Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение
Подождите немного. Документ загружается.
ного охвата в синезеленом и пурпурном участках (что создает проблемы при воспроиз
ведении сверхчистых зеленого, бирюзового, красного и сиреневого).
7.11 ДИХРОМАТИЧЕСКОЕ ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ
Если все цветовые стимулы сцены будут такими, что соответствующие им точки
треугольника цветностей, выстроятся по одной линии, то станет возможным точное
цветовоспроизведение с помощью дихроматической аддитивной системы: действи
тельно, смешивая лишь красный и белый стимулы, можно получить ряд весьма инте
ресных визуальных эффектов (CornwellClyne, 1951, p.261; Land, 1959). Поскольку
зрение имеет четко выраженную склонность к обесцвечиванию общего розового коло
рита изображения, белые участки начинают восприниматься голубыми, а «голубые»
участки — розовыми.
Джадд с колл. показал, что при дихроматическом цветовоспроизведении возника
ют и некоторые другие эффекты, вызывающие ощущения различных цветовых тонов
(Belsey, 1964; Judd, 1960; Rushton, 1961; Pearson и Rubinstein, 1970, 1971), и что ди
хроматическое цветовоспроизведение не зависит от контраста между двумя воспроиз
водящими изображениями (Wilson и Brocklebank, 1960, 1961).
Примечательным свойством дихроматического цветовоспроизведения является то,
что два воспроизводящих изображения при точной взаимоприводке могут дать вполне
приемлемую цветовую репродукцию некоторых предметов. Если приводка несколько
нарушена, то восприятие репродукции слегка страдает, но если она совсем плохая — на
блюдатель видит лишь красные, розовые и белые пятна. Из сказанного следует, что на
дихроматическое цветовоспроизведение в большей степени влияет точность взаимопри
водки воспроизводящих изображений, нежели общая адаптация к розовому свету (по
скольку в противном случае качество не оказывало бы столь существенного влияния).
Очевидно то, что когда точность приводки воспроизводящих изображений достаточна
для обеспечения адекватного восприятия интересующей сцены, зрительный механизм
мгновенно и в значительной степени обесцвечивает общий розовый тон и распознает
объекты сцены так, будто бы они освещены обычным белым светом.
ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ
Belsey, R., J. Opt. Soc. Amer., 54, 529 (1964).
B.R.E.M.A., P.A.L. Working Party, Radio and Electronic Engineer, 38, 201 (1969).
CIE, International Lighting Vocabulary, 4th Edn., C.E.I., Geneva (1987).
CornwellClyne, A., Colour Cinematography, Chapman & Hall, London, p. 261 (1951).
DeMarsh, L. SMPTE J., 102, 1095 (1993).
Evans, R.M., Hanson, W.T., and Brewer, W.L., Principles of Color Photography, Wiley,
New York (1953).
Gosling, J.W., and Yule, J.A.C., Proc. Tech. Assoc. Graphic Arts, 12, 157 (1960).
Hardy, A.C., and Wurzburg, F.L., J. Opt. Soc. Amer., 27, 227 (1937).
Harrison, G.B., and Homer, R.G., Phot. J., 77, 706 (1937).
Hunt, R.W.G., Color Res. Appl., 2, 53 and 109 (1977).
Hunt, R.W.G., Color Res. Appl., 3, 79 (1978).
Judd, D.B., J. Opt. Soc. Amer., 50, 254 (1960).
Land, E.H., Proc. Nat. Acad. Sci., 45, 113 and 636 (1959).
MacAdam, D.L., J. Opt. Soc. Amer., 15, 361 (1935).
111
ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ
MacAdam, D.L., J. Opt. Soc. Amer., 28, 399 (1938).
MacAdam, D.L., J. Opt. Soc. Amer., 40, 589 (1950).
MacAdam, D.L., J. Opt. Soc. Amer., 41, 615 (1951).
