Navigation


Коротко про теорію кольору

Так чи інакше, працюючи з будь-якими зображеннями (фотографії, макет друкованої чи інтернет сторінки, малюнки і т.д.), доводиться мати справу з кольором. Перед тим, як ознайомитися зі системами управління кольором, необхідно зрозуміти суть процесів, які лежать в їх основі. Дана стаття буде корисна не тільки новачкам в області цифрових зображень, але і досвідченим професіоналам, оскільки вона допоможе систематизувати багато накопичених знань і допоможе прояснити деякі деталі.

Для початку спробуємо дати визначення поняттю, яке нас зараз найбільше цікавить — це колір.

Колір — це електромагнітне випромінювання, яке можуть сприйняти наші очі та яке розрізняється ними за різною довжиною хвиль. Так, але дане твердження не пояснює існування пурпурного кольору, якого немає в спектрі.

Колір — це здатність поверхні предмета вибірково відбивати випромінювання, яке на нього падає. Так, але кольорова фотографія при слабкому освітленні сприймається майже чорно-білою, а при сонячному світлі — насичено повноколірною.

Колір — це спектральний склад видимого електромагнітного випромінювання. Так, але різні (інколи суттєво) за спектральним складом випромінювання можуть викликати відчуття однакового кольору.

Приведені вище визначення найперше приходять на думку більшості людей, проте, як бачимо, всі вони не дають вичерпного визначення кольору і не є точними.

Достатньо повне визначення поняття “колір”, буде наступним:

колір — це відчуття, яке виникає в свідомості людини при дії на її органи зору електромагнітного випромінювання видимого діапазону спектру.

Тобто випромінювання певного спектрального складу — це лише стимул для наших очей, а колір — це вже відчуття, яке виникає в нашій свідомості внаслідок дії такого стимулу. Потрібно чітко розрізняти поняття кольорового стимулу та безпосередньо кольору.

Тут може виникнути запитання: чому б не використовувати для точного опису кольору виміряний спектральний розподіл випромінювання, якщо саме воно і викличе в нашій свідомості відчуття кольору? Тобто описувати колір стимулом, який його викликає. По перше, такий спосіб буде незручним, оскільки один стимул буде задаватися близько 35-ма значеннями спектрального коефіцієнта пропускання, відбиття чи випромінювання (тобто діапазону 390-740 нм з кроком 10 нм). По друге, і важливіше, такий спосіб опису кольору ніяк не враховує особливості сприйняття видимого випромінювання нашою зоровою системою. Проілюструвати це можна наступним малюнком, який показує спектральні коефіцієнти відбивання двох предметів (чорний та білий графік відповідно):

Спробуйте проаналізувати ці два графіка, і сказати, якого кольору будуть сприйматися поверхні цих двох тіл і наскільки ці кольори будуть відрізнятися один від одного. Єдиним висновком, який, здається,лежить на поверхні, є те, що ці два тіла, швидше всього різного кольору. Такий висновок напрошується через суттєву різницю кривих спектральних коефіцієнтів відбивання. Проте, приведені на графіку стимули будуть сприйматися нами абсолютно ідентичним кольором. Такі два стимули називаються метамерними. Явище метамерності не можна пояснити виключно фізикою чи оптикою, тому для того щоб інтерпретувати дані спектральних вимірювань необхідно знати, як буде реагувати зорова система людини на різні колірні стимули.

Щоб врахувати особливості сприйняття колірних стимулів і вирішити питання вимірювань кольору в 1931 р. Міжнародна комісія по освітленню CIE (Commission Internationale de l´Eclairage) запропонувала систему, яка враховує сприйняття колірних стимулів так званим Стандартним спостерігачем CIE, який характеризує колірне сприйняття середньостатистичної людини з нормальним зором.

Сукупність даних, які визначають Стандартного спостерігача CIE були отримані дослідним шляхом на певній кількості реальних спостерігачів. Проте, яким чином дослідникам вдалося виміряти відчуття кольору під дією потрібних стимулів, якщо пряме вимірювання такої величини, як“відчуття” на людині провести неможливо?

Оскільки, кожна наука починається з вимірювань, колориметрія не могла обійтися тільки суб'єктивними даними про колір, який може висловити людина(яскравий, тьмяний, червоний, блідий, голубуватий і т.п.). Комп'ютери також можуть працювати тільки з числами, тому необхідність виміряти відчуття кольору людиною представляє не лише науковий інтерес, але й потрібна для практичної діяльності.

В 20-х роках ХХ століття, незалежно один від одного, вчені Гілд та Райт провели серію експериментів з метою вивчення кольорового зору людини. Досліди проводились за допомогою пристрою, який схематично показано на малюнку:

Робота такого пристрою (візуального колориметра) заснована на принципі адитивного синтезу кольорів, за яким, додаючи два чи більше випромінювань один до одного (наприклад на екрані), можна отримати відчуття певної кількості кольорів, регулюючи при цьому яскравість кожного з цих основних випромінювань. Підбирають такі основні стимули, виходячи з необхідності відтворити якомога більшу кількість кольорів при найменшій кількості цих основних випромінювань. Стандартний спостерігач CIE був отриманий відносно трьох спектрально чистих стимулів, які викликають відчуття червоного, зеленого та синього кольорів (R, G, B) з довжинами хвиль 700, 546,1 та 435,8 нм відповідно.

