bez vážnejšej diskusie.Aby sme pochopili, na základe čoho bol takýto systém vytvorený, musí byť farba znázornená ako vektor, pretože sčítanie dvoch alebo viacerých farieb sa riadi rovnakými pravidlami ako sčítanie vektorov (vyplýva to z Grassmannových zákonov). Napríklad výsledok zmiešania červeného a zeleného žiarenia možno znázorniť ako sčítanie dvoch vektorov s dĺžkami, ktoré sú úmerné jasu týchto žiarení:
Jas zmesi sa bude rovnať dĺžke vektora získaného sčítaním a farba bude závisieť od pomeru jasov použitých žiarení. Čím viac je pomer v prospech jednej zo základných farieb, tým viac bude výsledné žiarenie farebne bližšie k tomuto žiareniu:
Skúsme si podobným spôsobom graficky znázorniť miešanie farieb v kolorimetri použitom na vytvorenie kolorimetra CIE RGB. Ako si pamätáte, používa tri žiarenia červené, zelené a modré. Žiadna farba tejto trojice sa nedá získať súčtom ostatných dvoch, preto bude potrebné reprezentovať všetky možné zmesi týchto žiarení v trojrozmernom priestore, čo nám nebráni využiť vektorové vlastnosti sčítania farieb v tento prípad:
Nie je vždy vhodné kresliť trojrozmerné diagramy, preto sa často používa zjednodušený graf, ktorý predstavuje premietanie všetkých potrebných farieb do jednej roviny (zvýraznenej modrou farbou) trojrozmerného diagramu:
Výsledkom takejto projekcie farebného vektora bude bod na diagrame, ktorého osami budú strany trojuholníka, ktoré sú nastavené bodmi primárnych farieb systému CIE RGB:
Takýto bod bude mať súradnice v systéme tohto trojuholníka vo forme vzdialenosti od akýchkoľvek dvoch jeho strán (tretia súradnica je zbytočná, pretože akýkoľvek bod v trojuholníku môže byť určený dvoma vzdialenosťami od vrcholov alebo strán). Súradnice v takomto trojuholníku sa nazývajú súradnice chromatickosti a určujú také parametre farieb, ako je odtieň (modrá, azúrová, zelená atď.) a sýtosť (šedá, bledá, nasýtená atď.). Vzhľadom na to, že sme prešli z trojrozmerného diagramu na plochý, neumožňuje zobrazenie tretieho parametra farby – jasu, ale v mnohých prípadoch bude stačiť len určenie hodnoty farby.
Aby nedošlo k zámene, osobitne zdôrazňujeme súradnice farby- toto je poloha konca farebného vektora v trojrozmernom systéme a sú označené veľkými písmenami (napríklad RGB, XYZ) a súradnicami farebnosť- toto je poloha farebného bodu na plochom farebnom diagrame a označujú sa malými písmenami (rg, xy) a stačia dve.
Použitie súradnicového systému, v ktorom medzi osami nie je pravý uhol, nie je vždy nepohodlné, preto sa v kolorimetrii častejšie používa taký systém troch vektorov, ktorých jednotková rovina tvorí pravouhlý trojuholník. Jeho dve strany v blízkosti pravého uhla sa používajú ako osi chromatického diagramu:
Umiestnime teraz všetky možné farebnosti na takýto diagram, ktorého limitom bude čiara spektrálne čistých vyžarovaní s čiarou purpurových farieb, často nazývaná locus, ktorá obmedzuje oblasť skutočných farieb na diagrame (červená čiara) :
Čiara purpurovej chromatickosti leží medzi chromatickosťami žiarenia extrémne modrého a červeného konca spektra. Fialové farby nemôžeme spájať so žiadnou zónou spektra, ako sa to dá urobiť s akoukoľvek inou farbou, pretože vnem fialovej vzniká súčasným pôsobením modrého a červeného lúča na náš zrakový systém, a nie iba jedného.
Značná časť lokusu (v pásme 380-546 nm) presahuje trojuholník ohraničený farebnosťami hlavných žiarení, to znamená, že má záporné chromatické súradnice, pretože túto časť spektrálnych žiarení nebolo možné vyrovnať na kolorimeter CIE. To zodpovedá krivkám špecifických farebných súradníc, v ktorých má rovnaká časť spektra záporné súradnice (v rozsahu 380-440 nm sú to malé hodnoty neviditeľné na grafe).
