Основные колориметрические системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Принципы измерения цвета

Для воспроизведения цвета необходимо знать характеристики как воспроизводимого объекта, так и полученного результата (например, цветной оригинал и его репродукция). В этом случае для оценки качества нельзя обойтись без цветовых измерений, без строгого описания цвета. Учение об измерении цвета называется колориметрией или метрологией цвета.

Теория цвета использует в основном два способа описания цвета - с помощью колориметрических систем и систем спецификаций. В данном разделе будут рассмотрены только принципы построения колориметрических систем.

Один из способов определения цвета основан на измерении его по принципу синтеза. В приборах - колориметрах, где реализован этот принцип, с помощью трех основных синтезируется цвет, тождественный измеряемому.

Две грани призмы образуют фотометрическое поле. На одну половину поля направляют измеряемое излучение Ц, а на другую - основные R, G, В. Регулируя количества основных, цвета обеих половин поля можно уравнять. Зная характеристики светопоглощающих устройств (диафрагмы, клинья), можно найти количества основных, а по ним - координаты измеряемого цвета. Определив Цветовые координаты, легко воспроизвести сам цвет.

Иногда вместо цветовых координат определяют психофизические характеристики цвета: доминирующую длину волны, чистоту цвета и яркость. Их определение основано на том, что спектр содержит все цвета, кроме пурпурных. Поэтому к любому световому пучку можно подобрать спектральный цвет, тождественный измеряемому по цветовому тону

В данном случае эталоном служит монохроматическое излучение М, выделенное из спектра. Так как измеряемый и монохроматический пучки могут различаться по насыщенности, то на грань призмы вместе с монохроматическим направляется еще и белое излучение Б. Зная длину волны монохроматического излучения М, его количество и количество белого, необходимых для получения цвета, тождественного Ц, находят психофизические характеристики измеряемого цвета.

Длина волны монохроматического излучения, тождественная измеряемому цвету, называется доминирующей длиной волны (). Она характеризует цветовой тон цвета Ц.

Насыщенность цвета Ц характеризуется колориметрической чистотой цвета р. Она определяет долю того монохроматического излучения, которое обеспечивает в смеси с белым зрительное тождество с рассматриваемым излучением (цветом), вычисляется по формуле

где - яркость монохроматического излучения; - яркость белого излучения.

И наконец, светлота в колориметрии определяется через яркость В, которая является количественной характеристикой цвета. Она зависит от количества излучения, необходимого для получения на эталонной грани призмы монохроматического излучения, не отличимого от цвета Ц по светлоте.

Основы построения колориметрических систем

До начала 30-х годов XX века все, кто занимался воспроизведением цвета, выбирали основные цвета по своему усмотрению. При этом чаще всего выбор был обусловлен удобствами проведения эксперимента. Поэтому все численные значения относились лишь к конкретному измерению, что в значительной степени затрудняло использование полученных результатов. Однако развитие науки, техники и совершенствование технологических процессов требовали создания такой системы измерения цветов, которая позволила бы проводить их объективную оценку. Для этого необходимо было создание соответствующих систем измерения цвета.

Одним из главных требований метрологии (и метрологии цвета, в частности) является то, что результаты измерений должны быть однозначными и воспроизводимыми. Под однозначностью понимают способность одной и той же величины всегда давать одинаковые значения, под воспроизводимостью - сопоставимость полученных результатов измерений. Для удовлетворения этих условий необходимо, чтобы измерения проводились в одних и тех же условиях, принятых за норму.

Совокупность нормированных условий измерений цвета составляет колориметрическую систему. В колориметрии нормируют те условия, которые непосредственно влияют на результат: цветность основных, количества основных, уровень яркости, размеры фотометрического поля.

Принцип построения колориметрических систем основывается на одном из законов Грассмана, согласно которому любой Цвет может быть выражен тремя, если они линейно независимы. Этому требованию отвечают излучения синего, зеленого и красного цветов, называемые триадой. Учитывая еще ряд требований, выбор основных ограничили определенными интервалами спектра и длин волн.

