Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение

Подождите немного. Документ загружается.

где

23 10.log»

Однако, коль скоро при сверхмалых изменениях c

концентрации

dTTT

lll

, то

ET ET E T TEa c

ll ll l l l l l

=- =dd23

Мы видим, что аддитивный стимул P

зависит от спектрального состава интересую

щего нас цветового стимула, то есть в конечном счете от спектрального коэффициента

пропускания (T

) данного участка пленки. Следовательно, кардинальные стимулы,

управляемые красителями субтрактивных систем, — колориметрически нестабильны

(отметим также, что кардинальные стимулы имеют тенденцию к повышению своей

колориметрической чистоты по мере роста концентрации красителя).

Если говорить о серых стимулах, то T

будет примерно постоянной по всей протя

женности спектра и в первом приближении ее можно заменить на постоянную T

ET ET T Ea c kEa c

ll ll l l l l

==23

11 11

где k — постоянная величина. Суть стимула P

в этом случае становится очень простой:

171

ГЛАВА 9 КОЛОРИМЕТРИЯ СУБТРАКТИВНЫХ СИСТЕМ

Рис. 9.8 Кривые спектральной плотности типичных cyan, magenta и yellowкрасителей

(рис. 9.1). Пунктирная линия демонстрирует общую функцию спектральной плотности всех

трех красителей.

его спектральное распределение энергии можно рассчитать, если кривую спектраль



ной плотности (a

) рассматривать как кривую пропускания условного аддитивного

фильтра. Спектральное распределение, вычисленное таким способом (

ll1

), будет про

порциональным спектральному распределению энергии (

ET ET

ll ll

) стимула P

(если

же мы хотим уйти от вышеописанной аппроксимации и получить точное спектральное

распределение, то необходимо идти через

TEa

ll l1

Приведенное выше определение P

хоть и очень простое, имеет весьма ограничен

ную область употребления, поскольку применимо только к серым стимулам и при

крайне малых изменениях в концентрации красителя. Однако, если теперь рассмат

ривать T

не как спектральное пропускание равномерно окрашенного образца, а как

интегральное пропускание света всей области изображения на слайде, приведенные

выше аргументы хоть и остаются истинными, но все же становятся менее общими: не

которые равномерно окрашенные участки изображения будут оставаться серыми, но

интегральный свет от всего слайда чаще всего будет лишь приблизительно серым.

Спектральное распределение

ll1

в этом случае можно трактовать как кардинальный

стимул, соответствующий красителю всего изображения.

Несмотря на то что мы рассуждаем в контексте сверхмалых изменений концентра

ции красителей, результаты бо<льших изменений этой концентрации все же более или

менее предсказуемы, однако нестабильность кардинальных стимулов субтрактивных

систем препятствует отысканию кардинального стимула, строго согласованного с

большими изменениями этой концентрации.

Распределение энергии

ll2

ll3

, безусловно, определяет кардинальные стиму

лы P

иP

, управляемые красителями со спектральными плотностями соответственно

2 l

3 l

. Три кардинальных стимула (P

иP

) в дальнейшем могут использоваться в

разных целях, в частности при определении теоретических кривых чувствительности

фотоматериала при данном наборе красителей, а также при определении траектории

движения позиций стимулов в треугольнике цветностей по мере изменения концен

траций красителей и их удаления от серого. При необходимости воспроизведения осо

бо хроматичных элементов можно подобрать иные наборы кардинальных стимулов,

пользуясь выражениями

TEa

ll l1

TEa

ll l2

TEa

ll l3

9.7 ДИХРОМАТИЧЕСКИЕ СУБТРАКТИВНЫЕ СИСТЕМЫ

Если все цветовые стимулы сцены будут уравнены смесью только двух стимулов,

полученных, соответственно, только от двух красок, то будет реализовано колоримет

рически корректное дихроматическое субтрактивное цветовоспроизведение. Стиму

лы большинства сцен, однако, выходят далеко за рамки данного ограничения, но тем

не менее дихроматическое цветовоспроизведение (обычно используются голубой

и оранжевый красители) порой оказывается на удивление работоспособным, благода

ря чему в свое время оно активно использовалось в кинематографе (CornwellClyne,

1959, p. 343; Lobban, 1988).

Рис. 22.6 демонстрирует достижимый уровень цветопередачи при дихроматиче

ском цветовоспроизведении: в правом верхнем углу показан результат, полученный с

помощью дихроматической телевизионной системы (оранжевый и голубой карди

нальный стимулы), который сравнивается с результатом обычного трихроматическо

го цветовоспроизведения (правый нижний угол).

