Колориметрическое определение цвета

Основой теории цветового зрения является установленный экс­периментально факт, что все цвета могут быть получены путем сложения (смешения) трех световых потоков - красного (R), зелено­го (G) и синего (В) цветов. Объяснение общих принципов цветового зрения было впервые дано великим русским ученым М.В. Ломоно­совым, сформулировавшим в 1756 г. трехкомпонентную (трехрецеп­торную) теорию восприятия глазом цвета. Ломоносов пришел к вы­воду, что наш глаз имеет три вида рецепторов (колбочек), воспри­нимающих цвет. Один из них воспринимает красную часть спектра, другой - желтую, третий - синюю. Эти цвета называются основными (первичными). При равном возбуждении рецепторов создается ощущение белого цвета. Характер цветового ощущения зависит от отношения возбуждений трех цветов.

В дальнейшем теория Ломоносова была повторена в Англии в 1802 г. Юнгом и более детально доработана в Германии в 1852 г. Гельмгольцем. Кениг и Дитеричи в 1892 г. экспериментально опреде­лили кривые спектральной чувствительности разновидностей колбо­чек (кривые основных возбуждений). Более детальные исследования вопросов спектральной чувствительности глаза были проведены в 1935 г. Н.Т. Федоровой и В.И. Федоровым (рис. 4.6). Масштабы представленных на рис. 4.6 кривых спектральной чувствительности выбраны такими, чтобы для белого цвета площади, ограниченные кривыми, были бы равны, так как ощущение белого цвета возникает при одинаковом возбуждении всех трех разновидностей колбочек.

Таким образом, анализ воздействующего на глаз излучения тре­мя типами колбочек с различной спектральной чувствительностью и последующий синтез результатов их возбуждений зрительными участками коры головного мозга вызывает ощущение большого числа цветовых оттенков окружающих нас предметов.

В телевидении используется локальное, пространственное и би­нокулярное смешения цветов. Локальное смешение может быть од­новременным (оптическим), когда на одну поверхность проецируют­ся два или несколько излучений, вызывающих 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 могут служить мелкие штрихи, мозаика и др.

Рис. 4.6. Кривые спектральной чувствительности различных групп колбочек

Воспроизведение цветного изображения на телевизионном экране, а также на компьютерном мониторе в большинстве случаев основано на пространственном смешении цветов.

Из основного закона смешения следует, 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, (4.4)

где f'F - излучение произвольного состава, единица которого обозначена через F, а количество единиц - через f'; R, G, B - единичные количества основных цветов; r',g',b'- множители, указывающие количества излучений, соответствующих цветам R, G, В, - или «модули этих цветов».

Основными называются взаимно независимые 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.

Примером взаимно независимых являются R, G, В цвета.

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 воля 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 (4.4) 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,

или

f'F = - r'R + g'G + b'B.

Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью урав­нения (4.4) коэффициенты r',g',b' могут иметь отрицательные зна­чения. Это позволяет расширить применимость форм цветового уравнения (4.4), показывающего, что в общем случае цвет опреде­ляется тремя независимыми переменными r',g',b', что подтвер­ждает его трехмерность.

Знание численных значений цветовых коэффициентов r',g',b' полностью определит 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 [4]

,

,

,

где m = r'+g'+b'- цветовой модуль.

Очевидно, что r+g+b= 1. Символы r, g, b носят название коор­динат цветности.

Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне оп­ределенными основными цветами. Поэтому в целях устранения неопределенности измерения цвета МКО в 1931 г. стандартизовала в качестве основных цветов три монохроматических излучения с длинами волн λ_R= 700,1 нм, λ_G = 546,1 нм и λ_B = 435,8 нм. Выбран­ные основные цвета удобны тем, что два из них R и B близки к крал­ям видимого спектра, а третий G - к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свою группу рецепторов.

Координаты цвета r', g', b' любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излу­чения Р(λ):

(4.5)

где λ₁, λ₂- границы светового диапазона электромагнитных колебаний.

Величины (λ), (λ), (λ), получившие название удельных ко­ординат цвета, непосредственно характеризуют особенности воспри­ятия цвета средним наблюдателем. Они были стандартизованы МКО в 1931 г. на основе экспериментальных исследований монохромати­ческого излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин волн. В результате были получены, удельные координаты или удель­ные цветовые коэффициенты. Графические зависимости удельных координат цвета или кривые смешения изображены на рис. 4.7.

Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (4.4) величины r', g', b' для частных спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это показы­вает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB.

Рис. 4.7. Удельные координаты цвета в системе RGB

Отрицательные координаты затрудняют расчеты цвета излучения по его спектральному составу. Вторым недостатком системы RGB является необходимость расчета всех трех компонентов цвета при определении его яркости. Поэтому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ.