Колориметрическое определение цвета

⇐ ПредыдущаяСтр 18 из 59Следующая ⇒

Основой теории цветового зрения является установленный экспериментально факт, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков - красного (R), зеленого (G) и синего (В) цветов. Объяснение общих принципов цветового зрения было впервые дано великим русским ученым М.В. Ломоносовым, сформулировавшим в 1756 г. трехкомпонентную (трехрецепторную) теорию восприятия глазом цвета. Ломоносов пришел к выводу, что наш глаз имеет три вида рецепторов (колбочек), воспринимающих цвет. Один из них воспринимает красную часть спектра, другой - желтую, третий - синюю. Эти цвета называются основными (первичными). При равном возбуждении рецепторов создается ощущение белого цвета. Характер цветового ощущения зависит от отношения возбуждений трех цветов.

В дальнейшем теория Ломоносова была повторена в Англии в 1802 г. Юнгом и более детально доработана в Германии в 1852 г. Гельмгольцем. Кениг и Дитеричи в 1892 г. экспериментально определили кривые спектральной чувствительности разновидностей колбочек (кривые основных возбуждений). Более детальные исследования вопросов спектральной чувствительности глаза были проведены в 1935 г. Н.Т. Федоровой и В.И. Федоровым (рис. 4.6). Масштабы представленных на рис. 4.6 кривых спектральной чувствительности выбраны такими, чтобы для белого цвета площади, ограниченные кривыми, были бы равны, так как ощущение белого цвета возникает при одинаковом возбуждении всех трех разновидностей колбочек.

Таким образом, анализ воздействующего на глаз излучения тремя типами колбочек с различной спектральной чувствительностью и последующий синтез результатов их возбуждений зрительными участками коры головного мозга вызывает ощущение большого числа цветовых оттенков окружающих нас предметов.

В телевидении используется локальное, пространственное и бинокулярное смешения цветов. Локальное смешение может быть одновременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируются два или несколько излучений, вызывающих каждый в отдельности ощущение разных цветов, и последовательным, когда аналогичные излучения воздействуют на глаз последовательно одно за другим. При быстрой смене излучений в зрительном аппарате возникает ощущение единого результирующего цвета. При пространственном смешении участки, окрашиваемые смешиваемыми цветами, имеют достаточно малые размеры и глаз воспринимает их как единое целое. Примером могут служить мелкие штрихи, мозаика и др.

Рис. 4.6. Кривые спектральной чувствительности различных групп колбочек

Воспроизведение цветного изображения на телевизионном экране, а также на компьютерном мониторе в большинстве случаев основано на пространственном смешении цветов.

Из основного закона смешения следует, что любые четыре цвета находятся в линейной зависимости. Иначе говоря, любой цвет может быть выражен через любые три взаимно независимых цвета:

f'F = r'R + g'G + b'B, (4.4)

где f'F - излучение произвольного состава, единица которого обозначена через F, а количество единиц - через f'; R, G, B - единичные количества основных цветов; r', g', b'- множители, указывающие количества излучений, соответствующих цветам R, G, В, - или «модули этих цветов».

Основными называются взаимно независимые цвета, которые нельзя получить смешением двух других, т.е. они не могут быть связаны уравнениями типа:

r'R = g'G + b'B; g'G = r'R + b'B; b'B = r'R + g'G.

Примером взаимно независимых являются R, G, В цвета.

Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобно производить путем установления тождества цветов полей сравнения с помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну из граней которой проецируется излучение исследуемого источника, а на другую грань - излучение от трех источников: красного R, зеленого G и синего В. Зрительная труба, при помощи которой ведутся наблюдения, направлена на ребро призмы, разделяющее освещенные грани. Следовательно, поле зрения трубы разделено на два воля сравнения: одно - освещаемое исследуемым цветом, другое - освещаемое смесью трех источников. Между каждым из трех источников R, G, В и призмой стоит устройство, ослабляющее полное излучение данного источника в определенное число раз. Меняя интенсивность потоков излучения, подаваемого на грань призмы от того или иного источника, колориметрист добивается уравнивания цвета, т.е. цветности и яркости полей сравнения.

Необходимо отметить, что для чистых спектральных цветов нельзя получить цветового равенства (4.4) ни при каких значениях основных цветов R, G, В. Согласование для этих цветов наступает лишь тогда, когда один из основных цветов переносится на сторону исследуемого цвета.

В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например красной составляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид:

f'F + r'R = g'G + b'B,

или

f'F = - r'R + g'G + b'B.

Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения (4.4) коэффициенты r', g', b' могут иметь отрицательные значения. Это позволяет расширить применимость форм цветового уравнения (4.4), показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми переменными r', g', b', что подтверждает его трехмерность.

Знание численных значений цветовых коэффициентов r', g', b' полностью определит воздействующее на глаз излучение и количественно, и качественно. Для определения только качественной характеристики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества основных цветов r, g, b, определяемые из выражений [4]

где m = r'+g'+b'- цветовой модуль.

