Методы передачи информации про цвет

Размещено на http://www.allbest.ru/

ЛЕКЦИЯ 1. МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ ПРО ЦВЕТ

1.1 Понятие о цвете

Ощущение цвета есть результат субъективного восприятия зрительным аппаратом объективно существующих световых излучений. Оно определяется двумя основными факторами: раздражителем, объективно существующим и действующим на глаз излучением; результатом раздражения - ощущением цвета, зависящим от свойств световоспринимающего аппарата. Световые излучения, которые воспринимает зрительный аппарат человека, лежат в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм. Этот диапазон излучения принято считать видимым спектром.

Глаз является селективным приемником излучения. Это значит, что в видимом диапазоне он воспринимает различные длины волн не одинаково. Ощущение цвета зависит от спектрального состава воздействующего на глаз излучения. Если излучение содержит все длины волн видимого диапазона и является равноинтенсивным, т.е. все составляющие спектра излучения имеют одинаковую мощность, то в зрительном аппарате возникает ощущение белого цвета. Ощущение цвета, отличное от белого, возникает лишь в том случае, если излучение содержит не все длины волн указанного диапазон либо является существенно неравномерным. Предельным случаем неравномерного излучения можно считать излучение в малом интервале длин волн , так называемые монохроматические излучения. Монохроматические излучения разной длины волны вызывают у человека ощущение различных спектральных цветов, обладающих максимальной (100%) насыщенностью. Насыщенность - характерное свойство цвета - цветовой параметр, обозначающий степень разбавленности монохроматического цвета белым. Насыщенность белого цвета равна нулю. Спектр монохроматических излучений условно разбит на семь главных цветов (табл.10.1), названия которых могут служить приблизительным обозначением цветового тона. Под цветовым тоном понимают характерное свойство цвета, позволяющее обозначить его как красный, зеленый, желтый и т.д., в зависимости от спектрально состава воздействующего излучения. Цветовой тон и насыщенность не зависят от интенсивности излучения и характеризуют качество цвета, которое называется цветностью. Количество цвета связано с величиной лучистого потока - воздействующего на орган зрения из лучения.

Перечисленные параметры: светлота, цветовой тон, насыщенность являются субъективными, так как не могут быть объективно измерены. Однако им соответствуют физические параметры излучения: яркость L, доминирующая (преобладающая) длина волны д и чистота цвета Р. Субъективные и физические параметры связаны между собой; так, яркость определяет светлоту, доминирующая длина волны - цветовой тон, а чистота цвета - насыщенность. Таким образом, цвет характеризуется тремя параметрами: светлотой или яркостью, цветовым тоном и насыщенностью и в силу этого является трехмерной величиной. Во многих случаях оказывается удобным раздельно оценивать качественную и количественную характеристики цвета, определяя соответственно его через цветность и яркость.

Для каждого из приведенных в табл. 10.1 главных цветов можно подобрать дополнительный цвет, который при смешении в определенной пропорции со световым потоком данного цвета дает белый цвет. Так, для желтых, оранжевых, зеленых цветов дополнительными цветами будут синий, голубой и пурпурный соответственно. Пурпурный цвет не является спектральным цветом, а получен от смешения синего и красного цветов.

Таблица 10.1

Воздействующее на глаз излучение определенного спектрального состава и интенсивности дает ощущение одного присущего ему цвета, т.е. известный спектральный состав и интенсивность излучения полностью определяют цвет излучения. Однако по цвету излучения нельзя судить о его спектральном составе, так как ощущение одного и того же цвета может быть получено при различных спектральных составах воздействующих излучений. Зрительный аппарат человека не в состоянии, например, отличить оранжевый цвет монохроматического излучения с длиной волны около 600 нм от желтого цвета смеси источников излучения красного (к = 700 нм) и зеленого (з = 500 нм). Два различных по спектральному составу излучения, создающих ощущение одного и того же цвета, называются метаметрической парой.

Количество различимых глазом цветов очень велико и зависит от многих факторов, таких как условия наблюдения, тренированность наблюдателя и др. Наш глаз способен различать около 10 млн. различных цветов, отличающихся один от другого по трем параметрам - светлоте, цветовому тону и насыщенности. Описание такого множества цветовых оттенков невозможно без их классификации и символического обозначения. С этой целью разрабатываются системы цветовых шкал в виде таблиц и цветовых атласов, которые служат для безынструментального определения цвета рассеивающей поверхности. Наиболее известны цветовые атласы Оствальда, Менселла и Рабкина. Их общим недостатком является неточность. Цветовая система, позволяющая дать наиболее точное численное описание цвета, была создана на основе теоретических и экспериментальных работ многих поколений ученых, осветивших природу цветового зрения и положивших в основу построения науки об измерении цвета - колориметрии - теорию трехкомпонентного цветового зрения и понятие о трехмерном цветовом пространстве.

1.2 Фотометрия и свойства зрительного аппарата человека

Излучение есть перенос энергии от источника к поглощающему телу. Количественной мерой излучения является лучистая энергия, а мощность переноса лучистой энергии, т.е. энергии, переноси мой излучением в единицу времени, называют лучистым потоком Ф, единицей которого является ватт (Вт). Спектр лучистого потока может иметь различный характер: быть линейчатым (частным случаем такого спектра является поток монохроматических излучений), сплошным, прерывным или смешанным.

Спектральную характеристику лучистого потока удобно описывать с помощью так называемой спектральной плотности лучистого потока, Вт/нм:

(10.1)

Для примера на рис.10.1 приведена спектральная плотность источника белого света типа С. На этом рисунке заштрихованная часть, заключенная между абсциссами и + d и имеющая высоту Ф(), дает значение dФ, соответствующее данной . Площадь под кривой Ф() дает всю величину лучистого потока



Рис. 10.1. Спектральная интенсивность источника белого света

Спектральный состав отраженного излучения, воздействующего на светоприемники, зависит не только от спектральной плотности падающего потока, но и от спектральных свойств тел. В зависимости от этих свойств тело может частично или целиком пропустить, а также поглотить падающий на него лучистый поток. При этом в большинстве случаев окружающие предметы отражают и пропускают лучистую энергию избирательно по спектру, что приводит к изменению спектрального распределения первоначального лучистого потока. Отношение отраженной, пропущенной и поглощенной частей лучистого потока ко всему лучистому потоку, падающему на предмет, называют соответственно коэффициентами отражения (), пропускания () и поглощения (). Функции спектральных коэффициентов отражения () и пропускания () определяются следующими выражениями:

(10.2)

(10.3)

где Ф и Ф - отражаемый и пропускаемый лучистые потоки соответственно. Таким образом, если поток излучения, падающий на объект, запишем как

(10.4)

то отраженный от объекта или пропущенный им лучистый поток запишем соответственно как

(10.5)

(10.6)

Для оценки воздействия лучистой энергии на светочувствительный элемент нормального глаза необходимо учитывать особенности его светового восприятия. По определению, данному МКО (Международная комиссия по освещению) в 1924 г., светом называется электромагнитное излучение, оцененное глазом по тому действию, которое оно на него производит. Световой поток F связан с лучистым потоком Ф через спектральную световую чувствительность глаза, так называемую стандартную относительную видность глаза V():

(10.7)

Единица измерения светового потока - люмен (лм).Стандартная относительная видность глаза (рис.10.2) определена в результате усреднения экспериментальных данных, полученных для большого числа наблюдателей.

Коэффициент Vm(), являющийся максимумом кривой стандартной относительной видности с длиной волны = 555 нм, устанавливает количественную связь между световым и лучистым потоком. В результате точных измерений установлено, что 1 Вт лучистого потока монохроматического излучения с длиной волны = 555 нм равен 683 люменам светового потока. Следовательно, Vm() = 683, и выражение для светового потока принимает следующий вид:

(10.8)

Пределы интегрирования выбраны в соответствии с минимальным значением ординат V ().

Излучение, длины волн которого лежат за этими пределами, практически не вызывает раздражения зрительного аппарата. В диапазоне длин волн от 10 до 380 нм излучение называется ультрафиолетовым, а в диапазоне от 760 до 340103 нм - инфракрасным.

1.3 Колориметрическое определение цвета

Физиологические основы цветового зрения базируются на теории трехкомпонентного зрения, выдвинутой впервые М.В. Ломоносовым в 1756 г. Согласно этой теории мы допускаем существование на сетчатке глаза трех видов нервных аппаратов, каждый из которых обладает преимущественной чувствительностью к определенному участку видимого спектра - коротковолновому (синему), средневолновому (зеленому), длинноволновому (красному).

Изолированное возбуждение одного из этих аппаратов дает ощущение одного из трех насыщенных цветов - синего, зеленого, красного. Обычно (при наблюдении малонасыщенных цветов) воздействующее излучение содержит весь спектр видимого диапазона волн, но с разной спектральной интенсивностью. Это приводит к раздражению не одного, а двух или трех световоспринимающих аппаратов одновременно. При этом волны различной длины возбуждают эти аппараты в различной степени. Различное соотношение возбуждений световоспринимающих аппаратов вызывает ощущение цвета. Таким образом, анализ воздействующего излучения тремя селективными светочувствительными аппаратами глаза и последующий синтез результатов их возбуждений корой головного мозга вызывает ощущение большого числа цветовых оттенков окружающих нас предметов. Теория эта хорошо согласуется с законами смешения цветов, которые косвенно ее подтверждают.

В телевидении используется локальное, пространственное и бинокулярное смешение цветов. Локальное смешение может быть одновременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируются два или несколько излучений, вызывающие 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 этому могут служить мелкие штрихи, мозаика и др. Воспроизведение цветного изображения на телевизионном экране в большинстве случаев основано на пространственном смешении Бинокулярным смешением называется смешение двух или нескольких цветов путем раздельного раздражения левого и правого глаза разными цветами, в результате чего возникает ощущение нового цвета.

В основном законе смешения утверждается, 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; (10.9)

здесь f?F - излучение произвольного состава, единица которого обозначена через F, а количество единиц - через f?; R, G, В - единичные количества основных цветов; r?, g?, b? - множители, указывающие количества излучений, соответствующих цветам R, G, В, - или “модули этих цветов”.

Основными цветами называются 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; (10.10)

Примером взаимно-независимых цветов являются красный (R), зеленый (G) и синий (В).

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 поля 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 (10.9) 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, (10.11)

или f?F = - r?R + g?G + b?B. (10.12)

Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения (10.9) коэффициенты r?, g?, b? могут иметь отрицательные значения. Это позволяет расширить применимость форм цветового уравнения (10.9), показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми переменными г r?, g?, b?, что подтверждает его трехмерность.

Знание численных значений цветовых коэффициентов r?, g?, b? полностью определяет 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

(10.13)

m = r + g + b - цветовой модуль. Очевидно, что

r + g + b = 1. (10.14)

Символы r, g, b называют координатами цветности.

