Nykyaikaisen väriteorian perustana on Helmholtzin ja Heringin teoria kolmivärisistä aistimuksista. Tällä hetkellä hyväksytty väriteoria perustuu Grassmannin kolmeen värinlisäyksen lakiin.

Ensimmäisen lain mukaan mitä tahansa väriä voidaan pitää kolmen lineaarisesti riippumattoman värin sarjana, eli sellaisina kolmena värinä, joista yhtäkään ei voida saada lisäämällä kahta muuta.

Toisesta säännöstä seuraa, että koko värivalikoima on jatkuva, eli ei voi olla väriä, joka ei ole muiden värien vieressä. Säteilyn jatkuvilla muutoksilla mikä tahansa väri voidaan muuttaa toiseksi.

Kolmas värinlisäyksen laki sanoo, että jotkut värit, jotka saadaan lisäämällä useita komponentteja, riippuvat vain niiden väreistä eikä niiden spektrikoostumuksista. Tämän lain perusteella sama väri voidaan saada muiden värien eri yhdistelmillä. Nykyään on yleisesti hyväksyttyä pitää mitä tahansa väriä sinisen, vihreän ja punaisen yhdistelmänä, jotka ovat lineaarisesti riippumattomia. Värisekoituksen kolmannen lain mukaan on kuitenkin olemassa lukemattomia muita kolmen lineaarisesti riippumattoman värin yhdistelmiä.

Kansainvälinen valaistuskomissio (CIE) hyväksyi kolmeksi pääväriksi monokromaattisen säteilyn värit aallonpituuksilla 700, 546,1 ja 435,5 nm. R, G, B.

Jos nämä kolme pääväriä on järjestetty avaruuteen kolmen vektorin muodossa, jotka lähtevät yhdestä pisteestä, mikä tarkoittaa vastaavia yksikkövektoreita r, g, b, sitten mikä tahansa väri F, voidaan ilmaista vektorisummana:

F=Rr+Gg+Bb

Missä R, G, B - värimoduulit, jotka ovat verrannollisia päävärien lukumäärään tuloksena olevassa kokonaisvärissä; näitä moduuleja kutsutaan värikoordinaatit.

Värikoordinaatit luonnehtivat väriä yksilöllisesti, eli ihminen ei tunne eroa väreissä, joilla on samat koordinaatit. Samat värikoordinaatit eivät kuitenkaan tarkoita samaa spektrikoostumusta. Näytteitä, joiden värille on ominaista eri spektrit, mutta joilla on samat värikoordinaatit, kutsutaan metameerinen. Värjätyn näytteen havaittu väri riippuu lähteestä, jossa sitä tarkastellaan. Metameerinäytteet, jotka näyttävät samanvärisiltä yhden lähteen valossa, ovat erilaisia ​​toisen valossa.

Värimittaustietojen ilmaisemiseen käytetty järjestelmä on X, Y, Z. Tässä järjestelmässä kolme pääväriä pidetään väreinä, joita ei todellisuudessa ole olemassa, mutta jotka liittyvät lineaarisesti väreihin R, G ja SISÄÄN.
Väri järjestelmässä XYZ ilmaistaan ​​vektorin summana:

F=xx+Yy + Zz

Toisin kuin järjestelmä RGSISÄÄN kaikki järjestelmän oikeat värit XYZ niillä on positiiviset koordinaatit. Päävärien kirkkaus X Ja y otetaan yhtä suureksi kuin nolla, joten värin kirkkaus F voidaan luonnehtia vain yhdellä värikoordinaatilla Y,

Eri aallonpituuksien spektraalisesti puhtaiden värien spesifiset koordinaatit (erityiset värikoordinaatit) on esitetty kuvassa.

Kutsutaan värikoordinaatin suhdetta kaikkien kolmen koordinaatin summaan värikoordinaatti. Värikoordinaatteja vastaavat värikoordinaatit on merkitty X, y,z

x=X/(X+Y+Z) jne.

On selvää, että:

X+ y +z=1

On myös selvää, että värikoordinaatit pysyvät muuttumattomina, kun kaikkia värikoordinaatteja suhteellisesti suurennetaan tai vähennetään. Siten värikoordinaatit luonnehtivat vain yksiselitteisesti väri, mutta älä ota huomioon kirkkaus värit. Se, että kaikkien värikoordinaattien summa on yhtä suuri kuin yksi, mahdollistaa vain kahden koordinaatin käyttämisen värillisyyden karakterisoimiseen, mikä puolestaan ​​mahdollistaa kromaattisuuden graafisen esittämisen karteesisissa koordinaateissa.

Kromaattisuuden graafinen esitys koordinaatteina X, y kutsutaan värikartaksi (kuva).