Результат дихроматического цветовоспроизведения весьма зависим от контекста:

сцены в интерьерах помещений обычно передаются весьма реалистично (вероятнее

172

ГЛАВА 9 КОЛОРИМЕТРИЯ СУБТРАКТИВНЫХ СИСТЕМ

всего, потому, что в освещении от свеч и желтоватых ламп накаливания очень мало

«синего» содержимого, то есть низкий уровень коротковолнового сигнала сводит зри

тельный процесс практически к двум переменным); уличные сцены, как правило, по

лучаются плохо, а основным недостатком дихроматических систем является почти

полная неспособность передавать градации цветового тона неба и листвы.

9.8 КАЧЕСТВО СУБТРАКТИВНОГО ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ

Желающих детально изучить вопросы высокоточного субтрактивного цветовос

произведения, в частности влияние на него изменений в спектральной чувствительно

сти, контрасте и характеристиках красителей, адресуем к главам 13 и 14 работы

Evans, Hanson и Brewer (1953). Здесь же достаточно указать на то, что у цветовоспро

изведения, основанного на субтрактивном способе получения кардинальных стиму

лов, существуют фундаментальные ограничения:

— отдельные стимулы некоторых сцен могут обладать слишком высокой колори

метрической чистотой, чтобы быть репродуцированными при помощи доступных кра

сителей;

— в пленочной фотографии все стимулы сцен (неважно, воспроизводимы они или

нет) можно репродуцировать с определенными искажениями изза отсутствия адекват

ных отрицательных участков в кривых чувствительности всех эмульсионных слоев;

— кривые почернения, то есть кривые оптической плотности, как функции от лога

рифма экспозиции эмульсионных слоев, обычно не строго линейны и, следовательно,

могут давать погрешности;

— наконец, фактические красители поглощают свет там, где должны иметь 100%

пропускания.

С другой стороны:

— принудительное обострение и сдвиг пиков спектральной чувствительности мо

гут компенсировать неадекватность отрицательных участков в кривых чувствитель

ности;

— межслойные эффекты и маскирование могут ощутимо ослабить влияние пара

зитного поглощения;

— реальные красители могут воспроизвести чуть большее количество цветовых

стимулов, чем красители идеальные;

— как было показано в гл. 5, визуальные допуски на точность воспроизведения дос

таточно велики.

В итоге практический результат может оказаться (и часто оказывается) исключи

тельно удачным.

ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ

B.R.E.M.A. P.A.L. Working Party, Radio Electron. Eng., 38, 201 (1969).

Clapper, F.R., Gendron, R.G., and Brownstein, S.A., J. Opt. Soc. Amer., 63, 625 (1973).

Clarkson, M.E., and Vickerstaff, T., Phot. J., 88b, 26 (1948).

CornwellClyne, A., Colour Cinematography, p. 343, Chapman & Hall, London (1951).

Evans, R.M., Hanson, W.T., and Brewer, W.L., Principles of Color Photography, Wiley,

New York (1953).

Hanson, W.T., and Brewer, W.L., J. Opt. Soc. Amer., 45, 476 (1955).

Lobban, G, Image Technology, 70, 70 (1988).

MacAdam, D.L., J. Opt. Soc. Amer., 28, 399 (1938).

173

ГЛАВА 9 КОЛОРИМЕТРИЯ СУБТРАКТИВНЫХ СИСТЕМ

MacAdam, D.L., J. Phot. Sci., 14, 229 (1966). See Figs. 34 and 35.

Ohta, N., Phot. Sci. Eng., 15, 399 (1971a).

Ohta, N., Phot. Sci. Eng., 15, 416 (1971b).

Ohta, N., Phot. Sci. Eng., 15, 487 (1971c).

Ohta, N., Applied Optics, 10, 2183 (1971d).

Ohta, N., J. Opt. Soc. Amer., 62, 129 (1972a).

Ohta, N., J. Opt. Soc. Amer., 62, 185 (1972b).

Ohta, N., J. Imaging Sci., 35, 94 (1991).

Pearson, M.L., Pobboravsky, I., and Yule, J.A.C., Proc. Tech. Assoc. Graphic Arts, 20, 330

(1968).

Pearson, M.L., and Yule, J.A.C., J. Color and Appearance, 2, 30 (1973).

Umberger, J.Q., Phot. Sci. Eng., 7, 34 (1963).