В уравнении (10.9) множитель f? указывает количество цвета F, необходимое для обеспечения цветового равенства. Известно, что яркость смеси равна сумме яркостей смешиваемых цветов, т.е.

f? = r? + g? + b? = m. (10.15)

Тогда, разделив (10.9) на цветовой модуль, получим

F = rR + gG + bB. (10.16)

Цвет F носит название единичного цвета; сумма его координат равна единице.

Координаты цветности являются зависимыми величинами, так как, зная две из них, третью находим из равенства (10.14). Это подтверждает двумерность параметра цвета - цветности и позволяет отобразить ее точкой в плоскости треугольника основных цветов.

1.4 Геометрическое представление цвета

Вследствие трехкомпонентности цветового зрения полная характеристика цвета определяется тремя числами, которыми в выбранной колориметрической системе, например АВС, являются модули трех основных цветов а?, b?, с?.

Необходимость и достаточность трех чисел для полной характеристики цвета позволяет рассматривать его как точку в трехмерном цветовом пространстве или как вектор, проводимый в эту точку из начала координат. Если основные цвета А, В, С представить в виде векторов А, В, С, то уравнение цвета может быть записано в виде

D = а?А + b?В + с?С. (10.17)

В этом уравнении цвета смеси определяются суммарным вектором D, имеющим координаты а?, b?, с? в системе координат АВС. Координаты каждой точки цветового пространства численно равны проекциям цвета на координатные оси. Начало всех векторов цвета расположено в общей точке О, являющейся началом системы координат цветового пространства, которому соответствует черный цвет (рис. 10.3).

В качестве координат цветового пространства могут быть выбраны направления векторов любых трех линейно независимых цветов. Для обеспечения этого условия векторы выбранных основных цветов не должны лежать в одной плоскости и, следовательно, объем параллелепипеда, построенного на них, не равен нулю. Вследствие того, что все векторы цвета имеют общее начало, их можно рассматривать как радиус-векторы точек, каждая из которых будет однозначно определять цвет. Тогда каждой точке цветового пространства будет соответствовать определенное значение яркости и цветности. При этом длина вектора характеризует количество цвета - яркость, а направление - его качество - цветность.

Пространство, в котором находятся цветовые векторы, называется цветовым. Совокупность цветовых векторов в цветовом пространстве занимает телесный угол менее 2, так как в противном случае суммирование двух цветов, представленных соответствующими векторами, может привести к уменьшению длины результирующего вектора, т.е. яркости смеси, что физически невозможно. Сказанное иллюстрирует рис. 10.4, где в колоримет-рической системе, построенной на векторах трех основных цветов АВС, изображена коническая поверхность, образованная векторами цветов монохроматических излучений. Поверхность имеет выпуклую форму, так как ни один спектральный цвет не может быть получен смешением двух других. Видимый спектр ограничен, с одной стороны, красным ( = 700 нм), а с другой - синим ( = 400 нм) излучением, поэтому поверхность спектральных цветов незамкнута. Проведя плоскость через векторы монохроматических цветов с = 400 нм и = 700 нм, получим плоскость, в которой расположены векторы всех возможных смесей этих цветов, которые принято называть пурпурными цветами.

Поскольку цветов более чистых, чем спектральные, не существует, векторы всех реальных цветов расположены в пределах части цветового пространства, которое ограничено конической поверхностью, образованной векторами цветов монохроматических излучений и плоскостью чистых пурпурных цветов. Совокупность направлений векторов реальных цветов принято называть конусом реальных цветов. Все цвета, векторы которых лежат вне конуса реальных цветов, в природе не существуют, вследствие чего их принято называть нереальными цветами. При пересечении цветового пространства плоскостью, перпендикулярной линии белого цвета, образуется цветовой треугольник АВС, в котором координаты цветности монохроматических излучений изображаются точками на кривой, называемой спектральным локусом.

Единичная плоскость в цветовом пространстве. Выше отмечалось, что качественная характеристика цвета - цветность - является двумерной величиной и, следовательно, может быть определена точкой на плоскости. Одной из характерных плоскостей цветового пространства является плоскость единичных цветов. Единичным цветом в колориметрии называют любой цвет, сумма координат (модулей) которого равна единице. Поскольку отношение модуля каждого основного цвета к сумме модулей основных цветов представляет собой соответствующие трехцветные коэффициенты или координаты цветности a?/m = a; b?/m = b; c?/m = c, где m = a? + b? + c?, а сумма трех цветовых коэффициентов а + b + с = 1, координаты любого единичного цвета равны его соответствующим трехцветным коэффициентам или, что то же самое, координатам цветности. Положение плоскости единичных цветов в цветовом пространстве определяется единичными значениями их отрезков, отсекаемых плоскостью на координатных осях АВС. Следовательно, плоскость пересекающая оси координат в точках A0(a? = 1; b? = 0; c? = 0), В0(а? = 0; b? = 1; c? = 0), С0(a? = 0; b? = 0; c? = 1) (рис.10.4), является геометрическим местом точек единичных цветов в цветовом пространстве АВС, так как сумма координат любой точки этой плоскости равна единице.

Каждой точке плоскости единичных цветов соответствует определенное направление цветового вектора, пронизывающего в этой точке плоскость.

Следовательно, цветности любого излучения соответствует единственно возможная точка этой плоскости. Треугольник А0B0C0, образованный следами пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями системы, называется цветовым треугольником и является равносторонним, а положение точки в треугольнике определяет насыщенность описываемого цвета.