MacAdam, D.L., J. Opt. Soc. Amer., 43, 533 (1953).
Neugebauer, H.E.J., J. Opt. Soc. Amer., 46, 821 (1956).
Newhall, S.M., J. Opt. Soc. Amer., 30, 617 (1940).
Pearson, D.E., and Rubinstein, C.B., J. Opt. Soc. Amer., 60, 1398 (1970).
Pearson, D.E., and Rubinstein, C.B., J. Soc. Mot. Pic. Tel. Eng., 80, 15 (1971).
Pointer, M.R., Color Res. Appl., 5, 145 (1980).
Rushton, W.A.H., Nature, 189, 440 (1961).
Wilson, M.H., and Brocklebank, R.W., J. Phot. Sci., 8, 141 (1960).
Wilson, M.H., and Brocklebank, R.W., Contemporaty Physics, 3, 19 (1961).
Wintringham, W.T., Proc. I.R.E., 39, 1135 (1951).
ГЛАВА 7 ТРЕУГОЛЬНИК ЦВЕТНОСТЕЙ
8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ
СТАНДАРТЫ И
ВЫЧИСЛЕНИЯ
8.1 ВВЕДЕНИЕ
В
предыдущих главах вопросы цветовоспроизведения излагались в логике ко
личественных показателей, в частности на примере треугольников цветно
стей. Мы убедились в том, что единственно возможного треугольника цветностей не
существует, но имеется целое семейство вполне работоспособных треугольников. По
этой причине, с целью эффективного сравнения данных о цветовых воздействиях и
цвете, были приняты определенные международные стандарты, которые мы кратко
рассмотрим в текущей главе. В ней же мы опишем некоторые методы колориметриче
ских и цветовых вычислений, основанные на этих стандартах.
8.2 СТАНДАРТНЫЕ ОСВЕТИТЕЛИ
Как было показано в разделе 5.3, одни и те же цветовые стимулы, предъявляемые
при источниках освещения с различной цветностью, могут восприниматься
поразному. Следовательно, важнейшим шагом в колориметрической спецификации
зрительных стимулов является точное описание источников света.
В 1931 г. с целью упрощения описанной проблемы Международная комиссия по ос
вещению (CIE — Commission Internationale de l`Eclairage) рекомендовала к употребле
нию три стандартных источника освещения (A, B, и C). Кривые спектрального распре
деления энергии этих источников показаны на рис. 8.1.
Стандартный CIE Аисточник (S
A
) представляет собой вольфрамовую лампу нака
ливания, действующую при цветовой температуре 2856 К
1
. Стандартные CIEисточ
ники «В» и «С» (S
B
иS
C
) основаны на той же лампе, расположенной за специальными
жидкостными фильтрами (см. таблицу 8.1).
S
A
источник призван воспроизводить свет раскаленной вольфрамовой нити.
S
B
источник — солнечный свет.
S
C
— свет пасмурного неба (Billmeyer и Gerrity, 1983).
Несмотря на то, что S
B
иS
C
весьма точно представляют спектральное распределение
энергии дневного света практически по всему диапазону видимого спектра, на длинах
волн, меньших 400 нм, они сильно отклоняются от него (что делает их непригодными
к использованию с флуоресцирующими образцами — образцами, поглощающими
энергию в какомлибо диапазоне, а затем отдающими ее на более длинных волнах).
Вместе с тем, поскольку все более популярными становятся флуоресцирующие краски
и пигменты, позволяющие, к примеру, добиваться высочайшей белизны различных
113
1
Эквивалентна 2583°С.
114
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
Рис. 8.1 Относительные спектральные распределения энергии стандартных CIEосветителей
А,ВиС.S
A
— спектральное распределение энергии света вольфрамовой лампы накаливания.
S
B
аппроксимирует солнечный свет в диапазоне от 400 до 700 нм, а S
C
— свет пасмурного неба.