С уровнем яркости и размером фотометрического поля связана контрастная чувствительность глаза.

Два объекта разного цвета, различимые при одной яркости, могут оказаться неразличимыми при другой, когда чувствительность глаза понижена.

Поэтому уровни колориметрических измерений нормируют таким образом, чтобы уровень яркости был оптимальным по отношению к чувствительности человеческого глаза



Основная физиологическая система КЗС

Выбор основных цветов, ограниченный лишь условием линейной независимости между ними, позволяет иметь неограниченно большое количество колориметрических систем.

Одной из таких систем является основная физиологическая система КЗС. В этой системе координаты цвета К, 3 и С - уровни возбуждения трех приемников глаза в единичных значениях КЗС - компонентов цвета. Особенность физиологической системы заключается в том, что в отличие от всех других систем (в том числе и тех, которые будут рассматриваться дальше) в ней любой цвет не только выражается суммой трех основных, но и определяется уровнем и соотношением реакций трех цветоощущающих рецепторов глаза .

В связи с этим особая важность данной системы там, где есть необходимость анализа реакций цветоощущающих рецепторов, цветовой адаптации и т.д.

Основная трудность построения данной системы заключается в невозможности точного измерения спектральной чувствительности каждого из трех цветоошущающих рецепторов.

Основы колориметрической системы (CIERGB)

Первая колориметрическая система RGB была предложена и принята в 1931 г. международной комиссией по освещению (МКО), в литературе часто вместо МКО используется аббревиатура CIE от французского Commision Internationale de I'Eclairage). Выбор основных цветов этой системы осуществлялся исходя из следующих требований.

1. Выбранные основные должны легко воспроизводиться.

2. Каждый из выбранных основных должен возбуждать по возможности лишь одну группу цветоощущающих рецепторов.

Учитывая год разработки первой колориметрической системы, следует отметить, что в то время наиболее воспроизводимыми считались излучения газосветных ламп, из которых с помощью светофильтров легко выделялись монохроматические излучения. В связи с этим CIE в качестве основных были выбраны излучения:

красное ( = 700 нм), выделяемое красным светофильтром из лампы накаливания;

зеленое ( = 546,1 нм) линия е в спектре ртутной лампы; ; синее ( = 435,8 нм) линия g в спектре ртутной лампы.

Цвета этих излучений получили соответственно названия R (red), G (green), В (blue), а колориметрическая система - CIERGB.

Количественные характеристики основных цветов CIERGB выражают как световыми, так и энергетическими величинами.

Для колориметрических измерений удобнее выбирать единицы световых величин таким образом, чтобы одинаковые количества основных давали белый цвет. Это один из основных принципов синтеза в колориметрии.

Экспериментально было установлено, что это возможно при соотношении яркостей соответствующих цветов R:G:B = 1:4,59:0,06. Эти качества основных получили название яркостных коэффициентов:

Для перехода к энергетическим величинам за единицы количеств основных RGB принимают не яркостные коэффициенты, а яркостные единицы: Эти величины больше яркостных коэффициентов в 680 раз:

цвет излучение мощность колориметрический



Учитывая, что яркости пропорциональны световым потокам, можно считать, что при соотношении световых потоков = 1 : 4,59 : 0,06 будет также получен белый цвет. Это позволяет выразить количества основных в люменах:

Зная связь между световым потоком и потоком излучения можно выразить основные R, G, В в энергетических единицах - ваттах.

Так как потоки излучения, переносимые основными, обозначают R, G, В, то можно записать:

Принимая во внимание, что

получим R = 243,9 Вт, G = 4,66 Вт и В = 3,38 Вт.

Обычное написание в общем виде цветового уравнения в CIERGB

Ц = RR + GG + BB.