Yule, J.A.C., Pearson, M.L., and Pobboravsky, I., Printing Technology, 12, 150 (1968).

Yule, J.A.C., Private Communication (1971).

Yule, J.A.C., Principles of Color Reproduction, p. 138, Wiley, New York (1967).

ГЛАВА 9 КОЛОРИМЕТРИЯ СУБТРАКТИВНЫХ СИСТЕМ

10 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

10.1 ВВЕДЕНИЕ

ы уже говорили о том, что зрительная система человека способна адаптиро

ваться к свету разного спектрального состава. К примеру, при свете ламп на

каливания, в которых весьма мало коротковолнового («синего») компонента, зрение

повышает свою «синюю» чувствительность. Набор источников света, которые могут

сильно исказить цветопередачу, в целом невелик.

В разделе 5.7 было показано, что камеры (пленки, принтеры и т.п.) должны «адап

тироваться» к источнику света аналогичным образом, поскольку степень адаптации

зрительной системы наблюдателя по самоей оригинальной сцене намного больше, чем

по изображению этой сцены (при том же освещении).

В деле цветовоспроизведения учет вариаций спектрального распределения энер

гии источников света настолько важен, что мы посвящаем ему отдельную главу.

10.2 ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

10.2.1 Вольфрамовые лампы накаливания

Наиболее важными и наиболее распространенными искусственными источниками

света являются вольфрамовые лампы накаливания. Спектральное распределение

энергии их света в определенной степени зависит от спектрального коэффициента про

пускания стеклянной колбы, хотя в целом последняя бесцветна (обычно лишь слегка

зеленовата), и, следовательно, ее влияние невелико.

Принято считать, что наиболее важным фактором, определяющим спектральное

распределение энергии света лампы накаливания, является температура нагрева

вольфрамовой нити. Температура эта зависит как от электрического сопротивления

нити, так и от напряжения, приложенного к лампе. Изменение цветности света по

мере роста накала нити (от комнатной температуры и выше) показано в табл. 10.1:

температуры даны в градусах Цельсия (°С) и в градусах Кельвина (К)

, поскольку по

следние весьма широко используются при характеризации источников света. Отме

тим, что значения температур согласованы с названиями цветов лишь приблизитель

но и что температура, при которой свет начинает восприниматься белым, зависит от

статуса адаптации наблюдателя, а также от интенсивности этого света (Hurvich и

Jameson, 1951).

Максимально достижимая температура нити ламп накаливания ограничена точ

кой плавления вольфрама (около 3700 К). Заметим, что современные лампы накали

вания, работающие примерно при 3000 К, испускают свет, который большинство лю

дей назовут белым, только когда полностью адаптируются к нему.

Спектральное распределение энергии света вольфрамового источника определить

очень просто, и недаром его называют«полным излучателем», «планковским излуча

телем» или «абсолютно черным телом». Абсолютно черное тело в идеале представля

175

Отличаются от значений Цельсия на 273.

ет собой нагретую непрозрачную сферическую капсулу с небольшим отверстием, ис

пускающим свет. Площадь этого отверстия должна быть намного меньше (к примеру,

одна сотая) общей площади внутренней поверхности капсулы (подобно дверце у печ

ки).

Спектральное распределение энергии света планковских излучателей описывается

планковским законом излучения:

()

=×

где P(l) — это энергия (в ваттах) на квадратный сантиметр поверхности на ширину

спектральной полосы в микрометрах (мкм) по данной длине волны; l — длина волны в

мкм; T — температура в кельвинах; c

= 37418; c

= 14388; e = 2.718.

Когда длина волны достаточно мала, а температура не очень высока,

стремит

ся к единице и

P()l

аппроксимируется выражением:

()

которое известно как закон излучения Вина. В отношении температур, типичных для

ламп накаливания и волн видимой части спектра, этот закон «работает» с точностью

до 1%.