Спектральное распределение энергии стандратного CIE D
65
осветителя, представляющего ус
редненный дневной свет, показано пунктирной линией, благодаря чему хорошо видна энерге
тическая недостаточность S
B
и S
C
осветителей на длинах волн, меньших 400 нм.
ТАБЛИЦА 8.1 Фильтры, конвертирующие Аосветитель в стандартные осветители «В» и «С».
Каждый фильтр состоит из двух растворов толщиной в 1 см, заключенных в двойные сосуды из
бесцветного оптического стекла
Вещество Количество
Для S
B
Для S
C
Медный купорос (
CuSO H O
24
5×
) 2.452 г 3.412 г
Маннит (C
6
H
8
(OH)
6
) 2.452 г 3.412 г
Пиридин (C
5
H
5
N) 30.0 мл 30.0 мл
Вода дистиллированная до 1000 мл 1000 мл
Шестиводный кобальтаммоний сульфат
(
CoSO NH SO H O
24424
6××()
)
21.710 г 30.580 г
Медный купорос (
CuSO H O
24
5×
) 16.110 г 22.520 г
Серная кислота (уд. вес 1.835) 10.0 мл 10.0 мл
Вода дистиллированная до 1000 мл 1000 мл
В CIEсистеме данные осветители выражены как:
().().().()
(). (
SXYZ
S
A
B
a
a
0 44758 0 40744 0 14498
0 34842
++
XYZ
SXY
C
). (). ()
(). (). ()
++
+
0 35161 0 29997
0 31006 0 31616a+0 37378.()Z
материалов, Международная комиссия по освещению стандартизировала серию спек
тральных распределений энергии, представляющих дневной свет на всех длинах волн
в диапазоне от 300 до 830 нм. Одно из таких распределений (D
65
) показано на рис. 8.1.
На рис. 8.2 дана та же кривая (D
65
), но уже вместе с двумя другими: индексом «65»
отмечено распределение энергии стандартного дневного света, предназначенное к ши
рокому употреблению; индексом «55» — распределение, представляющее чуть более
желтый дневной свет, какой бывает, когда свет солнца смешивается со светом неба;
индексом «75» — распределение световой энергии, представляющее синеватый днев
ной свет северной части небосвода.
Стоит отметить, что все три варианта дневного света определены лишь как стан
дартные спектральные распределения энергии (стандартные CIEосветители), тогда
как S
A
,S
B
иS
C
— как фактические физические источники света. Первые более подхо
дят для колориметрических вычислений, вторые — для фактического просмотра.
Спектральные распределения энергии осветителей D
75,
D
65
иD
55
доступны лишь в виде
специальных таблиц, поскольку эти распределения получены путем измерений спек
трального состава дневного света, выполненных в разных точках земного шара, и не
могут быть воспроизведены искусственно (Judd, MacAdam и Wyszecki, 1964). То есть:
стандартные Dосветители предназначены только для представления нескольких воз
можных вариантов фактического солнечного освещения, которое, к примеру, может
оказаться краснее или синее, чем D
55
, и зависеть при этом от высоты солнца, погодных
условий и т.п.
В дополнение к стандартным осветителям в колориметрии часто используется ги
потетический равноэнергетический Еосветитель (S
E
) с одинаковой энергией по всем
длинам волн видимого спектра.
Отметим, что по сей день не приняты стандартные осветители по разным видам
флуоресцентных источников, но в Приложении 2 даны спектральные распределения
115
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
Рис. 8.2 Относительные спектральные распределения энергии стандартных CIEосветителей:
— D
55
— типичный солнечный свет при ясном небе;
— D
65
— средний дневной свет;
— D
75
— типичный свет от северной стороны небосклона.
некоторых ламп, используемых на практике. Там же даны спектральные распределе
ния осветителей «А», «В», «С», D
50
, D
55
, D
65
и D
75
.
