Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

7 ТРЕУГОЛЬНИК

ЦВЕТНОСТЕЙ

7.1 ВВЕДЕНИЕ

главах 2 и 4 недочеты обоих видов трихроматического цветовоспроизведения

(аддитивного и субтрактивного) рассматривались в контексте рассуждений

о кривых чувствительности трех типов колбочек сетчатки (r, g и b). Такой подход хо

рош тем, что прям и прост, но в отношении физиологии зрения он требует ряда произ

вольных допущений, являясь к тому же лишь качественным, но не количественным.

Реализация количественного подхода требует детального знакомства с феноменами

трихроматического цветового уравнивания. Однако прежде кратко рассмотрим неко

торые аспекты цветовой и колориметрической терминологий (CIE International

Lighting Vocabulary, 1987).

7.2 ЦВЕТОВАЯ ТЕРМИНОЛОГИЯ

7.2.1 Характеристики цветового ощущения

Принято считать, что у цветового ощущения (цвета) три т.н. перцепционных (чувст

венных) параметра.

Наиболее очевидный из них — цветовой тон (Hue).

Цветовой тон — это показатель того, что стимул воспринимается либо крас

ным, либо оранжевым, либо желтым, либо зеленым, либо синим, либо пурпур

ным (либо как «смесь» соседних пар из данного списка).

Полнота цвета (Colorfulness) означает степень выраженности цветового тона.

Полнота цвета равна нолю у белого, серого и черного; низка у пастельных цветов;

высока у цветов, вызванных монохроматическими стимулами.

Субъективная яркость (Brightness) — это атрибут зрительного ощущения, со

гласно которому область просмотра воспринимается как испускающая большее

или меньшее количество света.

Субъективная яркость обычно предельно высока у солнца, очень высока у многих

источников света, достаточно высока у белого и желтого стимулов, средняя у серого и

коричневого и низкая у черного.

Предметы, рассматриваемые при высокой освещенности, обычно выглядят ярче,

чем при низкой (даже когда наблюдатель полностью адаптирован к каждой из осве

щенностей), однако в крайне важной биологической задаче распознавания объектов

Раньше вместо термина «субъективная яркость» часто использовалось существительное

«светность» (luminosity).

большее значение имеют т.н. относительные субъективные яркости, то есть субъек



тивные яркости объектов, оцениваемые друг относительно друга, к примеру: фраг

мент серой бумаги, рассматриваемый на солнечном свету, будет выглядеть ярче, чем

при бытовом освещении, но при этом он попрежнему будет оставаться серым (и не ста

нет черным), поскольку его субъективная яркость оценивается относительно прочих

объектов сцены. Понятие «относительная субъективная яркость» очень важно, и для

него существует отдельный термин — светлота (lightness).

Светлота — это субъективная яркость некой области в поле зрения, оценивае

мая относительно субъективной яркости сходным образом освещенного объек

та, воспринимаемого как белый (а в случае прозрачных объектов — как высоко

прозрачный).

Когда меняется уровень освещенности, к которому был адаптирован наблюдатель,

то изменяется не только субъективная яркость объектов, но также и их полнота цвета.

Таким образом, объекты одной и той же сцены, которые выглядят весьма полноцвет

ными на ярком солнечном свету, несколько тускнеют в пасмурный день и еще больше

блекнут вечером, а в рассветных сумерках совсем теряют полноту своего цвета. Но,

опять же, в важнейшей задаче распознавания объектов весьма значим такой параметр

как относительная полнота цвета предметов: красный помидор, рассматриваемый

на ярком солнечном свету, будет восприниматься ярче окрашенным, чем при бытовом

освещении в пасмурный день, но мы попрежнему будем воспринимать его красным (а

не розовым), поскольку полнота его цвета оценивается относительно прочих объектов

в сцене. Итак, относительная полнота цвета именуется насыщенностью (chroma).

Насыщенность — это полнота цвета некоей области, оцененная по отношению к

субъективной яркости сходным образом освещенного объекта, воспринимаемо

го как белый (или высокопрозрачный).

Таким образом, несмотря на то, что помидор в пасмурный день будет иметь мень

шую полноту цвета, чем в солнечный, — белые объекты в поле зрения будут обладать

при этом меньшей субъективной яркостью, что позволит наблюдателю отнести малую

полноту цвета объектов на счет слабого освещения, но не на счет изменений, происхо

дящих якобы в самом объекте. В итоге мы говорим, что помидор будет воспринимать

ся с постоянной насыщенностью.