Для перехода к уравнению цветности находят модуль цвета m - сумму координат цвета (m = R + G + В) и затем каждый из членов уравнения (6.1.4) делят на модуль:

где r, g, b - координаты цветности.

Яркость цвета () определяется суммой яркостей основных его составляющих:

С учетом (6.1.2), переходя от яркостных единиц к яркостным коэффициентам, получим

Вынесем модуль цвета за скобки. Тогда формула (6.1.6) примет вид

Сумма в скобках выражает яркость единичного цвета Ц. Она называется яркостным коэффициентом цвета :



Заменяя сумму, стоящую В скобках выражения (6.1.7) на , получаем

Определение психофизических характеристик доминирующей длины волны и чистоты цвета в CIERGB проводят по диаграмме цветности rg, полученной при помощи кривых сложения.

Кривые сложения . Диаграмма цветности

Кривые сложения , и представляют собой распределение по спектру цветовых координат монохроматических излучений мощностью 1 Вт(). Поэтому значения ординат кривых сложения называют удельными, т.е. отнесенными к единице мощности.

В CIERGB ординаты кривых сложения (удельные координаты) были установлены опытным путем. Экспериментально нахождение удельных координат осуществлялось путем подбора смеси излучений основных RGB к спектральным излучениям произвольной мощности и последующего деления их координат на мощность:

Поскольку не все спектральные цвета можно образовать смесью реальных цветов, то полученная кривая имеет отрицательные значения в определенном участке. Это говорит о том, что для получения цветового равенства один из основных цветов должен смешиваться с исследуемым спектральным.

С помощью кривых сложения находят точки, выражающие спектральные цвета (максимальной насыщенности) в треугольнике цветности rOg. Для них определяют координаты цветности одноваттных монохроматических излучений видимого диапазона оптического излучения. Пользуясь треугольником цветности, откладывают эти значения на плоскости единичных цветов. В результате получают кривую, ограничивающую область реальных цветов. Эта кривая называется локусом. Крайние точки этой разомкнутой кривой соединяют между собой . На полученной таким образом линии (на рисунке она изображена пунктиром) лежат единичные пурпурные цвета максимальной насыщенности. Пурпурных цветов в спектре нет. Их получают искусственным путем, смешивая в различных количествах красный и фиолетовый цвета. Площадь, ограниченная локусом и пунктирной прямой, называется областью реальных цветов. Вне этой области Находятся цвета более насыщенные, чем реальные.

Для определения качественных характеристик цвета пользуются диаграммой цветности rg (или цветовым графиком rg), представляющим сетку прямоугольных координат с нанесенным на нее локусом. Локус замкнут линией пурпурных цветов.

Данная диаграмма цветности rg характеризуется следующими колориметрическими свойствами.

1. Белая точка Б имеет координаты (0,33; 0,33).

2. Насыщенность цветов возрастает от белой точки к локусу.

3. На прямой, соединяющей белую точку с локусом, лежат цвета постоянного цветового тона.

4. Локус является границей самых насыщенных (спектральных) цветов.

Основы стандартной колориметрической системы XYZ (CIEXYZ).

Одновременно с колориметрической системой RGB была принята еще одна. В качестве основных в ней были выбраны цвета более насыщенные, чем спектральные. В связи с тем что таких цветов в природе нет, их обозначили символами XYZ, а сама колориметрическая система получила название CIEXYZ. К разработке этой колориметрической системы побудил ряд причин, связанных с некоторыми неудобствами при работе с системой CIERGB.

Одним из недостатков системы CIERGB является наличие отрицательных координат для целого ряда реальных цветов, что затрудняет расчет цветовых характеристик по спектральным кривым. Другой существенный недостаток системы CIERGB - необходимость определения всех трех составляющих цвета для определения количественной характеристики цвета - яркости.