Особо отметим, что в полиграфии стандартом является D
50
осветитель, который по
добен D
55
, но чуть желтее последнего.
8.3 СТАНДАРТНЫЕ НАБЛЮДАТЕЛИ
В седьмой главе мы показали, что некий цветовой стимул «С» можно визуально
уравнять аддитивной смесью соответствующих количеств (R
C
, G
C
и B
C
) кардинальных
(уравнивающих) стимулов R,GиB.Однако, когда разные наблюдатели уравнивают
один и тот же стимул с помощью одних и тех же RGBстимулов, мы наблюдаем легкие
отличия в их колориметрических количествах, необходимых для достижения визу
ального соответствия. Часть из этих отличий случайна и исчезает, когда результаты
нескольких экспериментов усредняются. Оставшиеся реальные отличия относят на
счет особенностей цветового зрения отдельных наблюдателей. Некоторые наблюдате
ли весьма сильно отклоняются от среднего, что попадает в категорию т.н. цветовых
аномалий или даже цветовой слепоты. Однако же результаты, полученные от боль
шинства здоровых наблюдателей, дают разброс в весьма узком диапазоне значений.
В 1931 г. путем усреднения данных, полученных в экспериментах В.Д. Райта
и Дж. Гилда (W.D. Right и J. Guild) по цветовому уравниванию в двухградусном поле
зрения
1
, а также в экспериментах К.С. Гибсона и Е.П.Т. Тиндалла (K.S. Gibson
и E.P.T. Tyndall) по определению субъективной яркости монохроматических стиму
лов
2
, CIE позиционировала т.н. Стандартного колориметрического наблюдателя.
Фактически Стандартный колориметрический наблюдатель (далее — Стандарт
ный наблюдатель) описывается тремя кривыми цветового соответствия зрительной
системы человека (трихроматическими кривыми) по уравнивающим стимулам с дли
нами волн 700.0 (R
O
), 546.1 (G
O
) и 435.8 (B
O
)
3
, где колориметрическая единица (единич
ное значение) каждого стимула позиционирована исходя из условия, что для визуаль
ного уравнивания равноэнергетического осветителя S
E
необходимы равновеликие ко
лориметрические количества этих стимулов (рис. 8.3).
С помощью кривых рис. 8.3 из спектрального распределения энергии того или ино
го цветового стимула можно рассчитать (по методу, описанному в разделе 7.4) величи
ны трех уравнивающих стимулов, необходимые зрительной системе Стандартного на
блюдателя для визуального уравнивания этого стимула в 2градусном поле зрения. Та
кой расчет точно соответствует международно принятой спецификации цветовых сти
мулов. Примечательно, что такому расчету требуются лишь сугубо физические дан
ные (спектральное распределение энергии стимула), а в мероприятиях по визуально
му цветовому уравниванию нет необходимости.
Треугольник цветностей по уравнивающим стимулам CIE (см. выше) и соответст
вующие единицы показаны на рис. 7.7. Позиция любого цветового стимула в этом
треугольнике вычисляется из RGBколичеств трех уравнивающих стимулов по урав
нениям:
rRRGB
gGRGB
=++
=++
/( )
/( )
116
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
1
17 наблюдателей, не страдающих цветовыми аномалиями.
2
Данные усреднены по нескольким сотням наблюдателей.
3
Подстрочный индекс «O» означает «observer» — наблюдатель. — Прим. пер.
Нельзя не сказать, что данные, именуемые «Стандартный наблюдатель», приня
тые CIE в 1931 г., с честью выдержали испытание временем и легли в основу широко
и успешно применяемой системы колориметрической спецификации цветовых стиму
лов. Вместе с тем в ней имеются небольшие погрешности, а именно: неточности, ка
сающиеся величин относительных яркостей, принятых по монохроматическим сти
мулам, а также небольшие ошибки, возникающие вследствие влияния на результат
углового размера поля зрения.