Полноту цвета объекта также можно оценить по отношению к субъективной ярко

сти самого объекта (но не белого эталона). Результатом такой оценки явится величина

т.н. чистоты цвета (saturation).

Уровень освещенности обычно различен на различных участках поверхности пред

метов (поскольку они трехмерны и на них образуются тени), в результате чего бывает

сложно выбрать ту часть белого объекта, по которой должна проводиться оценка. Ска

занное означает, что суждение о светлоте и насыщенности разных участков объекта

затруднительно, но всегда остается возможность оценить их по параметру цветового

тона и чистоты цвета. Таким образом, в примере с помидором суждение о его цветовом

тоне, светлоте и насыщенности можно высказать только в отношении той его части,

что освещена прямым светом (светом, падающим по нормали к поверхности), но о цве

товом тоне в связке с чистотой цвета мы можем говорить в отношении любого участка

его поверхности. Следовательно, когда оценивается равномерность окраски помидо



ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

ра, цветовой тон и чистота цвета предпочтительнее, чем цветовой тон, светлота и насы



щенность.

Когда речь идет об источниках света, нельзя говорить о «сходным образом освещен

ных объектах», и, следовательно, светлота и насыщенность неуместны. Таким обра

зом, атрибуты перцепционной оценки источников света сокращаются до цветового

тона, полноты цвета, субъективной яркости и чистоты.

До 1987 г. понятия «полнота цвета», «насыщенность» и «чистота цвета» именова

лись единым термином «чистота цвета» (Hunt, 1977 и 1978), однако четвертое издание

Международного Светотехнического словаря (CIE, 1987) указывает на различие меж

ду перечисленными понятиями, а также позволяет пользоваться термином «хрома

тичность» (chromaticness) вместо «полноты цвета».

В отношении субъективной яркости употребляются прилагательные «яркий» и

«тусклый»; в отношении светлоты — «светлый» и «темный»; в отношении насыщен

ности — «сильная» и «слабая».

7.2.2 Субъективные и объективные аспекты цвета

В цветоведении крайне важен учет как зрительного отклика наблюдателя (субъ

ект), так и физический характер цветового стимула (объект), то есть необходимо четко

различать субъективные и объективные аспекты цвета.

Понятия «цветовой тон», «полнота цвета», «субъективная яркость», «светлота»,

«насыщенность» и «чистота цвета» (о которых речь шла выше) — сугубо субъективны.

Объективные понятия отражают результат количественных измерений цветовых

стимулов и, в отличие от субъективных атрибутов цвета, их величины не зависят от

статуса адаптации наблюдателя. Таким образом, весьма желательным является изме

рение величин, коррелирующих с субъективными атрибутами цветового ощущения

(см. ниже):

Субъективные понятия Объективные понятия Символ

Цветовой тон (Hue) Доминирующая длина волны цветового

стимула

Угол цветового тона (CIE 1976)

или h

(h или H)

Субъективная яркость

(Brightness)

Фотометрическая яркость (Luminance)

L (Q)

Полнота цвета (Colofulness)

(M)

Светлота (Lightness) Коэффициент яркости

Светлота (CIE 1976)

b (J)

Насыщенность (Chroma)

Насыщенность (CIE 1976)

или

(С)

Чистота цвета (Saturation) Колориметрическая чистота (Purity)

Чистота цвета (CIE 1976)

(s)

Цветовой тон и чистота цвета Цветность (Chromaticity)

xy или

¢¢

Как мы видим, по отдельным субъективным атрибутам даны два объективных по

нятия: второе понятие (выделенное курсивом) имеет бо<льшую равномерность корре

ляции с субъективным атрибутом, нежели первое (см. гл. 8). Символы в скобках отно



ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

сятся к величинам, которыми оперируют т.н. модели цветового восприятия

CIECAM97s и CIECAM02 (см. гл. 35 и Приложение 6).

Теперь рассмотрим объективные характеристики цветовых стимулов:

Доминирующая длина волны определена как длина волны монохроматического

стимула, аддитивно смешанного в определенной пропорции с ахроматическим

стимулом (белым или серым) с целью достижения визуального соответствия с

исследуемым цветовым стимулом. В случае пурпурных стимулов используется

т.н. дополнительная длина волны (l

Дополнительная длина волны — это длина волны монохроматического стимула,

смешанного с исследуемым стимулом с целью достижения визуального соответ

ствия с определенным ахроматическим цветовым стимулом.