Ці три випромінювання проектуються на верхню частину екрану, а випромінювання, відчуття кольору від якого намагалися виміряти — на нижню. Учасникам досліду необхідно було отримати відчуття однакового кольору на обох частинах поля, регулюючи при цьому яскравість трьох основних випромінювань. Кількості (яскравості) основних випромінювань, які викликають відчуття потрібного кольору і є числовими значення (координатами) цього кольору. Тобто дослідникам вдалося виміряти відчуття кольору, шляхом його відтворення і візуального оцінювання людиною.

Проте виявилося, що значну частину монохроматичних випромінювань не вдається відтворити цим способом. Щоб обійти це обмеження та виміряти координати кольору цих не досяжних даним способом стимулів, одне з основних випромінювань проектувалося не на верхню, а на нижню частину екрана, “забруднюючи” тим самим спроектований на нього досліджуваний стимул. Принцип вимірювання кольору не змінюється при цьому: також необхідно регулювати яскравість основних випромінювань для досягнення колірної рівності між двома полями пристрою. В такому випадку, кількість основного випромінювання, що спроектоване на досліджуване (нижня частина поля), береться зі знаком мінус, тобто з'являється від'ємна координата кольору.

Вимірявши координати кольору всіх спектрально чистих випромінювань видимої зони спектру ми отримаємо координатну систему всіх можливих кольорів. Присутність в цій системі від'ємних координат робило її незручною в користуванні, оскільки більшість обрахунків в цей час проводилися вручну. Це було однією з причин створення системи XYZ, в якій всі координати кольору мають позитивні значення.

Система XYZ також базується на адитивному змішуванні стимулів, проте на відміну від системи RGB, яка використовувалася в описаному вище візуальному колориметрі, в XYZ використовуються нереальні,математично описані стимули, які підібрані з метою полегшення обрахунків. Тобто при отриманні системи XYZ використовувалися не досліди, а математичні перетворення даних дослідів Гілда та Райта. Координати кольору XYZ не мають від'ємних значень, і саме ця система використовується для опису Стандартного спостерігача CIE.

Дані XYZ можуть бути отримані вимірюванням на колориметрах, які мають безпосередньо проградуйовані в XYZ шкали (це можливо, незважаючи на нереальність основних стимулів XYZ), або шляхом проведення обрахунків за даними спектрального розподілу енергії відбивання, пропускання чи випромінювання. Провівши обчислення координат кольору приведених вище метамерних кривих в системі XYZ, ми отримаємо однакові координати кольору цих двох стимулів. Незалежно від спектрального розподілу, стимули, що викликають відчуття однакового кольору, будуть мати однакові координати кольору XYZ. Тобто ця система описує, як будуть сприйматися колірні стимулі нашою зоровою системою і її можна використовувати для числового опису кольору.

На практиці, найчастіше використовується похідна від XYZ координатна система — xyY, яка була отримана простим перерахунком з XYZ:

де x та y — координати колірності, а Y — коефіцієнт яскравості, який залишається без змін (задання яскравості кольору величиною Y було закладено при створенні системи XYZ).

Колірність — двомірна величина, яка включає в собі поняття колірного тону та насиченості. Саме діаграми колірності xy найчастіше можна побачити при графічному показі координат кольору. Дана діаграма приведена на наступному малюнку:

Чорна замкнута крива — це координати колірності всіх спектрально чистих та пурпурних стимулів. Всередині неї знаходяться всі інші кольори, насиченість яких падає з наближенням до білої точки (наприклад, для денного світла біла точка має координати xy 0,31 та 0,33 відповідно).

Діаграма xy дозволяє наочно показати колірність різних стимулів, кольорові охоплення пристроїв та порівняти їх. Проте дана діаграма має один суттєвий недолік: однакові відстані на графіку не відповідають однаковій колірній різниці, яку відчуває наша зорова система. Така нерівномірність проілюстрована двома білими відрізками на попередньому малюнку. Довжини цих відрізків відповідають відчуттю однакової різниці колірності. Іншими словами, одна й та ж відстань на графіку в одній його зоні може сприйматися чітко помітною різницею в кольорі, тоді як в іншій зоні — ніякої різниці не спостерігатиметься.

Для подолання цього недоліку комітетом CIE в 60-70-их роках ХХ століття була розроблена серія рівноконтрасних (рівномірних для сприйняття) графіків та шкал, в яких одиниця шкали завжди відповідає однаковій різниці відчуття кольору. Найпоширенішою серед них є система CIE LAB, або L*a*b* чи просто Lab. Ця система рівноконтрастна не тільки відносно колірності, але і відносно сприйняття яскравості стимулів, тобто світлоти. Величина L* — рівноконтрастна шкала світлоти, тоді як a* та b* — рівномірні шкали колірності. Оскільки дана система тривимірна, її прийнято називати колірним простором Lab.

Простір Lab отриманий шляхом математичних трансформацій простору XYZ, тобто дані Lab можна отримати з даних XYZ чи xyY, і навпаки.

Важливою перевагою простору Lab, що випливає з його рівноконтрастності, є можливість чисельно задати відмінність порівнюваних кольорів. Величиною цією відмінності буде звичайна геометрична відстань між координатами цих кольорів, яка позначається як ΔE.

Дізнатись, яким чином колірні координатні системи XYZ та Lab використовуються сучасними системами управління кольором та отримати інструкції та поради з їх налаштування, можна прочитавши наступну статтю цього сайту.