В связи с этим в теддингтонской национальной физической лаборатории было вы
полнено полное экспериментальное переопределение трихроматических кривых зри
тельной системы человека с использованием как двухградусного поля зрения (то есть
точно такого же, как в экспериментах Дж. Гилда и В.Д. Райта), так и десятиградусно
го (Stiles, 1955; Stiles и Burch, 1958). Результаты эксперимента по двухградусному
полю оказались очень близкими к данным CIE от 1931 г., за исключением того, что
подтвердились давние опасения о несколько заниженной яркости монохроматиче
ских стимулов фиолетового конца спектра (несмотря на то, что упомянутые отличия
весьма велики и по некоторым длинам волн истинные значения порой много больше
стандартных, действующая спецификация не подверглась существенному пересмот
ру, поскольку вклад этих длин волн в общую яркость стимула столь мал, что не имеет
принципиального значения).
Сравнение результатов измерений по 2х и 10градусному полям показало, что ме
117
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
Рис. 8.3 Трихроматические кривые двухградусного Стандартного наблюдателя CIE, построен
ные с использованием уравнивающих монохроматических стимулов (с длинами волн 700.0,
546.1 и 435.8 нм соответственно), единичные колориметрические количества которых уравни
вают цветовое ощущение от равноэнергетического источника S
E
.
жду ними имеют место существенные отличия, вследствие чего для измерений по по
лям большого размера (>4°) был принят 10градусный Стандартный наблюдатель (CIE,
1960 и 1964). Однако в деле цветовоспроизведения основной интерес представляют об
разцы с угловым размером в районе 2°, и, следовательно, вполне можно довериться
кривым 1931 г.
8.4 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
Если мы сравним треугольник, показанный на рис. 7.7, с треугольниками других
рисунков 7й главы, то заметим, что его спектральный локус имеет необычно большую
выпуклость в области отрицательных значений (rобласть): дело в том, что уравниваю
щий стимул с длиной волны 546.1 нм сам по себе воспринимается скорее
желтозеленым, нежели зеленым. По этой причине (и ряду других) CIE позициониро
вала три новых уравнивающих стимула (X, Y и Z), с помощью которых также можно
описать Стандартного наблюдателя.
Количества XYZстимулов, необходимые для уравнивания любого исследуемого
цветового стимула, можно вычислить из соответствующих ему количеств
RGBстимулов с помощью ряда уравнений, известных как уравнения колориметриче
ского преобразования. Таким образом, если мы имеем:
CRGB() ( ) () ()CRGBº++
,
а также знаем, что:
10
10
1
123
456
.()()()()
.() ()()()
.
RXYZ
GXYZ
º++
º++
AAA
AAA
0
789
() () () ()BXYZº++AAA
,
мы можем заменить (R), (G) и (B) на (X), (Y) и (Z) и получить:
CX YZ() ( ) ( ) ()CXYZº++
,
где:
XARAGAB
YARAGAB
ZARAGAB
=++
=++
=++
12 3
456
789
Позицию Сстимула в XYZтреугольнике можно затем вычислить по уравнениям:
xXXYZ
yYXYZ
=++
=++
/( )
/( )
Таким образом, уравнения, связывающие две системы, содержат коэффициенты
сА
1
по А
9
, но, как мы видели выше, эти коэффициенты могут содержаться в любом из
трех тождеств цветового соответствия, то есть для 1.0(R), 1.0(G) и 1.0(B) или в трех
обычных алгебраических уравнениях, то есть для X, Y и Z.
В прошлом уравнения такого типа зачастую использовались без пояснительных от
меток, указывающих на то, что речь идет о цветовом уравнивании. К сожалению,
смысл данного набора уравнений принципиально отличен от общепринятого, поэтому
118
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
они требуют очень осторожной интерпретации. Однако если один из комплектов урав
нений известен, то по аналогии с приведенным выше примером выражения можно за
писать в ином виде (см. Приложение 1).