Фотометрическая яркость — это интенсивность светового потока в данном на

правлении на единицу площади поверхности (единицы даны в Приложении 3).

Коэффициент фотометрической яркости — это отношение фотометрической

яркости стимула к яркости так же освещенного идеального отражающего (или

пропускающего) рассеивателя (идеальность рассеивателя предполагает, что он

равномерен, изотропичен [независим от направления] и с нулевой поглощатель

ной способностью).

Коэффициенты отражения и пропускания используются соответственно в отно

шении отражающих и пропускающих образцов и в данном случае определены

как отношение количества света, отраженного (или пропущенного) образцом в

пределах определенного конуса по отношению к свету, отраженному (или про

пущенному) идеальным отражающим (или пропускающим) рассеивателем в

пределах того же конуса. Если конус является полусферой, отношение опреде

лено как отражательная или пропускательная способности. Если конус очень

мал, данные величины и коэффициент яркости — одно и то же.

Поглощательная способность равна единице за вычетом отражательной и/или

пропускательной способностей.

Коэффициент непрозрачности, непрозрачность (opacity) — величина обратная

отражательной или пропускательной способности.

Колориметрическая чистота — мера удельного количества монохроматического

стимула (или — в случае пурпурных стимулов — спектральной смеси красного и

фиолетового) в смеси с определенным ахроматическим стимулом, необходимая

для достижения визуального соответствия с исследуемым цветовым стимулом.

Цветность (chromaticity) — определена как соотношение количеств трех урав

нивающих стимулов, требуемое для достижения визуального соответствия с ис

следуемым стимулом.

Различие между объективными и субъективными атрибутами цвета очень важно

понимать, и поскольку в большинстве контекстов рассматриваются лишь общие поло

жения, строгое соблюдение вышеупомянутой терминологии является обязательным.

В нашей книге мы будем оперировать в основном субъективными понятиями, по

скольку они широко распространены и, как говорят — интуитивны.

ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

7.2.3 Манселловская система цветовой спецификации

Теперь два слова о т.н. манселловской системе цветовой спецификации, где физиче

ские цветовые образцы подобраны и расположены так, чтобы субъективное ощуще

ние, возникающее при переходе от одного образца к другому, было максимально плав

ным (равномерным).

Манселловский цветовой тон (Munsell Hue) представляет перцепционно равные от

личия по цветовому тону с более или менее постоянным шагом; манселловская светло

та (Munsell Value) — перцепционно равные отличия по светлоте; манселловская насы

щенность (Munsell Chroma) — равные отличия по насыщенности.

Цена деления шкал в манселловской системе такова, что 1 единица манселловской

светлоты соответствует примерно 2 единицам манселловской насыщенности, а 3 еди

ницы манселловского цветового тона — 5 единицам манселловской насыщенности

(Newhall, 1940). Физическим воплощением манселловской системы является мансел

ловский атлас (рис. 7.0).

Далее колориметрическая и цветовая терминологии будут рассматриваться в гл. 8.

7.3 ТРИХРОМАТИЧЕСКОЕ УРАВНИВАНИЕ

При визуальном сравнении цветовых стимулов с аддитивной смесью красного, зе

леного и синего уравнивающих (кардинальных) стимулов обнаруживается, что, мани

пулируя относительными или абсолютными количествами последних, всегда можно

получить цветовой стимул, ощущение от которого будет идентично тому, которое вы

зывает любой произвольно выбранный стимул (рис. 7.1). Ряд цветовых стимулов, об

ладающих очень высокой колориметрической чистотой, казалось бы, являются ис

ключением из приведенного правила, но, как будет показано далее, с помощью специ

альных методик их тоже можно уравнять.

Феномен трихроматического уравнивания легко объясним в логике трехкомпо

нентной теории цветового зрения: поскольку все цветовые стимулы характеризуются

сетчаткой лишь через три различных типа отклика — r,g и b (вероятнее всего, пропор

ционально поглощению тремя фоточувствительными пигментами), человек не видит

разницы между двумя стимулами, вызывающими одни и те же r,gиbсигналы (при

чем независимо от того, каков спектральный состав этих двух стимулов). Отличие в

спектральном распределении энергии двух уравненных стимулов может оказаться

весьма впечатляющим, к примеру, стимул, энергия которого заполняет весь видимый

спектр, может визуально соответствовать свету, состоящему из трех узких спектраль

ных полосок (рис. 7.2), но, поскольку оба стимула вызывают идентичные r,g

и bотклики, то, будучи предъявленными в одинаковых условиях, визуально они ока

жутся неразличимы.