В связи с этим в основу построения колориметрической системы XYZ были положены следующие положения:

1) все реальные цвета должны иметь только положительные координаты;

2) яркость должна определяться одной координатой цвета;

3) координаты белого цвета равноэнергетического источника (о равноэнергетическом источнике должны иметь координаты 0,33; 0,33.

Путем математических преобразований с учетом вышеуказанных требований удалось осуществить переход от реальных цветов CIERGB к нереальным (сверхнасыщенным) CIEXYZ.

В соответствии со вторым условием построения колориметрической системы XYZ цвета X и Z имеют яркостные коэффициенты, равные нулю принимают равным единице ( = 1). В этом случае формула для расчета яркости В значительно упрощается:

где Y - координата цвета.

Яркостной коэффициент цвета в этом случае определяется координатой цветности (у):



В общем виде уравнение цвета в CIEXYZ записывается следующим образом:

Ц = XX + YY + ZZ.

Переход к уравнению цветности в CIEXYZ осуществляется через m так же, как и в системе CIERGB

В настоящее время стандартная колориметрическая система XYZ является рабочей.

Именно в ней проводят непосредственно колориметрические измерения по определению цветовых характеристик (яркости, доминирующей длины волны и чистоты цвета).

Для определения качественных характеристик цветности используют диаграмму ху, полученную расчетным путем с использованием кривых сложения .

Кривые сложения . Диаграмма цветности ху

Как было сказано ранее, при разработке колориметрической системы XYZ было поставлено условие, что реальные цвета не должны иметь отрицательных координат. Путем пересчета из экспериментально полученных это удалось сделать. Ординаты кривых сложения не имеют отрицательных значений. Они определяются по формулам (6.1.13) и имеют тот же смысл, что и ординаты кривых в системе CIERGB:

Основной особенностью кривых сложения в колориметрической системе XYZ является то, что кривая совпадает по форме и положению с кривой относительной световой эффективности. Кроме того, кривая имеет два резко выраженных максимума с = 440 нм и = 600 нм и минимум в области 505 нм. Такая форма кривой объясняется условиями преобразования CIERGB в CIEXYZ. Площади, ограниченные каждой кривой и осью координат, одинаковы.

За время использования системы CIEXYZ было выявлено, что значения удельных координат цвета несколько занижены, особенно в области коротких длин волн. Это обстоятельство привело к тому, что по рекомендации МКО были проведены исследования кривых сложения для поля зрения большего размера - 10° (в 1931 г. это поле составляло 2°). Полученные новые значения кривых сложения (Кривые сложения xyz 1931 и 1964)) 10°-ного поля в 1964 г. были решением МКО рекомендованы в качестве дополнительных для цветовых реагентов. Система для 10°-ного поля зрения получила название дополнительной стандартной колориметрической системы МКО 1964.

Диаграмма цветности ху, принципиально не отличается диаграммы цветности rg. Свойства ее те же, разница лишь в том, что локус находится внутри единичного треугольника цветности. Точка белого цвета соответствует координатам равноэнергетического источника Е(0,33; 0,33).



Определение характеристик цвета по диаграмме ху

Цветовой график ху используют для нахождения качественных характеристик цвета доминирующей длины волны и (колориметрической) чистоты цвета. Определение и р по диаграмме цветности хy)).

Выберем на диаграмме ху произвольную точку Ц с координатами . Соединим точку Е с точкой Ц и продлим линию до пересечения с локусом. Точка пересечения (в нашем случае ). Это означает, что цвет Ц - зеленый (зеленый цвет имеет интервал в спектре от 510 до 565 нм).

Определение характеристик цветностей пурпурных цветов имеет свою особенность. В спектре их нет, а следовательно, точки, выражающие цветности пурпурных цветов с определенной длиной волны, на локусе также отсутствуют (на цветовом графике ху концы локуса, характеризующие красный и фиолетовый цвета, соединены между собой линией пурпурных цветов).

