Байрон його твори. Джордж байрон - біографія, інформація, особисте життя

Сторінка 1

Координати кольоровості характеризують даний колір. Однак світло пофарбованого предмета не визначається цими координатами. Якщо, наприклад, збільшити вдвічі ординати спектральної кривої відбиття, що характеризує якусь забарвлену поверхню, то відповідно збільшаться і координати кольору X, У, Z. Але координати кольоровості х, у, г залишаються при цьому незмінними.

Координати кольоровості відраховують від сторони трикутника, що лежить проти вершини, в якій розміщено основний колір, що відповідає цій координаті.

Координата кольоровості z зазвичай не вказується.

Координати кольоровості визначають той чи інший колір у площині поперечного перерізуколірного простору.

Координати кольоровості (триколірні коефіцієнти) х і у утворюють декартову систему координат.

Координати кольору кольору Д в системі XYZ знаходимо через нього.

Координати кольоровості світлових сигналів, що спостерігаються в реальних умовах, визначаються не тільки за спектральними характеристиками джерел світла і світлофільтрів, що використовуються в заданому світлосигнальному приладі або сигнальному пристрої, але й з урахуванням можливих змін спектральних характеристик атмосферних шарівчерез які проходить випромінювання, що несе світловий сигнал. Для сигнальних фігур, до того ж, доводиться враховувати зміни координат кольоровості під час спостереження цих фігур під малими кутами.

Тому координати кольоровості та питомі координати в цій системі мають лише позитивні значеннящо спрощує колірні розрахунки.

Виразимо координати кольоровості до, з, з (2 - 72) через відносні ефективності каналів ке, зе, се.

Вимірювання координат кольоровості може бути виконано за допомогою розробленого у ВНІСІ універсального фотоелектричного колориметра. Усередині колориметричної головки останнього розташовані селеновий фотоелемент та два поворотні диски. Кожен диск має п'ять отворів. Три отвори першого диска (саме він служить для вимірювання координат кольоровості) закриті фільтрами х, у, z, четверте - вільно, а п'яте - закрито ширмою. Ширма служить для закриття фотоелемента під час перевірки нуля гальванометра, з яким з'єднаний фотоелемент. При введенні фільтра виробляють все світлові виміри. Другий диск призначений для вимірювання температури кольору джерела. Три отвори цього диска закриті червоним, зеленим і синім світлофільтрами, один - вільно і один - закритий сіткою.

А координат кольоровості г, g b спектральних кольорів зображується графічними кривими змішування. Якщо основні кольори R, G, існують реально, то криві змішування мають для окремих ділянок спектру негативні значення, так як сума двох або трьох основних кольорів дає колір менш насичений, ніж спектральні кольори, про що було сказано вище. Можна як основні кольори вибрати умовні, не реальні, але зручні для розрахунків основні кольори, щоб криві змішування у всьому спектрі не мали негативних значень. Ці криві називаються кривими складання основних збуджень.

Було показано, що колір може бути описаний координатами кольору , для даного набору основних кольорів. З іншого боку, колір можна визначити координатами кольоровості і яскравістю . Можна також описати колір, використовуючи будь-яку лінійну або нелінійну оборотну функцію координат кольору або координат кольоровості та яскравості. З виразу (3.5.5) видно, що лінійне перетворення координат кольору просто перехід до нового набору основних кольорів. У додатку 2 наведені формули перетворення координат кольору та кольоровості для різних системкоординат.

Для кількісного опису кольорів запропоновано багато різних системкоординат. Нижче розглядаються ті з них, які становлять історичний та теоретичний інтерес.

Система координат спектральних основних кольорів МКО

У 1931 р. МКО розробила стандартний набір монохроматичних основних кольорів: червоний з довжиною хвилі 700 нм, зелений – 546,1 нм та синій – 435,8 нм. Одиниці вимірювання координат кольору вибрані так, щоб координати , , білого світлаз рівномірною спектральною щільністю у видимій частині спектра були однаковими. Набір основних кольорів визначається кривими додаваннями для спектральних кольорів, наведеними на рис. 3.6.1.

Мал. 3.6.1. Функції складання координат спектральних основних кольорів МКО (червоний – 700 нм, зелений – 546,1 нм, синій – 435,8 нм).

Ці криві отримані в експериментах з вирівнювання кольорів з більшим числомспостерігачів. За результатами експериментів було визначено так званий стандартний спостерігач МКО. Дані поля зору 2° були опубліковані в 1931 р. Потім були отримані результати для поля розміром 10°. У телебаченні та фототелеграфії краще використовувати дані для поля 2°. На рис. 3.6.2 представлений графік кольоровостей у системі координат спектральних основних кольорів МКО, а також кольори люмінофорів телевізійного приймача прийнятої США системи кольорового телебачення НТСЦ. Трикутник, який визначається кольорами люмінофорів, охоплює кольоровості всіх відтворюваних кольорів.

Система координат приймача НТСЦ

У телевізійних приймачах США використовуються кінескопи з трьома люмінофорами – червоним, зеленим та синім. Система координат приймача НТСЦ, що визначається кольорами люмінофорів, може бути пов'язана із системою координат спектральних основних кольорів МКО простим лінійним перетворенням. На рис. 3.6.3 наведено графік кольоровостей у системі координат приймача НТСЦ. У цій системі одиниці виміру координат кольору нормовані так, що значення координат, при яких зрівнюється білий опорний колір, однакові. Люмінофори приймача НТСЦ не є джерелами монохроматичного світла, тому обумовлений ними колірний охоплення (сукупність відтворюваних кольорів) вже, ніж при використанні спектральних основних кольорів МКО.