Если положение точки внутри равностороннего треугольника задано, то перпендикуляры, опущенные из нее на противоположные стороны вершин АВС, дадут непосредственно трехцветные коэффициенты (координаты цветности) а, b, с, сумма которых равна единице (рис.10.5).

Если же, наоборот, заданы координаты цветности а, b, с, то положение точки в треугольнике находят по правилу определения центра тяжести. Удобно для нахождения точки цветности по известным трехцветным коэффициентам пользоваться равномерной сеткой, нанесенной на цветовом треугольнике.

Пользуясь сеткой, легко определить, что цветность равноинтенсивного цвета Е (точка Е) описывается уравнением

FE = А/3 + В/3 + С/3,

а, например, в точке D цветность FD = 0,3А + 0,5С + 0,2В.

1.5 Система RGB

Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне определенными, заранее согласованными основными цветами. Поэтому в целях устранения неопределенности измерения цвета в 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) стандартизовала в качестве основных цветов - основных стимулов - три монохроматических излучения с длинами волн R = 700 нм, G = 546,1 нм и B = 435,8 нм. Выбранные основные цвета удобны тем, что два из них R и B близки к краям видимого спектра, а третий G - к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свой цветочувствительный аппарат. Кроме того, излучение G и B большой интенсивностью испускается парами ртути, что упрощает проведение колориметрических измерений.

Любой цвет в системе RGB определяется по аналогии с (10.9) выражением

f?F = r?R + g?G + b?B (10.18)

где R, G, B - обозначения выбранных основных цветов, r?, g?, b? - их количества, т.е. координаты цвета. Координаты цвета r?, g?, b? могут быть выражены в энергетических или световых единицах, но удобнее их выражать в количествах единичных цветов R, G, B. При этом символы R, G, B являются наименованием единиц измерения цвета. Абсолютные (количественные) значения единичных цветов колориметрической системы не устанавливают, нормируют лишь их соотношение. Его выбирают таким, чтобы при сложении единичных цветов в численно равных количествах получилось ощущение равноэнергетического белого цвета Е:

Е= 1R + 1G + 1B. (10.19)

Такое соотношение основных цветов для белого цвета Е, как будет показано ниже, оказывается удобным при представлении цвета точкой в трехмерном пространстве или вектором. Из опыта смешения цветов известно, что для получения цветового ощущения белого от равноэнергетического излучения - источника типа Е необходимо к единице цвета R прибавить 4,5907 единицы цвета G и 0,0601 единицы цвета В. Тогда если через LR, LG, LB обозначить относительные яркостные коэффициенты основных цветов, то количественное соотношение компонентов смеси можно записать как

LR rE? : LGgE? : LBbE? = 1 : 4,5907 : 0,0601, (10.20)

где rE?, gE?, bE? - координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е, которые в системе RGB будут:

rE? = gE? = bE? = 1/3. (10.21)

Координаты цвета r?, g?, b? любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излучения P();

 (10.22)

Величины представляют собой цветовые свойства среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства (10.18), которые были стандартизованы в 1931г. МКО на основе экспериментальных результатов полученных Райтом и Гилдом. Цветовые свойства наблюдателей были стандартизованы для монохроматического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин волн. В результате были получены удельные координаты или удельные цветовые коэффициенты, которыми называются коэффициенты цветового уравнения (10.18), необходимые для получения ощущения цвета, соответствующего монохроматическому излучению мощностью в 1 Вт. Графическая зависимость удельных координат длины волны или кривые смешения изображены на рис.10.6.

Они связывают воздействующее на глаз излучение данного спектрального состава с результатом этого воздействия - ощущением цвета, выраженным в цветовых координатах r?, g?, b?.

Для равноэнергетического белого цвета и

РE() = const и r?E = gE? = b?E, откуда

(10.23)

а следовательно, площади под кривыми равны.



Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (10.18) величины r?, g?, b? для чистых спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это подтверждает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB.

На рис.10.7 представлен конус реальных цветов - цветовое тело, построенное на векторах основных цветов колориметрической системы RGB.

Плоскость Q пересекает координатные оси RGB в точках, соответствующих единичным количествам основных цветов, и, следовательно, является единичной плоскостью. Вектор равноэнергетического белого цвета Е равноудален от векторов основных цветов, чем достигается равномерность заполнения цветового пространства.

След пересечения плоскости Q c конической поверхностью цветового тела образует локус чистых спектральных цветов. Следы пересечения этой плоскости с координатными плоскостями образуют цветовой треугольник RGB. Любой точке в плоскости треугольника RGB соответствует вполне определенная цветность, координаты которой определяются путем деления модулей цвета r?, g?, b? на их сумму в соответствии с (10.13).

Для опорного равноэнергетического цвета Е координаты цветности

rE = gE = bE = 1/3.

Следовательно, точка белого цвета Е является центром тяжести треугольника RGB и лежит на пересечении его медиан. Рассматривая положение цветового конуса в пространстве координат RGB, видим, что значительная часть цветового тела, содержащая векторы монохроматических зеленых, голубых, синих и фиолетовых цветов, выходит за пределы пирамиды RGB,т.е. оказывается с внешней стороны плоскости RGB. Соответственно и след сечения цветового конуса плоскостью Q - спектральный локус выходит за пределы цветового треугольника RGB. Следовательно, чистые спектральные цвета не могут быть получены смешением основных цветов RGB и входящие в цветовые уравнения модули r?, g?, b? для этих цветов могут иметь отрицательные значения. Кривые смешения (см. рис. 10.6) подтверждают это положение.