Prítomnosť negatívnych farebných a chromatických súradníc robila kolorimetrické výpočty náročnou úlohou: v 20. a 30. rokoch 20. storočia sa väčšina výpočtov vykonávala pomocou posuvného pravítka a množstvo výpočtov v kolorimetrických prácach je dosť veľké.
Predchádzajúci diagram nám ukazuje, že všetky kladné súradnice majú len farby, ktoré ležia v trojuholníku, ktoré tvoria farebnosť základných žiarení používaných v tomto systéme. Ak by lokus ležal v strede trojuholníka, všetky farby by mali kladné súradnice, čo by značne zjednodušilo výpočty. Ale je úplne nemožné nájsť na lokuse také tri body, ktoré by ho v sebe mohli obsiahnuť, kvôli jeho konvexnému tvaru. Neskôr sa zistilo, že dôvod pre túto formu lokusu spočíva v zvláštnostiach spektrálnej citlivosti troch typov kužeľov v našom oku, ktoré sa navzájom prekrývajú a akékoľvek žiarenie excituje kužele, ktoré sú zodpovedné za inú zónu spektra. , čo znižuje úroveň sýtosti farieb.
Čo ak však prekročíme rámec lokusu a použijeme farby, ktoré sa nedajú reprodukovať a vidieť, ale ktorých súradnice sa dajú ľahko použiť v rovniciach spolu so súradnicami skutočných farieb? Keďže sme už prešli od experimentov k výpočtom, nič nám nebráni použiť takéto nereálne farby, pretože všetky vlastnosti miešania farieb sú zachované! Môžeme použiť ľubovoľné tri farby, ktorých trojuholník môže obsahovať lokus skutočných farieb, a ľahko nakreslíme veľa takýchto trojíc neskutočných základných farieb (bude vhodné postaviť takýto trojuholník čo najtesnejšie okolo lokusu, takže menej nepotrebných oblastí na diagrame):
S takou voľnosťou pri výbere bodiek nových základných farieb sa vedci rozhodli z toho vyťažiť niekoľko užitočných možností pre nový trikolórny systém. Napríklad možnosť určiť fotometrický jas priamo pomocou vytvoreného systému bez dodatočných výpočtov či meraní (v systéme CIE RGB treba jas dopočítať), teda nejako ho skombinovať s fotometrickým štandardom z roku 1924.
Aby sme odôvodnili výber trojice nových farieb (nezabudnite, že existujú len vo výpočtoch), ktoré na to vedci nakoniec vybrali, vráťme sa k našej trojrozmernej farebnej súradnicovej tabuľke. Pre prehľadnosť a jednoduchosť pochopenia použijeme obvyklý pravouhlý súradnicový systém. Umiestnime naň rovinu, na ktorej budú mať všetky farby rovnaký fotometrický jas. Ako si pamätáte, jednotkový jas červeného, zeleného a modrého základného žiarenia v systéme CIE RGB súvisí ako 1: 4,5907: 0,0601, a aby ste sa mohli vrátiť k fotometrickým jednotkám, musia byť brané v pomere 1/1 na 1/4,59 až 1/0, 0601, teda 1:0,22:17, čo nám dá rovinu farieb s rovnakým fotometrickým jasom v kolorimetrickom systéme CIE RGB (priesečník roviny s B- os je mimo obrázku na pozícii 17):
Všetky farby, ktorých súradnice sú v tejto rovine, budú mať rovnaký fotometrický jas. Ak nakreslíme rovnobežnú rovinu dvakrát nižšiu ako predchádzajúca (0,5:0,11:8,5), dostaneme polohu farieb s polovičným jasom:
Podobne nižšie môžete nakresliť novú rovnobežnú rovinu, ktorá pretína počiatok, na ktorej budú umiestnené všetky farby s nulovým jasom a ešte nižšie môžete nakresliť rovnomerné roviny negatívneho jasu. Môže sa to zdať absurdné, ale nezabudnite, že pracujeme s matematickým znázornením trojfarebného systému, kde je toto všetko možné v rovniciach, ktoré budeme používať.