Мал. 3.6.2. Графік кольоровостей у системі координат спектральних основ кольорів МКО.

Мал. 3.6.3. Графік кольоровостей у системі координат приймача НТСЦ.

Система координатXYZМКО

Система координат спектральних основних кольорів МКО має один недолік колориметричних розрахунків: координати кольору іноді виявляються негативними. Зіткнувшись із цією труднощами, МКО розробила систему координат зі штучними основними кольорами, в якій координати кольору спектральних кольорів є позитивними. Штучні основні кольори показано на рис. 3.6.2. Вони вибираються так, щоб координата Y була еквівалентна яскравості кольору. На рис. 3.6.4 представлений графік кольоровостей у системі XYZ МКО при опорному білому світлі з рівномірною спектральною щільністю.

Мал. 3.6.4. Графік кольорів у системі координат XYZ МОК.

Система координат сигналів НТСЦ, що передаються

У системі кольорового телебачення НТСЦ, розробленої США, передаються три координати кольору , , . Координата збігається з координатою системи; вона відповідає яскравості. Інші дві координати і разом описують колірний тон та насиченість. Причинами передачі координат , замість координат , , безпосередньо з виходу передавальної камери є наступні: 1) сигнал може бути використаний існуючими телевізійними приймачами одноколірного зображення і 2) смугу частот сигналів і можна скоротити без помітних спотворень зображень» Застосувавши таке скорочення і дотепний спосіб модуляції, вдалося передавати повний аналоговий сигнал кольорового телебачення у тій самій смузі частот, як і за одноколірному зображенні.

Мал. 3.6.5. Порівняння ледь помітних колірних різниць у системах координат і , Величини різниць збільшені в 10 разів: а – колірні різниці на графіку кольоровостей; б - колірні різниці на графіку кольоровостей.

Рівноконтрастна система координат МКО

Бажано мати таку систему координат, щоб рівним змінамкоординат кольоровості відповідали рівні зміни у відчутті кольору. На графіку кольоровостей (рис. 3.6.5 а) показані різниці кольорів, які сприймаються однаково . Цей графік, а також інші експериментальні результатисвідчать про те, що людське око найбільш чутливе до зміни синього кольору, помірно чутливий до зміни червоного і має найменшу чутливість до змін зеленого кольору.

Мал. 3.6.6. Рівнокістрастні графік кольоровостей.

У 1960р. МКО прийняла рівноконтрастну систему координат, в якій з хорошим наближенням рівні зміни координат кольоровості відповідають ледь помітним змін кольору та насиченості. На рис. 3.6.5 б наведені дані рис. 3.6.5, а в рівноконтрастних координатах. Перехід від координат , до рівноконтрастних координат здійснюється лінійним перетворенням. Координати кольоровості в обох системах пов'язані наступними співвідношеннями:

Графік кольоровостей у рівноконтрастній системі координат наведено на рис. 3.6.6.

Система координат ***

Система координат *** є розвиток системи координат з метою отримання колірного простору, в якому поодинокі зміни кольоровості та яскравості сприймаються однаково. Координати з визначення рівні

(3.6.2а)

(3.6.2б)

причому одиниці виміру яскравості обрані так, що яскравість змінюється від 0 до 1, а -координати кольоровості опорного білого кольору.

Система координат

Координати , є просто полярні координати для системи *** . За визначенням вони рівні

Координата визначає насиченість кольору, а – колірний тон.

Система координат

Система координат, будучи ще досить простою для колориметричних розрахунків, забезпечує відносно точне подання кольорів відповідно до системи кольорів Мюнселла. Координати кольору у цій системі рівні

де , , – координати опорного білого кольору в системі. Координата визначає яскравість кольору, - співвідношення червоного та зеленого кольорів, - співвідношення синього та жовтого. Багато колориметрів, що випускаються промисловістю, дають значення цих координат.

Система координат Карунена-Лоева

Систему координат спектральних основних кольорів, системи та інші можна розглядати як результат лінійного перетвореннясистеми координат приймача НТСЦ Координати кольору приймача НТСЦ виявляються сильно корельованими один з одним. При розробці ефективних методів квантування та кодування кольорових зображень зручно мати справу з некорельованими компонентами. Якщо відома ковариационная матриця величин , , то можна побудувати систему ортогональних некорельованих координат, використовуючи перетворення Карунена-Лоева. Матриця перетворення складається з власних векторів коваріаційної матриці та визначається наступним співвідношенням: колб трьох типів.

Мал. 3.6.7. Компоненти кольорового зображення: а – система координат приймача НТСЦ; б - система координат колб; - система координат Карунена-Лоева.

Мал. 3.6.7. (продовження): г - система координат сигналів НТСЦ, що передаються; д - рівноконтрастна система координат: е - система координат.

Виявилося, що спектральні чутливості пов'язані лінійно з функціями додавання, отриманими за даними колориметричних експериментів. Отже, сигнали колб можна розглядати як координати кольору, Ці координати пов'язані з координатами наступним лінійним перетворенням :

(3.6.7)

На рис. 3.6.7 наведено компоненти кольорового зображення кількох координатних систем. Слід зазначити, що червона, зелена та синя компоненти сильно кореловані. У деяких координатних системах одна з компонентів містить більшу частину енергії зображення, а інші здаються менш детальними.

Які виникають при роботі із зображеннями, та й безліч інших топіків, наприклад, на тему обробки зображень, так чи інакше торкаються питань кольору та відтворення кольорів. Але, на жаль, більшість таких статей описують поняття кольору та особливості його відтворення дуже поверхово або в них робляться поспішні висновки чи навіть помилки. Кількість статей і питань на профільних форумах про практичні аспекти точного відтворення кольорів, а також безліч невірних спроб дати відповіді на ці питання навіть самими досвідченими фахівцями, говорить про те, що проблеми при роботі з кольором виникають досить часто, а знайти аргументовані і чіткі відповіді на них важко.

Недостатні чи хибні знання більшості IT фахівців щодо відтворення кольорів, на мою думку, пояснюються тим, що на вивчення теорії кольору витрачається дуже мало часу, тому що її основи оманливо прості: так як на сітківці очі є три види колб, то змішуючи певні три кольори можна без проблем отримати всю веселку кольорів, що підтверджується регуляторами RGB або CMYK в якійсь програмі. Більшості цього здається достатньо, і їхня потяг до знань у цій галузі закінчується. Але, процеси отримання, створення та відтворення зображень готують Вам безліч нюансів та можливих проблем, вирішити які допоможе розуміння теорії кольору, а також процесів в основі яких вона лежить. Цей топік покликаний заповнити прогалину знань у галузі кольорознавства, і буде корисний більшості дизайнерів, фотографів, програмістів, а також, сподіваюся, іншим IT фахівцям.

Спробуйте дати відповідь на такі запитання:

• чому фізика неспроможна дати визначення поняттю кольору?
• яка з семи основних одиниць вимірів СІ ґрунтується на властивостях зорової системи людини?
• якого кольорового тону немає у спектрі?
• Як вдалося виміряти відчуття кольору людиною ще 90 років тому?
• де використовуються кольори, які мають яскравості?

Визначення поняття кольору. Його вимір

Ніхто не здивується, почувши, що кольори сприймаються нами за допомогою очей, які вловлюють для цього світло навколишнього світу. Світло – це електромагнітне випромінюваннядіапазону довжин хвиль 390-740 нм (видимого для ока), тому спробуємо знайти ключ до способів вимірювання кольору у властивостях цих променів, припускаючи, що колір - це особливості світла, що потрапив нам в очі. Це ніяк не суперечить нашим роздумам: саме світло, потрапляючи в очі, змушує людину сприймати колір.

Фізиці відомі та легко піддаються виміру такі параметри світла як потужність та його спектральний склад (тобто розподіл потужностей по довжинах хвиль – спектр). Вимірявши спектр відбитого світла, наприклад, від синьої та червоної поверхні, ми побачимо, що знаходимося на правильному шляху: графіки розподілу потужностей суттєво відрізнятимуться, що підтверджує наше припущення, що колір - це властивість. видимого випромінюваннятак як ці поверхні різного кольору. Перша труднощі, яка нас чатує, це необхідність записувати не менше 35 числових значеньспектра (видимий діапазон довжин хвиль 390-740 нм з кроком 10 нм) для опису одного кольору. Ще не встигнувши почати обмірковувати способи вирішення цієї другорядної проблеми, ми виявимо, що спектри деяких ідентичних за кольором зразків поводяться дивно (червоний та зелений графік):

Ми бачимо, що спектри відрізняються суттєво, незважаючи на безпомилково однаковий колір зразків (у даному випадку - сірого кольору; такі два випромінювання називаються метамерними). На формуванні відчуття кольору цих зразків вплив надає лише світло, яке від них відбито (упустимо тут вплив кольору фону, рівень адаптації ока до освітлення та інші другорядні фактори), тому його спектральний розподіл - це все, що може нам дати фізичні виміринаших зразків. В даному випадку, два істотно різних розподілу спектра визначають один і той же колір.

Наведемо другий приклад проблеми спектрального опису кольору. Ми знаємо, що промені кожної ділянки видимого спектрупофарбовані для нас у певний колірСтан: від синього в районі 400 нм, через блакитний, зелений, жовтий, помаранчевий до червоного з довжиною хвилі 650 нм і вище. Жовтий знаходиться десь у районі 560-585 нм. Але ми можемо підібрати таку суміш червоного та зеленого випромінювань, яка сприйматиметься жовтою незважаючи на повну відсутність будь-якого випромінювання у «жовтому» діапазоні 560-585 нм.

Виходить, що ніякі фізичні параметрине можуть пояснити ідентичність кольору в першій та наявність жовтого забарвленняпроменів у другій ситуації. Дивна ситуація? Де ми припустилися помилки?

Проводячи експеримент із вимірюванням спектрів, ми припустили, що колір - це властивість випромінювання, але наші результати це спростовують, тому що знайшлися різні за спектром промені світла, які сприймаються як один і той самий колір. Якби наше припущення було вірним, кожна помітна зміна кривої спектру викликала б зміни кольору, що сприймаються, що не спостерігається. Тому що зараз ми шукаємо способи колірних вимірів, і ми побачили, що вимір спектрів не можна назвати виміром кольору, нам потрібно шукати інші шляхи, за допомогою яких це буде здійсненно.