Колориметрическая система RGB удобна для проведения экспериментальных исследований, так как ее основные цвета являются реальными, физически существующими цветами. Однако наличие в кривых смешения RGB (см. рис. 10.6) положительных и отрицательных ветвей значительно затрудняет их реализацию при создании цветоизмерительных приборов - колориметров. Вторым недостатком системы RGB является необходимость расчета всех трех компонентов цвета при определении его яркости:

L = 683(LRR + LGG + LBB),

где R, G, B - координаты цвета; LR, LG, LB - яркостные коэффициенты основных цветов системы RGB. Поэтому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ.

1.6 Цветовая система ЦВЕТОВАЯ СИСТЕМА XYZ

В основу построения системы XYZ были положены следующие условия.

1. Удельные координаты - кривые смещения не должны иметь отрицательных ординат, т.е. все реальные цвета определяются положительными значениями модулей основных цветов выбранной координатной системы и, следовательно, координаты цветности всех реальных цветов должны лежать внутри координатного треугольника основных цветов.

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

3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения должны быть равными, т.е. точка цветности этого излучения должна лежать в центре тяжести треугольника основных цветов.

Для обеспечения первого требования 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, т.е. тело реальных цветов находится внутри координатной системы XYZ, которая может быть пояснена с помощью рис. 10.8. Оси X, Y, Z являются ортогональной декартовой системой координатных осей в цветовом пространстве - координата Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета Х и Z лежат в плоскости нулевой яркости. Вектор координаты Y перпендикулярен равноярким плоскостям, и в частности, плоскости нулевой яркости X0Z, что обеспечивает выполнение второго условия. Любой цвет в системе XYZ описывается следующим выражением:

f?F = х?Х + y?Y + z?Z (10.24)

и изображается в цветовом пространстве точкой с координатами х?, y?, z? или вектором, проведенным в эту точку из начала координат. Модули основных цветов х?, y?, z? определяются выражениями, аналогичными (10.22):

(10.25)

Графики удельных координат (кривые смещения) в системе XYZ показаны на рис. 10.9. Кривая тождественна кривой стандартной относительной видности глаза V(). Две другие кривые получены в результате пересчета удельных координат системы RGB в координатную систему XYZ. Подынтегральные площади всех трех кривых равны между собой, что обеспечивает выполнение третьего условия построения системы.

Цветовое пространство XYZ (рис. 10.8) рассечено единичной плоскостью, определяемой уравнением X + Y + Z =1 и отсекающей на осях координат отрезки, равные Х=1, Y =1, Z =1. Линии пересечения координатных плоскостей с единичной плоскостью образуют на последней равносторонний треугольник. Точка m пересечения вектора D с единичной плоскостью характеризует направление этого вектора, а следовательно, и цветность описываемого цвета. Координаты точки m определяются выражениями

x = х?/М; у = у?/М; z = z?/М,

где М = х? + y? + z? - модуль цвета, а х, у, z - координаты цветности. Координаты цветности чистых спектральных цветов вычислены и стандартизованы МКО. Значения х, у, z для монохроматических излучений изображены графически на рис. 10.10.

Геометрическое место координат цветности чистых спектральных цветов представляет собой кривую, лежащую на единичной плоскости и именуемую спектральным локусом (см. рис. 10.8). Прямолинейный участок, замыкающий эту кривую в точках B и R, представляет цветности пурпурных цветов. Изображение цветностей на единичной плоскости или ее проекции называется диаграммой цветности - цветовым графиком. Таким образом, в единичной плоскости можно получить диаграмму цветности, показанную на рис. 10.11, и представить на ней цветность любого цвета его координатами цветности.

Замкнутая коническая поверхность (см. рис. 10.8) образуемая векторами чистых спектральных и пурпурных цветов, заключает в себе ту часть цветового пространства, где располагаются векторы всех реальных цветов, визуально воспринимаемых глазом. Все остальные векторы, расположенные за пределами этой конической поверхности, представляют формальные цвета, которые не могут быть визуально восприняты. Такими являются и сами первичные цвета XYZ МКО. Благодаря такому выбору первичных цветов цветовые компоненты всех реальных цветов в системе XYZ выражаются только положительными величинами. Соответственно на диаграмме цветности все точки, заключенные внутри спектрального локуса, представляют реальные цветности. Все точки вне спектрального локуса соответствуют формальным цветностям.

Так как одна из координат цветности является зависимой от двух других (х + у + z = 1), то для определения цветности достаточно двух координат, например х и у. Тогда, проецируя диаграмму цветности единичной плоскости на плоскость ху в направлении оси z (см. рис. 10.8), получим известную диаграмму цветности МКО (рис.10.12). Анализируя цветовой график МКО, необходимо отметить следующее.

1. Координаты цветности всех реальных цветов находятся внутри спектрального локуса и определяются положительными значениями х и у.

2. Равноэнергетический белый цвет Е находится в центре тяжести треугольника х0у. Его координаты цветности будут х = 1/3, у = 1/3.

З. Дополнительные цвета лежат на отрезках соединяющих их прямых, проходящих через точку Е, по разные стороны от точки Е.