Взяв вблизи этой линии точку П, характеризующую пурпурный цвет, выразим его цветовой тон. Для этого, как и в предыдущем примере, соединим точку Е с точкой П и продлим до пересечения с локусом. Получим точку . Полученный цвет не характеризуется никакой длиной волны, так как его нет в спектре. Поэтому определять для него доминирующую длину волны бессмысленно. В этом случае находят цвет, дополнительный к пурпурному П. Для этого продолжают прямую Е, в обратном направлении до пересечения с локусом.

В нашем случае это = 560 нм. Полученная точка выражает цвет, дополнительный цвету П.

В рассмотренных примерах цвета, лежащие на линиях имеют одинаковый цветовой тон, но различаются насыщенностью. Колориметрическая чистота цвета, характеризующая насыщенность, находится по формуле

где - координаты цветности цвета Ц; - координаты цветности спектрального цвета с длиной волны - координаты источника света (в нашем случае Е). Применяется та из формул, числитель которой имеет большую величину.

Методика определения (колориметрической) чистоты цвета для всех реальных цветов, в том числе и для пурпурных, одинакова. Для удобства определения качественных характеристик цвета на диаграмму хy иногда наносят координаты стандартных источников света, относительно которых и проводят построения.

Переход от координат одной колориметрической системы к координатам другой

С учетом различных требований, выдвигаемых практикой цветовоспроизведения, было создано несколько колориметрических систем. В каждой из них основные выбирались на определенных условиях.

Как правило, переход от одной системы цветовых координат к другой осуществлялся с помощью пересчета. Так осуществлялся и пересчет от реальных цветов системы CIERGB к нереальным CIEXYZ. Так как опытным путем координаты нереальных (более насыщенных, чем спектральные) цветов определить нельзя, то метод пересчета является, по существу, единственным. Из закона Грассмана следует, что между координатами любых цветов, выраженных в разных системах, должна существовать линейная зависимость. В связи с этим в основе преобразований колориметрических систем лежит решение линейных уравнений.

Чтобы перейти от одной колориметрической системы к другой, необходимо измерить основные старой системы в координатах новой системы. Рассмотрим это на примере.

Пусть цвет выражен уравнением в системе основных RGB:

Ц = RR + GG + BB. (6.1.15)

Определит координаты этого цвета, но в системе основных ХYZ:

Ц = XX + YY + ZZ.

Для такого перехода необходимо измерить координаты старых основных CIERGB в новых CIEXYZ.

Пусть будет получен такой результат (аналогично (5.1.1)), показывающий принципы перехода из одной системы в другую:

Заменив в уравнении (6.1.15) основные на значения, полученные в (6.1.16), и сделав некоторые преобразования, получим

Из этой формулы видна связь между координатами старой и новой системы:



В результате расчета были получены следующие формулы пересчета из CIERGB в CIEXYZ:

Х = 2,7689R + 1,7517G + 1,1302В;

Y = 1,0000R + 4,59076G + 0,0601В; (6.1.19)

Z = 0,0565G + 5,5943B.

Расчет координат цветов излучений произвольной мощности и несамосветящихся тел

Любое излучение характеризуется распределением по спектру. Поэтому, зная значение удельных координат, можно рассчитать координаты цветов излучений произвольной мощности. Расчет основан на аддитивности цветовых координат. Исходя из формулы (6.1.13), можно записать:

Для каждого из монохроматических излучений Я цветовое уравнение будет иметь вид

Суммируя значения координат по всему участку спектра для каждой длины волны, получаем



Учитывая диапазон измерений для излучения со сплошным спектром формулы (6.1.22), можно записать:

Если речь идет о несамосветящихся телах, т.е. таких, которые отражают свет или пропускают его, то под знак интеграла вводят или коэффициент отражения , или коэффициент пропускания . Так можно сделать по той причине, что тела природы имеют непрерывные кривые распределения отражения или пропускания по спектру.