Насправді, у першому випадку було проведено два експерименти: один із використанням спектрометра, результатом якого були два графіки, а інший – візуальне порівняння зразків людиною. Перший спосіб вимірює спектральний складсвітла, а другий зіставляє відчуттяу свідомості людини. Зважаючи на те, що перший спосіб нам не підходить, спробуємо задіяти людину для вимірювання кольору, припустивши, що колір - це відчуття, яке відчуває людина при впливі світла на його очі. Але як виміряти відчуття людини, розуміючи всю складність та невизначеність цього поняття? Електроди в мозок чи енцефалограму не пропонувати, бо такі методи навіть зараз не дають потрібної точності для такого тонкого поняття, як колір. Більш того, дана проблемабула успішно вирішена ще у 20-х роках ХХ століття без наявності більшості сучасних технологій.

Яскравість

Виміряти відчуття яскравості від випромінювань кожної довжини хвилі вдалося шляхом візуального порівняння людиною яскравостей випромінювань із відомими потужностями. Це досить просто: керуючи інтенсивністю випромінювання, потрібно зрівняти яскравості двох монохроматичних (спектрально максимально вузьких) потоків, вимірявши їх потужності. Наприклад, щоб зрівняти за яскравістю монохроматичне випромінювання з довжиною хвилі 555 нм потужністю один ват потрібно використовувати двоватне випромінювання з довжиною хвилі 512 нм. Тобто наша зорова система вдвічі чутливіша до першого випромінювання. Насправді, для високої точності результатів було проведено складніший експеримент, але ці змінює суті сказаного (детально процес описаний у оригінальному науковому праці 1923 року). Результатом серії таких експериментів для видимого діапазону є крива спектральної світлової ефективності (ще можна зустріти назву «крива видимості»):

По осі Х відкладено довжини хвиль, по осі Y - відносна чутливість зорової системи людини до відповідної довжини хвилі.

Маючи прилад з такою ж спектральною чутливістю, можна з легкістю визначати на ньому яскравість потрібних світлових випромінювань. Саме під таку криву ретельно підлаштовується чутливість різних фотометрів, люксметрів та інших приладів, у роботі яких важливе визначення яскравості, що сприймається людиною. Але чутливість таких приладів завжди є лише наближенням до кривої спектральної світлової ефективності людини і більш точних вимірівяскравості використовують спектральний розподіл джерела світла, що цікавить.

Спектральний розподіл отримують поділом випромінювання на вузькі спектральні зони та вимірюванням потужності кожної з них окремо. Ми можемо розглядати яскравість нашого джерела як суму яскравості всіх цих спектральних зон, і для цього визначимо яскравість кожного з них (формула для тих, кому не цікаво читати мої пояснення на пальцях): множимо виміряну потужність на відповідну довжині хвилі чутливість нашої зорової системи ( осі Y та X попереднього графіка відповідно). Підсумувавши отримані таким чином яскравості всіх зон спектру, ми отримаємо яскравість нашого первинного випромінювання у фотометричних одиницях, які дають точне уявлення про яскравість тих чи інших об'єктів, що сприймається. Одна з фотометричних одиниць входить до Основних одиниць СІ - кандела, яка визначається через криву спектральної світлової ефективності, тобто ґрунтується на властивостях зорової системи людини. Крива відносної чутливості зорової системи людини була прийнята як міжнародний стандарт у 1924 році Міжнародною комісією з висвітлення (у радянській літературіможна зустріти скорочення МКО), або CIE - Commission Internationale de l'Éclairage.

Система CIE RGB

Вже давно відома одна властивість променів світла (насправді це особливість нашої зорової системи): якщо змішати два різнобарвні випромінювання, можна отримати колір, який буде зовсім не схожий на початкові. Наприклад, направивши на білий аркуш паперу в одну точку зелене та червоне світло певних потужностей, можна отримати чисто жовту пляму без домішок зелених або червоних відтінків. Додавши третє випромінювання, а до двом краще підійде синє (бо його ніяк не отримати сумішшю червоного і зеленого), ми отримаємо систему, яка дозволить нам отримувати безліч кольорів.

Якщо візуально зрівняти в такому приладі якесь тестове випромінювання, ми отримаємо три показники: інтенсивність червоного, зеленого та синього випромінювачів відповідно (як прикладена до ламп напруга, наприклад). Тобто, за допомогою нашого приладу (який називається візуальним колориметром), який відтворює колір, і нашої зорової системи, нам вдалося отримати чисельні значення кольору деякого випромінювання, чого ми і прагнули. Такі три значення часто називають координатами кольору, тому що їх зручно уявити як координати тривимірного простору.