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

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

Выше отмечалось, что 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 д), соответствующей пересечению кривой спектральных цветов - спектрального локуса с прямой, проходящей через точку Е и точку, отображающую цветность искомого цвета, например точку М. Насыщенность численно характеризуют чистотой цвета Р, т.е. относительным содержанием в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока F):

P = 100F/(F+Fб) %,

где Fб - световой поток, вызывающий ощущение белого цвета. Насыщенность максимальна (Р = 100 %)для чистых и пурпурных цветов и минимальна (Р = 0) для белого цвета.

1.7 Равноконтрастная цветовая диаграмма

Для определения точности измерения цвета или воспроизведения его на телевизионном экране необходимо выбрать правильную меру оценки разности сравниваемых цветов. Различие между цветами целесообразно оценивать в порогах цветоразличения, которые наблюдатель в состоянии заметить. Экспериментальные данные о чувствительности зрения к изменению цветности для разных точек цветового графика представлены на рис.10.13 в виде эллипсов различных размеров и ориентации, внутри которых глаз не ощущает разницы в цвете. Полуоси эллипсов пропорциональны порогам цветоразличения. Для большей наглядности эллипсы на рисунке изображены с десятикратным увеличением. Пороги в разных участках цветовой диаграммы XY резко различны, что затрудняет использование ее при оценке разницы цветов. Для устранения этого недостатка была разработана и рекомендована МКО равноконтрастная диаграмма цветности (рис. 10.14), полученная из диаграммы цветности XY путем проекции ее на новую плоскость uV. Координаты цветности в новой системе цветов определяют из соотношения

U = 2x/(6y - x + 1,5); V = 3y/(6y - x + 1,5).

В результате такого преобразования на равноконтрастном графике пороги цветоразличения представляют собой равные окружности, а значение порога составляет 0,0038 единиц uV.

В телевидении для оценки цветовых различий, обусловленных искажениями не только цветности, но и яркости, используют рекомендованное МКО в 1964 г. равноконтрастное цветовое пространство. Координатами пространства являются индексы яркости W* и цветности U* V*, определяемые из следующих соотношений:

W* = 25(Y?)1/3 - 17; U = 13W*(U - U0); V = 13W*(V - V0), (10.26)

где Y? - относительная яркость исследуемого цвета к яркости белого в процентах, U0, V0 и U, V - координаты цветности опорного белого и оцениваемых цветов, соответственно, в системе UVW*. Разность между двумя цветами определяется в равноконтрастном цветовом пространстве МКО как расстояние между двумя точками:

E = [(U*)2 + (V*)2 + (W*)2]1/2, (10.27)

где U*, V*, W* - разности соответствующих координат сравниваемых цветов в системе U*, V*, W*. Выражение для E дает только разность между цветами в равномерном цветовом пространстве. Для. количественной оценки качества цветопередачи введен индекс цветопередачи

R = 100 - 4,6E. (10.28)

Для оценки качества цветопередачи по совокупности испытательных цветов используют общий индекс цветопередачи Ra

(10.29)

где i - номер испытательного цвета из набора m цветов, Ei - цветовое различие, определяемое по формуле (10.27). Экспериментально установлено, что расчетным значениям Rа соответствуют следующие оценки качества цветопередачи:

Rа - Оценка

80... 100 - “отлично”,

65...80 - “очень хорошо”,

50...65 - “хорошо”,

30.. .50 - “удовлетворительно”.

1.8 Цветовой расчёт координат цвета и цветности

Расчет цвета или цветности сводится к аналитическому определению их координат в выбранной системе по заданному спектральному распределению излучения. Пусть требуется определить координаты цветности излучения, отраженного от белого экрана, который освещен лампой накаливания, прикрытой светофильтром СЗС-16 толщиной 3 мм. Цветовая температура излучения лампы 2854 К; координатная система XYZ. Ординаты спектральных характеристик излучения лампы Р() и пропускания светофильтров () сведены в табл. 10.2.

Спектральную характеристику отражения экрана будем считать постоянной в интервале видимых длин волн. Тогда выражение (10.25) примет вид

Решение уравнения выполняется методом численного интегрирования. Интегралы заменяются суммами, а весь спектр видимого, излучения разбивают на п узких интервалов , в пределах которых излучения можно считать однородными. Тогда

Для решения примера составим расчетную таблицу, приняв интервал = 20 нм. Координаты цвета х?=361,757; у? = 368,773; z? = 145,427; m = х? + у? + z? = 876,002, откуда координаты цветности отраженного от экрана излучения x = 361,757/876,002 = 0,414; y = 368,773/876,002 = 0,421.

1.9 Способы получения цветного телевизионного изображения

Для получения цветного телевизионного (ЦТ) изображения датчик ТВ сигнала (ЦТ камера, диапроектор, эпипроектор), кроме поэлементного анализа должен осуществлять спектральное разложение воздействующего излучения на три составные части аналогично тому, как это делает наш зрительный аппарат. На приемной стороне должно совершаться обратное действие - синтез ЦТ изображения из трех основных цветов. Анализ воздействующего излучения на три составляющие и синтез ЦТ изображения могут быть осуществлены одновременным либо последовательным способом. Последовательный способ. Способность зрительного аппарата воспринимать чередующиеся во времени цвета как цвет смеси при достаточной частоте чередования позволяет разлагать натуральные цвета на основные и осуществлять синтез ЦТ изображения из трех основных цветов последовательным способом, упрощенная структурная схема которого изображена на рис. 10.15.