Spektripuhtaita värejä vastaavat pisteet piirretään värikarttaan. Ne sijaitsevat avoimella kaarella. Valkoinen vastaa pistettä C värikoordinaateineen X = 0,3101 ja y = 0,3163. Käyrän päitä supistaa segmentti, jossa spektristä puuttuvat violetit sävyt sijaitsevat. Magentan sävyn aallonpituus ilmaistaan ​​numerolla viivalla ja on yhtä suuri kuin täydentävän värin aallonpituus, eli väri, joka sijaitsee tietyn magentan värin pisteen läpi kulkevan suoran leikkauspisteessä ja pointti KANSSA, spektripuhtaiden värien käyrällä. Pistettä yhdistävillä segmenteillä valkoinen väri kaavion reunassa on pisteitä, saman värisävyn värit sijaitsevat.

Värisävy (dominoiva aallonpituus) - tämä on aallonpituus, joka vastaa maksimiarvoa näytteen heijastusspektrissä (tai läpinäkyvän näytteen läpäisyspektrissä) tai monokromaattisen säteilyn aallonpituus, joka on lisättävä valkoiseen tietyn värin saamiseksi.

Värin puhtaus (kylläisyys) Mikä tahansa väri määritellään monokromaattisen komponentin kirkkauden suhteeksi yksivärisen ja valkoisen komponentin kirkkauden summaan. Kirkkaus - tämä on arvo, joka kuvaa näytteestä heijastuneen valon määrää. Kuten jo todettiin, kolmivärijärjestelmän kirkkaus otetaan värikoordinaattien arvoksi Y.

Jos otamme värikartan väriä ja merkitsemme sen pisteellä A, silloin sen kokonaiskirkkaus on yhtä suuri YA, ja monokromaattisen komponentin kirkkaus, joka on verrannollinen värin suhteelliseen etäisyyteen valkoisesta pisteestä, ilmaistaan ​​suhteella: Yll2/(l1+l2).

Siten väriä voidaan luonnehtia kolmella tavalla käyttämällä joka tapauksessa kolmea määrää kuvaamaan sitä:

1) värikoordinaatit X, Y, Z,

2) värikoordinaatit X Ja klo Y-värikoordinaatin yhteydessä;

3) värisävy l, värin puhtaus R ja kirkkautta Y.

Valkoisuuden mittaus.
Yksi valkoisten pigmenttien ja täyteaineiden tärkeimmistä indikaattoreista on niiden valkoisuus. valkoisuus kutsutaan värin lähentymisasteeksi ihanteelliseen valkoiseen. Ihannetapauksessa valkoinen on pinta, joka heijastaa diffuusisti kaiken päälle tulevan valon koko spektrin näkyvällä alueella. Kuitenkin toinen edullinen valkoinen näyte voidaan ottaa referenssinä.

Valkoisuuden arvioimiseen on olemassa useita erilaisia ​​spektrofotometrisiä ja kolorimetrisiä menetelmiä. Useimmiten valkoisten pigmenttien valkoisuuden arvioinnissa käytetään mitatun näytteen ja hyväksytyn standardin välisten värierojen arvoja. Valkoisuus W lasketaan tässä tapauksessa kaavalla:

DE - täydellinen väriero.

Jotka syntyvät kuvien kanssa työskennellessä, ja monet muut aiheet, esimerkiksi kuvankäsittelyn aihe, vaikuttavat tavalla tai toisella värien ja värien toiston kysymyksiin. Mutta valitettavasti useimmat näistä artikkeleista kuvaavat värin käsitettä ja sen toiston piirteitä erittäin pinnallisesti tai tekevät hätiköityjä johtopäätöksiä tai jopa virheitä. Artikkelien ja kysymysten määrä erikoisfoorumeilla aiheesta käytännön näkökohtia tarkka värintoisto sekä monet virheelliset yritykset vastata näihin kysymyksiin jopa kokeneiden asiantuntijoiden toimesta viittaavat siihen, että ongelmia värin kanssa työskenneltäessä ilmenee melko usein, ja niihin on vaikea löytää perusteltuja ja selkeitä vastauksia.

Useimpien IT-asiantuntijoiden riittämätön tai virheellinen tieto värintoistosta selittyy mielestäni sillä, että väriteorian opiskeluun käytetään vain vähän aikaa, koska sen perusteet ovat petollisen yksinkertaiset: koska verkkokalvolla on kolmenlaisia ​​kartioita, tiettyjen kolmen värin sekoittaminen voi ilman ongelmia saada koko sateenkaari värien, minkä vahvistaa joidenkin ohjelmien RGB- tai CMYK-säätimet. Useimmille tämä näyttää riittävän, ja heidän tiedonhalunsa tällä alalla päättyy. Mutta kuvien hankinta-, luonti- ja toistoprosessit valmistavat sinut moniin vivahteisiin ja mahdollisia ongelmia, jonka ratkaisemisessa auttaa väriteorian ymmärtäminen sekä sen perustana olevat prosessit. Tämä aihe on tarkoitettu täyttämään tietovaje väritieteen alalla, ja siitä on hyötyä useimmille suunnittelijoille, valokuvaajille, ohjelmoijille ja toivottavasti muille IT-asiantuntijoille.