Подібні експерименти успішно провели у 20-х роках ХХ століття незалежно один від одного вчені Джон Гілд (John Guild) та Девід Райт (David Wright). Як основні випромінювання у Райта використовувалися монохроматичні випромінювання червоного, зеленого і синього кольоруз довжинами хвиль 650, 530 і 460 нм відповідно, а Гілд використовував складніші (не монохроматичні) випромінювання. Незважаючи на суттєві відмінності у обладнанні, що використовується, і на те, що дані були усереднені лише по 17-ти спостерігачам з нормальним зором (10 у Райта і 7 у Гілда) підсумкові результати обох дослідників виявилися дуже близькими один до одного, що говорить про високу точність вимірювань , проведених вченими. Схематично процедура вимірювань зображена на малюнку:

на верхню частинуекрану проектується суміш випромінювань від трьох джерел, але в нижню - досліджуване випромінювання, а учасник досвіду бачить їх одночасно через отвір у шторці. Дослідник ставить перед учасником завдання зрівняти колір між полями приладу, і направляє при цьому випромінювання, що досліджується, на нижнє поле. Учасник регулює потужності трьох випромінювань, поки йому це не вдасться, а дослідник записує показники інтенсивності трьох джерел.

У ряді випадків, не вдається зрівняти певні монохроматичні випромінювання при такому експерименті: тестове поле при будь-якому положенні регуляторів трьох випромінювань залишається більш насиченим, ніж суміш. Але, через те, що метою експерименту є отримання координат кольору, а не його відтворення, дослідники пішли на хитрість: одне основне випромінювання приладу вони змішали не з двома іншими, а направили його на нижню частину екрана, тобто змішали його з тестовим випромінюванням. :

Далі вирівнювання проводиться як завжди, але кількість того випромінювання, яке змішане з досліджуваним, вважатиметься негативним. Тут можна провести аналогію зі зміною знака при перенесенні числа до іншої частини звичайного рівняння: оскільки між двома частинами екрана колориметра встановлено візуальну рівність, верхню частину можна розглядати як одну частину рівняння, а нижню - як іншу.

Обидва дослідники провели візуальні виміри всіх окремих монохроматичних випромінювань видимого спектра. Вивчаючи у такий спосіб властивості видимого спектра, вчені припускали, що й результати можна буде використовуватиме описи будь-яких інших випромінювань. Вчені оперували потужностями трьох незалежних випромінювань і результатом серії таких експериментів є три криві, а не одна, як це було зроблено при створенні кривої світлової ефективності.

Для створення зручної та універсальної системиСпецифікації кольору комітет CIE провели усереднення даних вимірювань Гілда і Райта, перерахувавши їх дані для трійки основних випромінювань з довжинами хвиль 700, 546,1 і 435,8 нм (червоне, зелене та синє, red, green, blue - RGB). Знаючи співвідношення яскравостей основних випромінювань такої усередненої системи, які потрібні для відтворення білого кольору (відповідно 1:4.5907:0.0601 для червоного, зеленого та синього проміння, що встановлено експериментально з наступним перерахунком) і використовуючи криву спектральної ефективності, члени CIE розрахували криві питомих координат кольору, які показують потрібну кількість трьох основних випромінювань цієї системи для рівняння будь-якого монохроматичного випромінювання потужністю один ват:

По осі Х відкладені довжини хвиль, а з осі Y - необхідні кількості трьох випромінювань необхідні відтворення кольору, викликаного відповідної довжиною хвилі. Негативні ділянки графіків відповідають тим монохроматичним випромінюванням, які не можуть бути відтворені трьома основними випромінюваннями, що використовуються в системі, і для їх специфікації потрібно вдаватися до описаного вище хитрощі при зрівнюванні.

Для побудови подібної системи можна вибрати будь-які інші три випромінювання (при цьому пам'ятаючи, що жодне з них не повинно відтворюватись сумішшю двох інших), які дадуть нам інші питомі криві. Вибрані в системі CIE RGB основні випромінювання відтворюють велике числовипромінювань спектра, а її питомі криві отримані з великою точністю та стандартизовані.

Криві питомих координат кольору позбавляють необхідності використовувати громіздкий візуальний колориметр, з його повільним методом візуального зрівнювання для отримання координат кольору за допомогою людини, і дозволяють розраховувати їх тільки за спектральним розподілом випромінювання, отримати які досить швидко і просто за допомогою спектрометра. Такий метод можливий, оскільки будь-яке випромінювання можна як суміш монохроматичних променів, потужності яких відповідають інтенсивності відповідної зони спектра цього випромінювання.

Тепер перевіримо наші два зразки, перед якими здалася фізика, показуючи різні спектридля одноколірних об'єктів, використовуючи криві питомих координат формула: по черзі помножимо спектральний розподіл потужностей відбитого від зразків світла на три питомі криві і підсумуємо результати для кожної з них (як при розрахунку яскравості спектрального розподілу, але тут використовуються три криві). Результатом буде три числа, R, G і B, які є координатами кольору в системі CIE RGB, тобто кількості трьох випромінювань цієї системи, суміш яких ідентична за кольором з вимірюваним. Ми отримаємо три однакові показники RGB для двох наших зразків, що відповідає нашому ідентичному відчуттю кольору і підтверджує наше припущення, що колір - це відчуття і вимірювати його можна тільки за участю нашої зорової системи, або її моделі у вигляді трьох кривих системи CIE RGB або якоїсь іншої, питомі координати якої відомі (іншу таку систему, що базується на інших основних кольорах, ми розглянемо детально трохи згодом). Використовуючи колориметр CIE RGB для вимірювання відбитого від зразків світла безпосередньо, тобто візуально зрівнюючи колір суміші трьох випромінювань системи з кольором кожного зразка, ми отримаємо ті ж три координати RGB.