Изображение передаваемого объекта при помощи объектива проецируется на фотокатод передающей телевизионной трубки последовательно в трех цветах - красном, зеленом и синем. Для разложения светового потока на три основных цвета используется вращающийся диск со светофильтрами, устанавливаемый между объективом и передающей трубкой. На приемном конце наблюдатель видит изображение на экране приемной трубки также через вращающиеся светофильтры. При этом оба диска должны вращаться с одинаковой скоростью (синхронно) и фильтры одного и того же цвета должны проходить перед обеими трубками одновременно (должна соблюдаться синфазность вращения дисков). Таким образом, наблюдатель видит последовательно телевизионное изображение в трех разных цветах. Благодаря инерции зрительного восприятия возникает впечатление слитного изображения в натуральных цветах.

Для того чтобы мелькания не были заметны, необходимо, чтобы общее время передачи трех цветоделенных изображений, образующих в совокупности полное ЦТ изображение, не превышало времени передачи одного кадра в черно-белом телевидении. В связи с этим в такой системе число элементов изображения, передаваемых за один полный кадр, возрастает в 3 раза. Соответственно в 3 раза возрастает и полоса частот передаваемого видеосигнала.

Последовательному способу присущи недостатки: он не совместим с системой черно-белого телевидения, так как частоты кадровой и строчной разверток, а также спектр частот ТВ сигнала при таком способе передачи увеличены в 3 раза по сравнению с аналогичными параметрами черно-белой системы; при быстром перемещении объектов на изображении наблюдается цветная бахрома, так как следующие друг за другом изображения в трех основных цветах оказываются несовмещенными. Кроме этого, применение диска со светофильтрами ограничивает размеры экрана кинескопа. По этим причинам последовательная система не могла быть использована в телевизионном вещании.

Основным достоинством последовательного способа является простота передающего и приемного оконечного устройства, в связи с чем он нашел применение в замкнутых телевизионных системах прикладного назначения.

Одновременный способ передачи цветов требует в общем случае трех передающих и трех приемных трубок. Разложение светового потока, воздействующего на ЦТ датчик излучения, на три составляющие может осуществляться непосредственно светофильтрами, установленными перед фотокатодами передающих трубок, либо с помощью специальной цветоделительной системы, содержащей дихроичные зеркала. Упрощенная структурная схема одновременного способа показана на рис. 10.16.

Воздействующий на ЦТ датчик световой поток разделяется на три с помощью двух дихроичных зеркал, цветоизбирательные свойства которых таковы, что они отражают одну часть спектра и почти без потерь пропускают остальную часть. Так, дихроичное зеркало 1 отражает синюю составляющую светового потока к соответствующей трубке и пропускает остальную часть излучения. Дихроичное зеркало 2 отражает красную составляющую ко второй трубке и пропускает зеленую составляющую к третьей трубке. Полученные от трех трубок видеосигналы передаются к приемному устройству, где три цветоделенных изображения необходимо совместить в одно.

Одновременный способ передачи и воспроизведения основных цветов требует точного оптического и электрического совмещения трех растров передающих, а также приемных трубок. Недостаточно точное выполнение этого требования может привести к потере четкости и появлению цветных окантовок.

1.10 Особенности восприятия цвета в телевидении

При выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы важно установить, к какому идеалу верности цветовоспроизведения следует стремиться. Качество телевизионного изображения, как и любой репродукции, определяется степенью соответствия этой репродукции оригиналу. Вопрос о точности воспроизведения изображения оригинала детально рассмотрен Н.Д. Нюбергом, который предложил три критерия точности соответствий изображения оригиналу:

- физическая точность, при которой спектральные составы и мощности излучения оригинала и изображения одинаковы;

- физиологическая точность, при которой зрительные ощущения, вызываемые оригиналом и его репродукцией, одинаковы;

- психологическая точность, при которой изображение оценивается наблюдателем как высококачественное, хотя физиологическая точность не соблюдается.

При воспроизведении ЦТ изображения стремиться к выполнению физической точности нет необходимости, так как одинаковые ощущения цвета могут быть получены при воздействии различных спектральных составов; требование точности изображения оригиналу не может быть в полной мере выполнено в телевизионной системе из-за ограничений, наложенных синтезирующим и воспроизводящим устройствами, которые обусловлены двумя основными причинами:

а) диапазон абсолютных значений яркостей Yи, воспроизводимых синтезирующим устройством, не может быть столь велик, как диапазон абсолютных значений яркости Y0 передаваемых объектов, т.е. телевизионное воспроизводящее устройство не может практически воспроизвести столь большие абсолютные значения яркости, какие имеют место на объекте;

б) телевизионное устройство не может воспроизвести цветности, находящиеся вне треугольника его первичных цветов.

При разработке вещательных систем цветного телевидения следует иметь в виду, что ЦТ изображение имеет меньшие размеры деталей, чем объект, заключено в ограничивающую рамку, которой нет в передаваемом объекте, яркость фона, окружающего изображение, обычно мала по сравнению с яркостью изображения. В этих условиях важную роль играют адаптация глаза и относительность наших зрительных оценок, что и позволяет не воспроизводить абсолютное значение яркостей отдельных элементов изображений, соответствующих оригиналу, и сохранить лишь соотношение между яркостями отдельных элементов изображения и цветности.

Вышеизложенное позволило ввести в телевизионном вещании понятие колориметрической тождественности изображения оригиналу, которое означает выполнение следующих условий:

цветность каждого элемента изображения не должна отличаться от цветности элемента оригинала, т.е. хи = х0; уи = y0; zи = z0;

отношение яркостей соответствующих элементов изображения и оригинала должно быть величиной постоянной для всех цветностей, т.е.