Vráťme sa k plochému diagramu rg tým, že naň premietneme rovinu nulového jasu. Projekciou bude čiara nulového jasu - alychna, ktorá pretína začiatok:
Na alychne sú farebnosti, ktoré nemajú jas a ak použijete farbu na nej umiestnenú vo farebnej rovnici (nie skutočnej, s miešaním svetelných tokov, ale v rovniciach, kde sú takéto farby možné), jas to neovplyvní. výslednej zmesi. Ak na alychne umiestnime dve farby trojfarebného systému, potom bude jas celej zmesi určený iba jednou zostávajúcou farbou.
Pripomínam, že hľadáme farebné súradnice takých troch hypotetických farieb, ktoré dokážu vyrovnať farby všetkých reálnych žiarení bez použitia záporných hodnôt (trojuholník musí zahŕňať celý lokus) a zároveň nový systém bude zahrnúť priamo fotometrický štandard jasu. Umiestnením dvoch farieb na alychnu (s názvom X a Z) a tretej nad lokus (Y) vyriešime oba problémy:
Miesto skutočných farieb je úplne v trojuholníku, ktorý je obmedzený tromi vybranými farbami a jas úplne prešiel na jednu z troch zložiek systému - Y. V závislosti od normalizácie hodnôt a charakter meraní, súradnica Y môže vyjadrovať jas priamo v kandelách na m 2, percento maximálneho jasu niektorého systému (napríklad displej), percento prenosu (napríklad priehľadné vzorky, diapozitívy) alebo jas. vzhľadom na nejaký štandard (pri meraní reflexných vzoriek).
Transformáciou výsledného trojuholníka na obdĺžnikový dostaneme diagram chromatičnosti xy, ktorý mnohí poznajú:
Treba mať na pamäti, že xy diagram je projekciou systému s hlavnými XYZ bodmi na jednotkovú rovinu, podobne je to aj s rg diagramom a RGB systémom. Tento diagram vám umožňuje pohodlne znázorniť farebnosť rôznych emisií, napríklad farebné gamuty rôznych zariadení. Diagram má jednu užitočnú vlastnosť: súradnice chromatickosti zmesi dvoch žiarení budú umiestnené presne na čiare, ktorá spája body týchto dvoch žiarení na diagrame. Preto napríklad farebný rozsah monitora v takejto schéme bude trojuholník.
Graf xy má aj jednu nevýhodu, ktorú treba mať na pamäti: rovnaké pruhy v rôznych oblastiach grafu neznamenajú rovnaký vnímaný rozdiel vo farbe. Znázorňujú to dve biele čiary na predchádzajúcom obrázku. Dĺžky týchto segmentov zodpovedajú pocitu rovnakého farebného rozdielu, ale dĺžka segmentov sa líši o faktor tri.
Vypočítajme krivky konkrétnych farebných súradníc výsledného systému, ktoré znázorňujú potrebný počet troch základných farieb XYZ pre rovnicu ľubovoľného monochromatického žiarenia s výkonom jeden watt:
Vidíme, že v krivkách nie sú žiadne negatívne úseky (čo bolo pozorované v systéme RGB), čo bol jeden z cieľov vytvorenia systému XYZ. Krivka y (y s pomlčkou navrchu) sa tiež úplne zhoduje s krivkou spektrálnej svetelnej účinnosti ľudského zraku (bola diskutovaná vyššie pri vysvetľovaní definície jasu vyžarovaného svetla), takže hodnota Y určuje farbu jas priamo - vypočíta sa rovnakým spôsobom ako fotometrický jas z tej istej krivky. To sa dosiahne umiestnením ďalších dvoch farieb systému do roviny nulového jasu. Preto kolorimetrický štandard z roku 1931 zahŕňa fotometrický štandard z roku 1924, čím sa eliminujú zbytočné výpočty alebo merania.
Tieto tri krivky definujú štandardný kolorimetrický pozorovateľ, štandard, ktorý sa používa pri kolorimetrickej interpretácii spektrálnych meraní a dodnes je základom celej vedy o farbách takmer nezmenenej. Hoci vizuálny kolorimeter XYZ nemôže fyzicky existovať, jeho vlastnosti umožňujú vysoko presné merania farieb a pomáha mnohým odvetviam predvídateľne reprodukovať a komunikovať informácie o farbách. Všetky ďalšie pokroky vo vede o farbách sú založené na systéme XYZ, napríklad na známom systéme CIE L * a * b * a podobne, ako aj na najnovších systémoch CIECAM, ktoré využívajú moderné programy na profilovanie farieb.