Слід зазначити, що у колориметричних системах прийнято нормувати кількості основних випромінювань те щоб R=G=B=1 відповідало прийнятому системі білого кольору. Для системи CIE RGB таким білим кольором прийнятий колір гіпотетичного рівноенергетичного джерела, який рівномірно випромінює на всіх довжинах хвиль видимого спектру. Без такого нормування система виходить незручною, тому що яскравість синього джерела дуже мала - 4.5907:0.0601 проти зеленого, і на графіках більшість кольорів «прилипало» до синьої осі діаграми. Ввівши таке нормування (відповідно 1:4.5907:0.0601 для червоного, зеленого та синього променів системи) ми перейдемо від фотометричних до колориметричних одиниць, що зробить таку систему зручнішою.

Слід звернути увагу, що система CIE RGB не базується на якійсь теорії колірного зору, а криві питомих координат кольору не є спектральною чутливістю. трьох видівколб сітківки очі людини, як вони часто помилково інтерпретуються. Така система легко обходиться без даних про властивості пігментів колб сітківки і без будь-яких даних про найскладніші процеси обробки зорової інформації в нашому мозку. Це говорить про виняткову винахідливість і далекоглядність вчених, які створили таку систему незважаючи на нікчемні відомості про властивості зорового апарату людини на той час. Більше того, система CIE RGB є основою науки про колір практично без змін досі, незважаючи на колосальний прогрес науки за минулий час.

Також потрібно зазначити, що незважаючи на те, що монітор для відтворення кольору також використовує три випромінювання як і система СIE RGB, три значення колірних компонентів монітора (RGB) не будуть строго специфікувати колір, тому що різні монітори відтворюють колір по-різному з досить великим розкидом , До того ж, основні випромінювання моніторів досить сильно відрізняються від основних випромінювань системи СIE RGB. Тобто, не слід сприймати RGB значення монітора як абсолют визначення кольору.

Для кращого розуміння, необхідно відзначити, що кажучи «випромінювання/джерело/довжина хвилі/лампа має зелений колір» ми насправді маємо на увазі, що «випромінювання/джерело/довжина хвилі/лампа викликає відчуття зеленого кольору». Випромінювання видимого діапазону - це лише стимулдля нашої зорової системи, а колір - це результат сприйняття цього стимулу і не слід приписувати колірні властивості електромагнітним хвиль. Наприклад, як у прикладі вище, ніякі хвилі з жовтого діапазону спектра не з'являються при змішуванні червоних та зелених монохроматичних променів, але їх суміш ми сприймаємо жовтою.

Нереальні кольори. Система CIE XYZ

Щоб зрозуміти на основі чого була створена така система, колір потрібно подати у вигляді вектора, тому що додавання двох і більше кольорів підпорядковується тим самим правилам, що і додавання векторів (це випливає із законів Грассмана). Наприклад, результат змішування випромінювання червоного кольору із зеленим можна представити як додавання двох векторів з довжинами, які пропорційні яскравості цих випромінювань:

Яскравість суміші дорівнюватиме довжині отриманого складання вектора, а колір залежатиме від співвідношення яскравості використовуваних випромінювань. Чим більше співвідношення на користь одного з первинних кольорів, тим більше результуюче випромінювання буде ближче за кольором до цього випромінювання:

Спробуємо подібним чином графічно зобразити змішування кольорів у колориметрі, що використовується для створення системи CIE RGB. Як пам'ятаємо, у ньому використовуються три випромінювання червоного, зеленого та синього кольору. Жодний колір цієї трійки не отримати сумою двох інших, тому представляти всі можливі суміші цих випромінювань потрібно буде в тривимірному просторіщо не заважає нам використовувати векторні властивостідодавання кольорів при цьому:

Не завжди зручно креслити тривимірні діаграми, тому часто використовують спрощений графік, який є проекцією всіх потрібних кольорів на одиничну площину (виділена синім) тривимірної схеми:

Результатом такої проекції вектора кольору буде точка на діаграмі, осями якої будуть сторони трикутника, які задаються точками основних кольорів системи CIE RGB:

Така точка матиме координати в системі цього трикутника у вигляді відстань від будь-яких двох сторін (третя координата зайва, тому що в трикутнику будь-яку точку можна визначити по двох відстанях від вершин або сторін). Координати в такому трикутнику називають координатами кольоровості, і вони визначають такі параметри кольору як колірний тон (синій, блакитний, зелений тощо) та насиченість (сірий, блідий, насичений тощо). У силу того, що ми перейшли від тривимірної до плоскої діаграми, вона не дозволяє показати третій параметр кольору - яскравість, але для багатьох випадків визначення значення кольоровості буде достатньо.

Щоб не плутатися, окремо виділимо, що координати кольори- це положення кінця вектора кольору в тривимірній системі, і позначаються вони великими літерами(RGB, XYZ, наприклад), а координати кольоровості- це положення точки кольору на плоскій діаграмі кольоровостей, і позначаються вони малими літерами(rg, xy) та їх досить двох.