Yи = nY0,

где n = const при любой цветности.

Необходимо отметить, что требование колориметрически точного воспроизведения цветности выполнимо лишь в пределах треугольника первичных цветов воспроизводящего устройства. Цветности оригинала, лежащие вне треугольника, будут воспроизведены с искажениями насыщенности и цветового тона. Для качественной оценки допустимости цветовых искажений относительно оригинала пользуются критерием психологической точности цветного изображения. При этом учитывают, что восприятие цветности знакомых предметов (кожи лица и рук, волос, воды, листьев, травы, хорошо известных цветов фруктов и овощей, мяса, различных белых поверхностей и др.) является более критичным, чем восприятие цветности малознакомых предметов. Эти особенности широко используются при выборе параметров отдельных звеньев телевизионной системы.

Колориметрические требования справедливы для однородно окрашенных цветовых полей при восприятии их углом зрения 2°. При переходе к меньшим углам зрения цветовые свойства глаза существенно меняются. Так, при уменьшении угловых размеров предметов до 10...25? их цвета воспринимаются как цвета смеси оранжевого и голубого цветов. Полная потеря ощущения цветности происходит при углах зрения 6... 10?. Учитывая, что телевизионное изображение обычно воспринимается в пределах угла ясного зрения (12...15°), детали, меньшие, чем 4-6 элементов, могут воспроизводиться в черно-белом виде. Учет этих особенностей, как будет показано ниже, позволяет уменьшить ширину требуемой полосы частот канала связи.

1.11 Условия правильной цветопередачи в телевидении

В § 10.10 были сформулированы необходимые условия верности цветовоспроизведения, которым, учитывая особенности зрительного восприятия и телевизионного цветовоспроизведения, следует считать колориметрическую тождественность изображения оригиналу. Это означает, что цветность каждого элемента изображения не отличается от цветности соответствующего элемента оригинала, а отношение яркостей соответствующих элементов изображения и оригинала является величиной постоянной для всех передаваемых цветностей, т.е. х?и = nх?0; у?и = ny?0; z?и = nz?0; где п - коэффициент пропорциональности.

Очевидно, что выполнение этих условий определяется всеми звеньями телевизионного тракта от света до света, структурная схема которого изображена на рис.10.17. Телевизионный тракт включает в себя передающую камеру, преобразующую воздействующий световой поток F0 в сигналы основных цветов ЕR, ЕG, ЕB, канал передачи этих трех сигналов и три кинескопа, преобразующие усbленные сигналы основных цветов в соответствующие световые потоки FRи, FGи, FBи, которые с помощью оптической системы совмещаются в одно многоцветное изображение.

Передающая камера содержит цветоделительную систему (ЦДС) которая разделяет световой поток F0, отраженный от передаваемой сцены, на три составляющие: красную FR0, зеленую FG0, синюю FB0, образуя на фоточувствительной поверхности передающих трубок ЦТ три оптических изображения в основных цветах. Таким образом, телевизионная камера или любой другой датчик цветных телевизионных сигналов (кинопроектор, диапроектор, эпипроектор), помимо анализа изображения на отдельные элементы, осуществляет еще и трехкомпонентный анализ элементарных излучений, отображая каждый элемент передаваемой сцены электрическими сигналами ЕR, ЕG, ЕB. Совокупность последних должна содержать качественную и количественную характеристики каждого элементарного лучистого потока.

Для того чтобы электрические сигналы на выходе ТВ камеры несли верную информацию о цветах (т.е. о яркостях и цветностях) воздействующих на нее излучений, необходимо обеспечить прямую пропорциональность между значениями этих сигналов и координатами цвета этих излучений в выбранной колориметрической системе. Тогда в системе RGB величины сигналов основных цветов будут равны:

ЕR = K1r?, ЕG = K3g?, ЕB = K3b?,

Где r?, g?, b? - модули основных цветов, а K1-K3 - постоянные коэффициенты.

Учитывая (10.22), можем записать:

где - удельные координаты (кривые смешения), связывающие воздействующее на глаз излучение Р() с результатом этого воздействия - ощущением цвета.

Отсюда следует, что телевизионная камера будет колориметрической, если характеристики ее спектральной чувствительности тождественны по форме удельным координатам в выбранной системе основных цветов. Следовательно, телевизионная камера, а также любой другой датчик цветных телевизионных сигналов должны обладать свойствами объективного колориметра (измерителя цвета), но усложненного телевизионной разверткой.

Датчик цветных телевизионных сигналов может осуществлять цветовой анализ передаваемого объекта в любой колориметрической системе RGB, XYZ, UVW и т.д., поскольку все колориметрические системы связаны линейной зависимостью с характеристиками спектральной чувствительности глаза. При этом характеристики спектральной чувствительности датчика должны быть тождественны по форме кривым удельных координат (кривым смешения) соответствующей колориметрической системы.

Очевидно, для целей телевизионного вещания, если тракт передачи цветоделенных сигналов от камеры к приемному устройству не изменяет соотношение этих сигналов, удобно разлагать воздействующее на камеру излучение на такие же первичные цвета, из каких приемное устройство синтезирует воспроизводимое цветное изображение.

Основные цвета воспроизводящего приемного устройства полностью определяются спектральными характеристиками излучений его люминофоров. Для воспроизведения наибольшего многообразия цветов необходимо, чтобы на диаграмме цветности МКО треугольник с вершинами, соответствующими основным цветам кинескопа, охватывал наибольшую возможную площадь этой диаграммы.