Для получения формул обратного преобразования уравнения обоих типов можно
решить как систему уравнений:
10
10
1
123
456
.()()()()
.()()()()
.
XRGB
YRGB
º++
º++
BBB
BBB
0
789
() ( ) () ()ZRGBº++BBB
RBXBYBZ
GBXBYBZ
BBXBYBZ
=++
=++
=++
123
456
789
Данные рассуждения вполне применимы не только к двум тройкам стимулов R, G,
BиX,Y,Z,ноиклюбымдругим парам троек уравнивающих стимулов. Отметим, что
величины коэффициентов A
1
A
9
иB
1
B
9
будут зависеть как от специфики уравниваю
щих стимулов, так и от того, что принято за единицу в каждой тройке (подробно мат
ричная алгебра, описывающая переход от одной тройки уравнивающих стимулов к
другой, дана в Приложении 1).
Колориметрические количества CIE XYZстимулов (X, Y, Z) соотносятся с колори
метрическими количествами R
O
,G
O
,B
O
стимулов (R
O
, G
O
,B
O
) по уравнениям:
XR G B
YR G
=++
=++
049 031 020
017697 0 81240 0 0106
...
...
OOO
OO
3
000 001 099
B
ZR G B
O
OOO
=++...
Данные уравнения были использованы при пересчете усредненных трихроматиче
ских кривых зрительной системы человека (далее — трихроматических кривых Стан
дартного наблюдателя), показанных на рис. 8.3, в двухградусные трихроматические
кривые Стандартного наблюдателя
xyz(), (), ()lll
, показанные на рис. 8.6. Набор со
ответствующих уравнений выглядел так:
10 2 3646 0 5151 0 0052
10 08
.( ) . ( ) . ( ) . ( )
.( ) .
XR G B
Y
OO O
º-+
º- 965 14264 0 0144
10 04681 0
(). (). ()
.( ) . ( ) .
RG B
ZR
OO O
O
+-
º- + 0887 10092(). ()GB
OO
+
Уравнивающие стимулы X
10
,Y
10
иZ
10
, использованные для спецификации
10градусного Стандартного наблюдателя CIE, несколько иные, и их соотношение с
R
O
,G
O
,B
O
стимулами описывается набором уравнений со слегка отличными коэффи
циентами. Разумеется, эти уравнения были использованы при пересчете данных деся
тиградусного уравнивания монохроматических стимулов в десятиградусные трихро
матические кривые (также см. рис. 8.6).
119
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
Позиции стимулов X, YиZвR
O
,G
O
,B
O
треугольнике (рис. 8.4) получают из преды
дущих уравнений делением каждого на сумму коэффициентов. Мы видим при этом,
что цветности стимулов X, Y и Z лежат за пределами спектрального локуса, и, следова
тельно, уравнивание монохроматов с их помощью не потребует отрицательных значе
ний. Сказанное означает, что каждый из гипотетических кардинальных стимулов X,
Y и Z, применяемых в некоем гипотетическом трехстимульном XYZколориметре, со
стоят каждый из двух частей: X
+
иX
–
,Y
+
иY
–
,Z
+
иZ
–
соответственно. Компоненты X
+
,
Y
+
иZ
+
образуют собственно уравнивающую смесь, а компоненты X
–
,Y
–
иZ
–
— добав
ляются к исследуемому стимулу. При этом цветности компонент каждого из кардина
лов различны, но одинаковы их фотометрические яркости. Иными словами, гипотети
ческий колориметр, использующий гипотетические уравнивающие стимулы X, Y и Z,
120
ГЛАВА 8 КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СТАНДАРТЫ И ВЫЧИСЛЕНИЯ
Рис. 8.4 Позиции гипотетических уравнивающих стимулов X,YиZвтреугольнике цветностей
R
O
G
O
B
O
, взятом с рис. 7.7.