Використання координатної системиу якій між осями немає прямого кутане завжди незручно, тому в колориметрії частіше використовують таку систему трьох векторів, одинична площина якої формує прямокутний трикутник. Дві його сторони біля прямого кута використовують як осі діаграми кольоровості:

Помістимо тепер на таку діаграму всі можливі кольоровості, межею яких буде лінія спектрально чистих випромінювань з лінією пурпурових кольорів, яка часто називається локусом, яка обмежує на діаграмі область реальних кольорів (червона лінія):

Лінія пурпурових кольорів лежить між кольорами випромінювань крайнього синього та червоного кінців спектру. Пурпурним кольорам ми не можемо зіставити жодну зону спектра, як це можна зробити з будь-яким іншим кольором, тому що відчуття пурпурового кольору виникає при одночасному впливі на нашу зорову систему синіх і червоних променів, а не якогось одного.

Значна частина локусу (в зоні 380-546 нм) виходить за межі трикутника, обмеженого кольорами основних випромінювань, тобто має негативні координати кольоровості, тому що цю частину спектральних випромінюваньне вдалось зрівняти на колориметрі CIE. Це відповідає кривим питомих координат кольору, в яких ця ділянка спектра має негативні координати (в діапазоні 380-440 нм це невидимі на графіку малі значення).

Присутність негативних координаткольори та кольоровості перетворювало колориметричні розрахунки на непросте завдання: у 20-30-х роках більшість розрахунків проводилися за допомогою логарифмічної лінійки, а обсяг обчислень у колориметричних роботах немаленький.

Попередня діаграма показує нам, що всі позитивні координати мають лише кольори, що лежать у межах трикутника, який формують кольоровості основних випромінювань, що використовуються в даній системі. Якби локус лежав у середині трикутника, всі кольори мали б позитивні координати, що значно спростило б розрахунки. Але знайти такі три точки на локусі, які змогли б включити його до себе повністю неможливо, через його опуклої форми. Пізніше було встановлено, що причина такої форми локусу криється в особливостях спектральної чутливості трьох видів колб нашого ока, які перекриваються між собою і будь-яке випромінювання збуджує колбочки, які відповідають за іншу зону спектра, що знижує рівень насиченості кольору.

А якщо вийти за рамки локусу, і використовувати кольори, які неможливо відтворити і побачити, але координати яких можна з легкістю використовувати в рівняннях нарівні з координатами реальних кольорів? Раз ми вже перейшли від експериментів до розрахунків, ніщо не заважає нам використовувати такі нереальні кольори, тому що всі властивості змішування кольорів зберігаються при цьому! Нам підійдуть будь-які три кольори, чий трикутник зможе включити локус реальних кольорів, і ми без труднощів зможемо накреслити безліч таких трійок нереальних основних кольорів (доцільно будувати такий трикутник якомога щільніше навколо локусу, так буде менше непотрібних областей на діаграмі):

Для обґрунтування вибору трійки нових кольорів (пам'ятаємо, що вони існують лише в розрахунках), які були в результаті для цього обрані вченими, повернемося на нашу об'ємну діаграму координат кольору. Для наочності та легкості розуміння ми будемо використовувати звичайну прямокутну системукоординат. Помістимо на неї площину, на якій всі кольори матимуть однакову фотометричну яскравість. Як пам'ятаємо, поодинокі яскравості червоного, зеленого та синього основних випромінювань у системі СІE RGB співвідносяться як 1:4.5907:0.0601, і щоб перейти назад до фотометричних одиниць їх потрібно взяти в пропорції 1/1 до 1/4,59 до 1/0, 0601, тобто 1:0,22:17, що дасть нам площину кольорів з однаковою фотометричною яскравістю в колориметричній системі СIE RGB (точка перетину площини з віссю B знаходиться за межами малюнка в позиції 17):

Усі кольори, координати яких знаходяться на цій площині будуть мати однакову фотометричну яскравість. Якщо провести паралельну площинувдвічі нижче за попередню (0,5:0,11:8,5), ми отримаємо місце становище квітів з удвічі меншою яскравістю:

Аналогічно, нижче можна провести нову паралельну площину, яка перетне початок координат, на якій розмістяться всі кольори з нульовою яскравістю, а ще нижче можна накреслити навіть площини негативних яскравостей. Це може здатися абсурдним, але згадаємо, що працюємо з математичним уявленнямтриколірної системи, де в рівняннях все це можливо, чим ми скористаємося.

Перейдемо назад на плоску діаграму rg, спроектувавши її площину нульових яскравостей. Проекцією буде лінія нульової яскравості – аліхна, яка перетинає початок координат:

На аліхні лежать кольоровості, які не мають яскравості, і якщо використовувати розміщений на ній колір у колірному вирівнюванні (не реальним, зі змішуванням світлових потоків, а в рівняннях, де такі кольори можливі), він не впливатиме на яскравість отриманої суміші. Якщо розмістити на аліхні два кольори триколірної системи, то яскравість всієї суміші будемо визначаться тільки одним кольором, що залишився.