Очевидно, что вольфрамовые лампы накаливания не являются планковскими из

лучателями в буквальном смысле, поскольку не представляют собой нагретых капсул

с отверстиями. Однако относительные спектральные распределения световых энергий

таких ламп очень близки к относительным спектральным распределениям энергий

планковских излучателей, но с температурами примерно на 50 градусов выше, чем у

вольфрамовой нити (в связи с чем цветность ламп накаливания указывают через эти

температуры, именуемые цветовыми температурами). Таким образом, к примеру,

лампы с цветовой температурой 3000 К испускают свет, относительное спектральное

распределение энергии которого полностью идентично спектральному распределению

энергии планковского излучателя при той же температуре. Фактическая температура

176

ГЛАВА 10 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

ТАБЛИЦА 10.1 Температуры раскаленных предметов (накальные источники)

Оттенок Температура °C Температура K

Предельно глубокий темнокрасный 480 753

Глубокий темнокрасный 630 903

Темнокрасный 750 1023

Вишневокрасный 815 1088

Светлый вишневокрасный 900 1173

Оранжевокрасный 990 1263

Желтый 1150 1423

Желтоватобелый 1330 1603

нити при этом будет равна 2950 К, но эта разница столь незначительна, что обычно не

принимается во внимание.

На рис. 10.1 показано спектральное распределение энергии планковского излуча

теля при четырех цветовых температурах (Murray, 1952). По рисунку видно, что чем

выше цветовая температура, тем выше эффективность лампы, поскольку при данной

мощности испускается больше света и меньше инфракрасных лучей. Плюс к тому вы

сокие цветовые температуры соответствуют более «холодному» свету, и визуальная

разница между светом лампы и дневным светом в этом случае оказывается совсем не

большой. Поэтому вольфрамовые источники изготавливаются так, чтобы работать на

максимально возможных цветовых температурах.

У ламп с толстой нитью (около 0.2 мм в диаметре) достижима температура порядка

3400 К, но у ламп с тонкими нитями (примерно 0.02 мм в диаметре) максимальные

температуры не превышают 2500 К изза ломкости нити и ее серьезного ослабления

вследствие частичного испарения вольфрама. Толстые нити, конечно, обладают мень

шим электрическим сопротивлением, чем нити тонкие, и поэтому могут использо

ваться только при низком напряжении или в лампах высокой мощности. Таким обра

зом, у ламп, работающих на цветовых температурах порядка 3000 К (и выше), при ра

зумном сроке службы, мощность должна быть не менее 250 Вт (при напряжении в диа

пазоне 200—250 В). Однако для вольтажа диапазона 12—24 В при данных цветовых

температурах достигаемая мощность падает до 30 Вт и ниже. Наоборот: на высоких

цветовых температурах при данной мощности могут использоваться лампы низкого

вольтажа (и, следовательно, высокой световой эффективности).

По описанным причинам в кино и телестудиях часто используются лампы, рассчи



177

ГЛАВА 10 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Äëèíà âîëíû (íì)

400 500 600 700

Îòíîñèòåëüíàÿ ýíåðãèÿ

3400 Ê

3000 Ê

2400 Ê

2000 Ê

Рис. 10.1 Кривые спектрального распределения энергии планковского излучателя при различ

ных температурах в диапазоне видимых длин волн.

танные не на 200—250 В, а на 100—120 В. В кинопроекторах, где нужен высокоэффек



тивный и компактный источник, часто используются лампы с вольтажом меньшим

100 В: высоковольтные лампы не только менее эффективны, но и сложны в изготовле

нии, поскольку компактные вольфрамовые нити имеют тенденцию к межвитковому ду

говому разряду, быстро приводящему к выходу лампы из строя (Aldington, 1954).

Наконец, отметим, что типичная световая эффективность вольфрамовых ламп со

ставляет примерно 25 лм/Вт при 3200 К и 12 лм/Вт при 2650 К.

Износ и перегорание ламп накаливания в основном обусловлены испарением

вольфрама с поверхности нити: по разным причинам интенсивность этого процесса на

некоторых участках нити выше, чем на других, изза чего у нее появляются «талии»,

то есть зоны истончения. Поскольку уменьшение диаметра ведет к повышению элек

трического сопротивления, «талии» нагреваются сильнее, и вольфрам на этих участ

ках испаряется активнее (что в конечном счете приводит к разрыву нити, то есть, к пе

регоранию лампы). Плюс к тому испаряющийся вольфрам оседает на внутренней по

верхности колбы, образуя серый или коричневатый налет, поглощающий свет и сни

жающий светоотдачу.