Výsledky
- Precízna práca s farbou si vyžaduje jej meranie, ktoré je rovnako potrebné ako meranie dĺžky či hmotnosti.
- Meranie vnímaného jasu (jeden z atribútov zrakového vnemu) svetelných emisií je nemožné bez zohľadnenia vlastností nášho zrakového systému, ktoré boli úspešne študované a zahrnuté vo všetkých fotometrických veličinách (kandela, lumen, lux) v tvar krivky jeho spektrálnej citlivosti.
- Jednoduché meranie spektra skúmaného svetla samo o sebe nedáva odpoveď na otázku jeho farby, pretože je ľahké nájsť rôzne spektrá, ktoré sú vnímané ako jedna farba. Rôzne veličiny, ktoré vyjadrujú rovnaký parameter (v našom prípade farba), naznačujú zlyhanie takejto metódy stanovenia.
- Farba je výsledkom vnímania svetla (farebného podnetu) v našej mysli a nie fyzikálnou vlastnosťou tohto žiarenia, takže tento vnem je potrebné nejakým spôsobom merať. Ale priame meranie ľudských vnemov nie je možné (alebo nebolo možné v čase vytvárania tu popísaných kolorimetrických systémov).
- Tento problém sa obišiel vizuálnym (za účasti osoby) vyrovnávaním farby skúmaného žiarenia zmiešaním troch žiarení, ktorých množstvá v zmesi budú požadovaným číselným vyjadrením farby. Jedným zo systémov takýchto troch žiarení je CIE RGB.
- Po experimentálnom vyrovnaní pomocou takéhoto systému oddelene všetky monochromatické žiarenia, získajú (po niekoľkých výpočtoch) špecifické súradnice tohto systému, ktoré ukazujú požadované množstvá jeho žiarenia pre farebnú rovnicu akéhokoľvek monochromatického žiarenia s mocninou jednej watt.
- Po znalosti konkrétnych súradníc je možné vypočítať farebné súradnice študovaného žiarenia z jeho spektrálneho zloženia bez vizuálneho vyrovnávania farieb osobou.
- Systém CIE XYZ vznikol matematickými transformáciami systému CIE RGB a je založený na rovnakých princípoch – ľubovoľnú farbu je možné presne špecifikovať počtom troch žiarení, ktorých zmes človek vníma ako farebne identickú. Hlavným rozdielom systému XYZ je, že farba jeho hlavných „emisií“ existuje iba v kolorimetrických rovniciach a je fyzikálne nemožné ich získať.
- Hlavným dôvodom vytvorenia systému XYZ je uľahčenie výpočtov. Súradnice farby a chromatickosti všetkých možných svetelných emisií budú pozitívne. Farebná súradnica Y tiež priamo vyjadruje fotometrický jas stimulu.
Záver
IT špecialistom najbližšie oblasti, ktoré vychádzajú z princípov a systémov popísaných v tomto článku, sú spracovanie obrazu a jeho reprodukcia rôznymi spôsobmi: od fotografie až po webdizajn a tlač. Systémy správy farieb pracujú priamo s kolorimetrickými systémami a výsledkami merania farieb, čo umožňuje predvídateľnú reprodukciu farieb rôznymi spôsobmi. Ale táto téma už presahuje rámec tohto článku, pretože tu sú ovplyvnené základné aspekty teórie farieb a nie reprodukcia farieb.Táto téma nepredstiera, že poskytuje vyčerpávajúce a úplné informácie o nastolenej téme, ale je len „obrázkom na upútanie pozornosti“ pre IT špecialistov, z ktorých mnohí sú jednoducho povinní pochopiť základy vedy o farbách. Na uľahčenie pochopenia je tu veľa zjednodušených alebo uvedených mimochodom, preto uvádzam zoznam zdrojov, ktoré budú zaujímať tých, ktorí sa chcú podrobnejšie zoznámiť s teóriou farieb (všetky knihy nájdete na internete):
candela photometry Pridať štítky