Нагадаю, що ми шукаємо колірні координати таких трьох гіпотетичних кольорів, які зможуть зрівняти кольори всіх реальних випромінювань без використання негативних значень (трикутник повинен включати весь локус) і при цьому, нова система буде включати в себе фотометричний стандарт яскравості безпосередньо. Розмістивши два кольори на аліхні (названі X і Z), а третій вище локусу (Y), ми вирішимо обидві проблеми:

Перетворивши отриманий трикутник на прямокутний, ми отримаємо знайому багатьом діаграму кольоровості xy:

Потрібно пам'ятати, що діаграма xy - це проекція системи з основними точками XYZ на одиничну площину, так і діаграма rg і система RGB. Ця діаграма дозволяє у зручній формі ілюструвати кольоровості. різних випромінюваньнаприклад, колірні охоплення різних пристроїв. Діаграма має одне корисною властивістю: координати кольоровості суміші двох випромінювань будуть строго на лінії, яка з'єднує точки цих двох випромінювань на діаграмі. Тому, колірне охоплення монітора, наприклад, на такій діаграмі буде трикутником.

Діаграма xy має також один недолік, який слід пам'ятати: рівні відрізкина різних ділянках діаграми не означають однакову різницю, що сприймається в кольорі. Це проілюстровано двома білими відрізками на попередньому малюнку. Довжини цих відрізків відповідають відчуттю однакової різниці кольоровості, але при цьому відрізки розрізняються по довжині втричі.

Розрахуємо криві питомих координат кольору отриманої системи, які показують потрібну кількість трьох основних кольорів XYZ для рівняння будь-якого монохроматичного випромінювання потужністю один ват.

Бачимо, що у кривих відсутні негативні ділянки (що спостерігалося в системі RGB), що було однією з цілей створення системи XYZ. Також, крива y (гравець з рисочкою зверху) повністю збігається з кривою спектральної світлової ефективності зору людини (про неї говорилося вище при поясненні визначення яскравості світлових випромінювань), тому величина Y визначає яскравість кольору безпосередньо - вона розраховується ідентичним чином як фотометрична яскравість по тій ж кривою. Це досягнуто шляхом розміщення двох інших кольорів системи на площині нульових яскравостей. Тому, колориметричний стандарт 1931 включає фотометричний стандарт 1924, що дозволяє обійтися без зайвих розрахунків або вимірювань.

Ці три криві визначають Стандартний колориметричний спостерігач - стандарт, який використовують при колориметричній інтерпретації спектральних вимірювань і він лежить в основі всієї науці про колір практично без змін досі. Хоча візуальний колориметр XYZ не може існувати фізично, його властивості дозволяють з високою точністю проводити колірні вимірювання і він допомагає багатьом галузям передбачувано відтворювати та передавати інформацію про колір. На системі XYZ базується всі подальші досягнення науці про колір, наприклад знайома багатьом система CIE L*a*b* і подібні до неї, а також новітні системи CIECAM, які використовують сучасні програми побудови колірних профілів.

Підсумки

1. Точна робота з кольором вимагає його вимірювання, яке також необхідно як вимірювання довжини або ваги.
2. Вимірювання яскравості, що сприймається (одного з атрибутів зорового відчуття) світлових випромінювань неможливо без урахування особливостей нашої зорової системи, які були успішно досліджені та закладені у всі фотометричні величини(Кандела, люмен, люкс) у вигляді кривої її спектральної чутливості.
3. Просте вимір спектра досліджуваного світла саме собою дає відповіді питання про його кольорі, оскільки легко можна знайти різні спектри які сприймаються як колір. Різні величини, які виражають один і той же параметр (колір, у нашому випадку), говорять про неспроможність такого методу визначення.
4. Колір - це результат сприйняття світла (колірного стимулу) у нашій свідомості, а не фізична властивість цього випромінювання, тому вимірювати якимось чином потрібне це відчуття. Але прямий вимірвідчуттів людини неможливо (чи було неможливим на момент створення описаних тут колориметричних систем).
5. Цю проблему обійшли шляхом візуального (за участю людини) вирівнювання кольору досліджуваного випромінювання за допомогою змішування трьох випромінювань, кількості яких у суміші і будуть чисельним виразом кольору. Однією із систем таких трьох випромінювань є CIE RGB.
6. Експериментально зрівнявши за допомогою такої системи всі монохроматичні випромінювання окремо, одержують (після деяких розрахунків) питомі координати цієї системи, які показують необхідні кількості її випромінювань для рівняння кольору будь-якого монохроматичного випромінювання потужністю один ват.
7. Знаючи питомі координати, можна розрахувати координати кольору досліджуваного випромінювання з його спектрального складубез візуального вирівнювання кольору людиною.
8. Система CIE XYZ створена шляхом математичних трансформацій системи CIE RGB і базується на тих же принципах – будь-який колір можна точно специфікувати кількістю трьох випромінювань, суміш яких сприймається людиною ідентичною за кольором. Основна відмінність системи XYZ – колір її основних «випромінювань» існує лише в колориметричних рівняннях, і отримати їх фізично неможливо.
9. Основна причина створення системи XYZ – полегшення розрахунків. Координати кольору та кольоровості всіх можливих світлових випромінювань будуть позитивними. Також координата кольору Y виражає фотометричну яскравість стимулу безпосередньо.

Висновок

Цей топік не претендує дати вичерпні та повні відомостіпро підняту тему, а є лише «картинкою для привернення уваги» для IT фахівців, багато з яких просто зобов'язані розуміти основи кольорознавства. Для полегшення розуміння багато тут спрощено або викладено побіжно, тому, наводжу список джерел, які будуть цікаві тим, хто хоче детальніше ознайомитися з теорією кольору (всі книги можна знайти в мережі):
фотометрія Додати теги