Тогда цветовые координаты, например, светопропускающей среды будут иметь следующий вид:

Для светоотражающей среды в формуле (6.1.24) функция пропускания заменяется функцией спектрального отражения .

В приведенном случае рассмотрен расчет координат цвета для системы CIEXYZ. Однако он может быть взят за основу и для других систем основных.

Стандартные излучения и источники света

Цвета несветящихся тел зависят от спектрального состава падающего на них света. Существует множество источников света как естественных, так и искусственных, при которых может наблюдаться тот или иной объект. Кроме того, каждый из этих источников, особенно естественных, может иметь различное распределение потока, в зависимости от конкретных условий. Так, спектральный состав солнечного света зависит от времени года, наличия облаков и других факторов, а спектр лампы накаливания - от режима питания и т.д. В связи с этим при рассмотрении одного и того же объекта (например, цветной ткани) при дневном свете и свете лампы накаливания можно обнаружить различия в цвете. Для того чтобы было возможно непосредственно сопоставлять между собой результаты различных цветовых измерений, используют несколько стандартных источников.

CIE дает следующие определения понятий "излучение" и "источник". Под термином "источник" понимается физический объект, дающий то или иное излучение (например, солнце и т.д.). Под термином "излучение" понимается определенное спектральное распределение энергии, попадающей на объект. При этом заданное спектральное распределение не обязательно должно быть получено с помощью одного источника.

В 1931 году CIE установила ряд стандартных излучений и источников. Их краткая характеристика дана ниже.

Стандартное излучение А характеризуется тем же распределением излучения в видимой части спектра, что и абсолютно черное тело при Т = 2856 К. Это средняя цветовая температура лампы накаливания. Стандартное излучение В воспроизводит распределение энергии в спектре прямого солнечного света с коррелированной цветовой температурой Т = 4874 К. Стандартное излучение С воспроизводит излучение дневного неба, затянутого облаками с коррелированной цветовой температурой Т = 6774 К.

Как показали более поздние исследования, излучение дневного света не всегда точно воспроизводится излучениями В и С. Кроме того, появилась необходимость более полно учитывать ультрафиолетовый диапазон спектра дневного света, особенно при оценке характеристик цвета люминисцирующих объектов. В связи с этим CIE в 1963 г. определила спектральное распределение различных фаз дневного света в интервале 300-830 нм и рекомендовала несколько новых излучений D. Излучение D65 - с коррелированной цветовой температурой 6504 К. В настоящее время оно принято CIE в качестве стандартного. Поскольку использование только излучения D65 удовлетворяло необходимым требованиям, CIE были предложены излучения D50, D55 и D75. О50и D55, соответственно с коррелированной цветовой температурой 5000 К и 5500 К, предназначены для тех случаев, когда требуется фаза дневного света с желтоватым оттенком, a D75 - для фазы дневного света с более голубым оттенком.

Исследования показали, что цветность излучения дневного света не совпадает с цветностью черного тела и характеризовать дневное излучение температурой черного тела можно лишь в определенном приближении. Поэтому цветовую температуру дневного излучения принято называть коррелированной цветовой температурой.

Стандартные источники МКО (А, В, С,..., ) воспроизводят соответствующие стандартные излучения путем выделения их из калиброванной лампы с помощью светофильтров. В нашей стране у источников В и С (согласно ГОСТ 7721-76) стандартизированы соответственно цветовые температуры 4800 К и 6500 К. Следует отметить, что эти источники применяются все реже и CIE уже не рекомендуются. Однако для характеристик прямого солнечного света и среднего дневного света их используют до сих пор. В настоящее время стандартными источниками, рекомендуемыми CIE, являются А с Т = 2856 К и с Т = 6504 К. Помимо них CIE установлены источники .

Кроме стандартных источников в колориметрии используют еще равноэнергетический источник Е. Он характеризуется равномерным распределением энергии излучения по спектру.

Размещено на Allbest.ru