Navigation



Коротко про теорию цвета

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

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

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

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

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

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

Достаточно полное определение понятия "цвет", будет следующим:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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