Два стимула, имеющие различный спектральный состав, но оказывающие на

зрительную систему одинаковое трихроматическое воздействие (т.е. визуально

идентичные в одних и тех же условиях просмотра), именуются метамерной па

рой или метамерами.

Примечательно, что цветовой тон и субъективную яркость ряда стимулов высокой

ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

Подробнее см. М.Фершильд, «Модели цветового восприятия» — Прим. пер.

ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

(a) (b)

(c)

Рис. 7.0 Вверху: компьютерная визуализация образцов манселловской системы: (а) — плос



кость постоянной светлоты; (b) — две плоскости постоянного цветового тона; (с) — трехмерное

представление системы.

ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

Рис. 7.1 Принцип трихроматического уравнивания. Верхний экран освещен только светом тес

тового стимула C. Нижний экран освещен смесью красного, зеленого и синего лучей, исходящих

от проекторов R,GиB.Управляя интенсивностями красного, зеленого и синего потоков в смеси,

можно добиться идентичности ее зрительного восприятия со стимулом C.

Рис. 7.2 На верхнем рисунке показано спектральное распределение энергии белого света. На

нижнем — спектральное распределение света, воспринимаемого точно таким же.

Примечание: энергетические ординаты графиков различны.

колориметрической чистоты и большинства монохроматических стимулов можно

точно воспроизвести с помощью смеси красного, зеленого и синего световых потоков.

Вместе с тем удовлетворительного соответствия по полноте цвета не удается добиться

никогда. Сказанное особо касается синезеленых монохроматов: смесь только синего и

зеленого световых потоков в состоянии воспроизвести стимул, цветовой тон и субъек

тивная яркость которого будут те же, что и у исследуемого стимула, но полнота цвета

всегда окажется ниже.

С одной стороны, можно говорить, что сей факт дискредитирует трихроматиче

скую теорию цветового зрения, но фактически он прогнозируется ею, что видно по

рис. 7.3, на котором даны кривые чувствительности трех ретинальных рецепторов

r,g и b.

Давайте рассмотрим случай, когда красный, зеленый и синий световые потоки (R,

G и B) являются максимально чистыми, то есть, возьмем монохроматический свет

с длиной волны 650 нм — красный (R), монохроматический свет с длиной волны

530 нм — зеленый (G) и 460 нм — синий (B).

Теперь предположим, что мы пытаемся уравнять по визуальному восприятию мо

нохроматический свет с длиной волны 490 нм (синезеленый).

Понятно, что красный стимул вызовет rотклик, но не вызовет g и bоткликов.

Зеленый стимул вызовет в основном gотклик, но также и немалый rотклик,

а bотклик — лишь весьма незначительный.

Синий стимул даст в основном отклик b с небольшой добавкой gотклика, но откли

ка r не будет.

Отклики, представленные на рис. 7.3 в виде удельных мощностей каждого из трех

стимулов RGB, могут быть расположены в виде таблицы:

Rстимул

r = 24 g = 0 b = 0

Gстимул

r = 56 g = 92 b = 4

Bстимул

r = 0 g = 9 b = 75

Теперь по исследуемому монохроматическому стимулу с длиной волны 490 нм:

r = 8 g = 26 b = 26

Следовательно, чтобы добиться визуального уравнивания исследуемого стимула со

смесью стимулов RGB (кардинальных стимулов), необходимо выбрать такие количе

ства последних, которые вызовут те же величины колбочковых откликов.

Поскольку Bстимул дает в основном bотклик, мы выбираем одну треть от его

мощности, дабы получить бо<льшую часть требуемого bотклика. Таким образом, име

ем:

По 1/3 мощности Bстимула

r = 0 g = 3 b = 25

Коль скоро нам необходимы еще 23 единицы gотклика и поскольку Rстимул их

дать не может, мы можем получить нужное количество gотклика при помощи

Gстимула, и понадобится нам 1/4 его мощности. Таким образом:

ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

При 1/4 мощности Gстимула

r = 14 g = 23 b = 1

Следовательно, 1/3 мощности стимула B и 1/4 мощности стимула G в сумме дадут:

r = 14 g = 26 b = 26

Понятно, что, хотя мы и добились корректных величин откликов g и b, мы получи

ли при этом rотклик почти вдвое больший, чем необходимо (при этом даже не добав

ляя стимул R — поскольку его добавка еще больше увеличит rотклик, сделав смесь

еще менее похожей на тестовый стимул). Таким образом, не существует варианта сме

си монохроматических световых потоков с длинами волн в 650, 530 и 460 нм, способ

ного обеспечить визуальное равенство с монохроматическим стимулом с длиной вол

ны 490 нм (что полностью подтверждается экспериментально).