Очевидно, что r+g+b= 1. Символы r, g, b носят название координат цветности.

Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне определенными основными цветами. Поэтому в целях устранения неопределенности измерения цвета МКО в 1931 г. стандартизовала в качестве основных цветов три монохроматических излучения с длинами волн λ _R= 700, 1 нм, λ _G = 546, 1 нм и λ _B = 435, 8 нм. Выбранные основные цвета удобны тем, что два из них R и B близки к кралям видимого спектра, а третий G - к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свою группу рецепторов.

Координаты цвета r', g', b' любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излучения Р(λ ):

(4.5)

где λ ₁, λ ₂- границы светового диапазона электромагнитных колебаний.

Величины (λ ), (λ ), (λ ), получившие название удельных координат цвета, непосредственно характеризуют особенности восприятия цвета средним наблюдателем. Они были стандартизованы МКО в 1931 г. на основе экспериментальных исследований монохроматического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин волн. В результате были получены, удельные координаты или удельные цветовые коэффициенты. Графические зависимости удельных координат цвета или кривые смешения изображены на рис. 4.7.

Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (4.4) величины r', g', b' для частных спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это показывает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB.

Рис. 4.7. Удельные координаты цвета в системе RGB

Отрицательные координаты затрудняют расчеты цвета излучения по его спектральному составу. Вторым недостатком системы RGB является необходимость расчета всех трех компонентов цвета при определении его яркости. Поэтому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ.

Цветовая система XYZ

В основу построения системы XYZ были положены следующие условия.

1. Удельные координаты - кривые смешения не должны иметь отрицательных ординат, т.е. все реальные цвета определяются положительными значениями модулей основных цветов выбранной координатной системы.

2. Количественная характеристика цвета - яркость - должна полностью определяться одним его компонентом.

3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е должны быть равными.

Для обеспечения данных требований в качестве основных цветов были выбраны три теоретических (реально не воспроизводимых) цвета XYZ. Координатная система XYZ выбрана так, чтобы векторы основных цветов находились в цветовом пространстве вне тела реальных цветов. Оси X, Y, Z являются ортогональной декартовой системой координат осей в цветовом пространстве - координата Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета X и Z лежат в плоскости нулевой яркости.

Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:

fʹ F=xʹ X+yʹ Y+zʹ Z

и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами xʹ, yʹ, zʹ или вектором, проведенным в эту точку из начала координат. Модули основных цветов xʹ, yʹ, zʹ определяются выражениями, аналогичными (4.5):

Рис. 4.8. Удельные координаты цвета в системе XYZ

Рис. 4.9. Координаты цветности в системе XYZ

Графики удельных координат (кривые смешения) в системе XYZ показаны на рис. 4.8.

Координаты цветности чистых ^спектральных цветов х, у, z в системе XYZ вычислены и стандартизованы МКО. Например х=xʹ /M; у = у'/М; z=z'/М, где М = хʹ +yʹ +zʹ - модуль цвета. Значения координат цветности х, у, z для монохроматических излучений изображены графически на рис. 4.9.

В системе XYZ одна из координат цветности является зависимой от двух других, так как х+ у+ z= 1. Поэтому для определения цветности достаточно двух координат, например х и у.

Для практических расчетов в системе XYZ рекомендуется использовать известную диаграмму цветности МКО, полученную проекцией диаграммы цветности единичной плоскости на плоскость ху в направлении оси z (рис. 4.10).

Анализируя цветовой график МКО, необходимо отметить следующее.

1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри спектрального локуса (геометрического места координат цветности чистых спектральных цветов) и определяются положительными значениями х и у.

2. Равноэнергетический белый цвет E, имеющий чисто теоретический, расчетный характер, находится в центре тяжести треугольника хоу. Его координатами цветности будут х = 1/3 и у = 1/3.

3. Цветность смеси двух цветов отображается точкой, лежащей на прямой, соединяющей смешиваемые цвета.

4. Цветность смеси трех цветов отображается точкой внутри треугольника, вершины которого образованы смешиваемыми цветами.

Цветность сложного излучения помимо координат цветности может быть охарактеризована цветовым тоном и насыщенностью. Цветовой тон любого цвета на диаграмме цветности МКО определяется длиной волны монохроматического излучения (доминирующей длиной волны λ _d), соответствующей пересечению кривой спектральных цветов - спектрального локуса с прямой, проходящей через точку Е и точку, отображающую цветность искомого цвета, например точку М (см. рис. 4.10). Насыщенность численно характеризуется чистотой цвета Р_цв, т.е. относительным содержанием в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока F_λ):

Р_цв=100 F_λ /( F_λ + F_б), %,

где F_б - световой поток белого цвета, входящего в смесь со спектральным цветом.

Рис. 4.10. Диаграмма цветности МКО

Насыщенность максимальна (Р_цв = 100%) для чистых спектральных и пурпурных цветов и минимальна (Р_цв = 0) для белого цвета.

⇐ Предыдущая 13 14 15 16 171819 20 21 22 Следующая ⇒