10.2.2 Галогенные лампы накаливания

В галогенных лампах накаливания (Zubler и Mosby, 1959; Strange и Stewart, 1963),

с целью избежать потемнения, вызываемого испарением вольфрама, нить помещают

в колбу, заполненную разреженными парами йода (или другого галогена), а самою

колбу изготавливают из кварцевого стекла, выдерживающего температуры более

250°С (Levin и Westlund, 1966). При такой конструкции испарившийся вольфрам реа

гирует на внутренней поверхности стенок с йодом, образуя при этом газообразный йо

дид вольфрама:

WI WI+®

в результате чего затемнения колбы не происходит. Йодид вольфрама затем возвраща

ется к поверхности нити, где под воздействием температур свыше 2000°С распадается

на вольфрам и йод:

WI W I

®+

Восстановленный вольфрам оседает на поверхности нити, но, к сожалению, не по

падает на наиболее горячие (и, следовательно, наиболее тонкие) ее участки, и галоген

ные лампы все равно рано или поздно перегорают. Однако за счет йодного цикла и вы

сокого давления газа, препятствующего испарению вольфрама, средний срок службы

таких ламп больше, чем срок службы обычных ламп накаливания, и наоборот: при

том же сроке службы, что и у обычных ламп, галогенные лампы могут работать при

бо<льших цветовых температурах.

Колбы галогенных ламп, выдерживающие высокие температуры, необходимые

для реализации йодного цикла, должны быть очень компактными. Компактность же

галогенных ламп позволяет, в свою очередь, использовать высокоэффективные свето

концентрирующие оптические элементы.

Таким образом, преимущества галогенных ламп накаливания следующие:

— они не темнеют и, следовательно, более эффективны по светоотдаче и более ста

бильны по сроку службы;

178

ГЛАВА 10 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

— могут работать на высоких цветовых температурах и, следовательно, обладают

большей световой эффективностью;

— компактны, что весьма удобно при использовании в цветорепродукционной сис

теме различных оптических элементов.

Заметим, однако, что пары йода слегка поглощают свет в желтозеленой части

спектра, поэтому, если в колбе слишком высока концентрация паров йода, свет лампы

приобретает легкий пурпурный оттенок (Struder и Van Beers, 1964).

Цветные фотопленки, сбалансированные по свету ламп накаливания, обычно тре

буют строго определенной цветовой температуры освещения сцены (см. раздел 5.7).

Когда цветовая температура ламп несколько отклоняется от необходимого значения,

то требуемой цветовой температуры экспонирующего света можно добиться с помо

щью фильтров. Когда же цветовая температура ламп, освещающих сцену, не соответ

ствует цветовому балансу пленки, но при этом одинакова у всех задействованных осве

тителей, весьма удобным методом коррекции является установка соответствующего

фильтра перед объективом камеры. В случаях, когда лампы сильно разнятся по цвето

вой температуре, то перед каждой из них устанавливают индивидуально подобранный

фильтр; при этом перед объективом камеры иногда устанавливается фильтр общей

коррекции.

Отметим, наконец, что цветовую температуру ламп накаливания легко измерить с

помощью фотоэлектрического колорметра, который сравнивает интенсивность осве

щения за красным и синим фильтрами, калиброванными по шкале Кельвина

(Harding, 1952; Palmer, 1965).

10.3 СПЕКТРОКОНВЕРСИОННЫЕ ФИЛЬТРЫ

Если при необходимости изменить цветовую температуру света источников при

меняются т.н. спектроконверсионные фильтры, то практичнее пользоваться вели

чиной, обратной цветовой температуре, нежели самоей цветовой температурой. Для

удобства величина, обратная цветовой температуре, умножается на миллион. Полу

ченное значение именуется «майред» (от microreciprocal degrees — mired) или «май

рек» (microreciprocal kelvins — mirek). То есть цветовая температура в 2000 К экви

валентна 500 майред; 4000 К — 250 майред, а фильтр, конвертирующий спектр план

ковского излучателя с цветовой температурой 2000 К в спектр с температурой 4000

К, дает изменение в –250 майред. Фильтр такого типа можно изготовить так, что все

гда, независимо от того, какова исходная цветовая температура абсолютно черного

тела, он будет давать сдвиг в –250 майред с точностью, определяемой законом Вина.

Ниже мы приведем доказательство этого важнейшего свойства спектроконвер

сионных фильтров.

Допустив, что температуры источников и длины волн спектра таковы, что в отно

шении них успешно срабатывает закон Вина, получим:

()

179

ГЛАВА 10 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

Фотографические фотоэлектрические колорметры не следует путать с фотоэлектрически



ми колориметрами — приборами более высокого класса, позволяющими измерять колоримет



рические координаты света, из которых в дальнейшем можно легко вычислить коррелирован



ную цветовую температуру его источника. — Прим. пер.

180

ГЛАВА 10 ИСТОЧНИКИ СВЕТА

(a)

(b)