Сей факт, однако, вполне предсказуем по кривым рис. 7.3, которые являются коли

чественным выражением трихроматической теории цветового зрения (но не ее опро

вержением): rиbкривые рис. 7.3 накладываются друг на друга, в результате чего

возбудить одни только gколбочки принципиально невозможно. Следовательно, высо

кочистые синезеленые стимулы не могут быть уравнены аддитивными смесями крас

ного, зеленого и синего световых потоков.

Когда в качестве уравнивающих (кардинальных) стимулов выбраны монохромати

ческие потоки с различными длинами волн или когда уравнивающие стимулы состоят

из широких спектральных полос, — всегда найдутся колориметрически чистые сти

мулы, которые невозможно будет уравнять по зрительному ощущению.

Монохроматический стимул с длиной волны 490 нм уравнять удается тогда, когда

он оказывается в составе тройки уравнивающих стимулов, но в этом случае всегда най



ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ

Рис. 7.3 Типичный набор кривых r, g, b, представляющих предполагаемые кривые спектраль

ной чувствительности фоторецепторов сетчатки глаза (взято с рис. 2.2).

дутся другие монохроматические стимулы, которые не поддаются трихроматическо



му уравниванию.

7.3.1 Отрицательные значения

Однако вернемся к исходным трем стимулам RGB с длинами волн соответственно

650, 530 и 460 нм.

Понятно, что когда вместо того, чтобы добавлять часть стимула R к смеси, состоя

щей из 1/3 мощности стимула B и 1/4 мощности стимула G, мы добавим ее к стимулу

уравниваемому (490 нм), мы всетаки сможем получить цветовое соответствие: в дан

ный момент мы имеем 14 единиц rотклика по уравнивающей смеси, но только 8 еди

ниц rотклика по исследуемому стимулу, и понятно, что добавка 6 единиц rотклика

по исследуемому стимулу приведет к его визуальному уравниванию со смесью G и

Bстимулов. Итак, необходимую величину rотклика по исследуемому стимулу полу

чаем добавкой к нему 1/4 мощности стимула R:

Для 1/4 мощности Rстимула

r = 6 g = 0 b = 0

Таким образом, получаем ситуацию, при которой:

Исследуемый (уравниваемый) стимул (490 нм) + 1/4 мощности стимула R

соответствуют по зрительному ощущению

1/4 мощности стимула G + 1/3 мощности стимула B

Добавку одного из уравнивающих стимулов к стимулу уравниваемому (а не к смеси

уравнивающих) обычно отмечают знаком «минус»:

Исследуемый (уравниваемый) стимул (490 нм)

соответствует по зрительному ощущению

1/4 мощности стимула G + 1/3 мощности стимула B – 1/4 мощности стимула R.

Опираясь на принцип отрицательных значений, все цветовые стимулы можно опи

сать путем выбора соответствующих пропорций трех аддитивно смешанных уравни

вающих стимулов. Отметим, что отрицательные значения возникают вследствие

т.н. паразитного возбуждения колбочек, вызываемого уравнивающими стимулами R,

G и B (см. раздел 2.5).

7.4 ТРИХРОМАТИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ

Коль скоро у нас есть возможность описать любой цветовой стимул с помощью ад

дитивной смеси трех уравнивающих стимулов (как было показано выше), то теорети

чески мы можем специфицировать все цветовые стимулы видимого спектра. Такая ра

бота была выполнена практически, и ее результат чаще всего представляют в виде трех

кривых (рис. 7.4), в которых определенные количества R, G и Bстимулов, требуе

мые для визуального уравнивания монохроматических стимулов по каждой из длин

волн (с малым шагом), даны как функция от длины волны.

Как и следовало ожидать, экстремум каждой кривой приходится на ту зону спек

тра, где находится соответствующий уравнивающий стимул, также стоит отметить,

что все три кривые содержат участки с отрицательными значениями (наибольший

у Rстимула в синезеленой части спектрального диапазона).

Для удобства необходимые количества RGBстимулов выражают, как правило, не

ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