Yritä vastata seuraaviin kysymyksiin:

• miksi fysiikka ei voi määritellä värin käsitettä?
• Mikä seitsemästä SI-perusyksiköstä perustuu ihmisen näköjärjestelmän ominaisuuksiin?
• Mikä värisävy ei kuulu spektriin?
• Miten oli mahdollista mitata ihmisen värihavaintoa 90 vuotta sitten?
• missä käytetään värejä, joilla ei ole kirkkautta?

Jos et löytänyt vastausta edes yhteen kysymykseen, suosittelen katsomaan kissan alta, josta löydät vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin.

Värin käsitteen määritelmä. Hänen ulottuvuutensa

Tiedämme kaikki, että tiede ei tule toimeen ilman mittauksia ja mittayksiköitä, eikä väritiede ole poikkeus. Siksi yritämme ensin määritellä värin käsitteen, ja tämän määritelmän perusteella yritämme löytää tapoja mitata sitä.

Kukaan ei tule yllättymään kuullessaan, että havaitsemme värit silmiemme avulla, jotka tätä tarkoitusta varten vangitsevat ympärillämme olevan maailman valon. Valo on sähkömagneettista säteilyä aallonpituusalueella 390-740 nm (silmälle näkyvissä), joten yritetään löytää avain värin mittaamiseen näiden säteiden ominaisuuksista, olettaen, että väri on sisään tulleen valon ominaisuuksia. meidän silmämme. Tämä ei ole millään tavalla ristiriidassa ajatuksemme kanssa: silmiin tuleva valo saa ihmisen havaitsemaan värin.

Fysiikka tuntee ja voi helposti mitata sellaiset valon parametrit kuin teho ja sen spektrikoostumus (eli tehon jakautuminen aallonpituuksille - spektri). Mittaamalla esimerkiksi sinisiltä ja punaisilta pinnoilta heijastuneen valon spektriä näemme, että olemme oikeilla jäljillä: tehonjakokäyrät vaihtelevat merkittävästi, mikä vahvistaa olettamuksemme, että väri on näkyvän säteilyn ominaisuus, koska nämä pinnat eri väriä. Ensimmäinen meitä odottava vaikeus on tarve tallentaa vähintään 35 spektrin numeerista arvoa (näkyvä aallonpituusalue 390-740 nm askeleella 10 nm) yhden värin kuvaamiseksi. Ennen kuin alamme edes miettiä tapoja ratkaista tämä pieni ongelma, huomaamme, että joidenkin väriltään identtisten näytteiden spektrit käyttäytyvät oudosti (punainen ja vihreä kaavio):

Näemme, että spektrit eroavat merkittävästi huolimatta näytteiden erehtymättömän identtisestä väristä (tässä tapauksessa - harmaa väri; tällaisia ​​kahta säteilyä kutsutaan metameeriseksi). Näiden näytteiden väriaistimuksen muodostumiseen vaikuttaa vain niistä heijastuva valo (jätämme tässä väliin taustavärin vaikutuksen, silmän valaistukseen sopeutumistason ja muut pienet tekijät), koska sen spektri jakelu on kaikki, mitä näytteidemme fyysiset mittaukset voivat antaa meille. Tässä tapauksessa kaksi merkittävästi erilaista spektrijakaumaa määrittelevät saman värin.

Otetaan toinen esimerkki värin spektrikuvauksen ongelmasta. Tiedämme, että näkyvän spektrin jokaisen osan säteet ovat meille värjätty tietyllä värillä: sinisestä 400 nm:n alueella sinisestä, vihreästä, keltaisesta, oranssista punaiseen, jonka aallonpituus on 650 nm ja enemmän. Keltainen on jossain alueella 560-585 nm. Mutta voimme valita sellaisen punaisen ja vihreän säteilyn seoksen, joka koetaan keltaiseksi huolimatta siitä, että säteilyä ei ole täydellisesti "keltaisella" alueella 560-585 nm.

Osoittautuu, että ei yhtään fyysiset parametrit ei voi selittää värin identiteettiä ensimmäisessä tilanteessa ja säteiden keltaista väritystä toisessa tilanteessa. Outo tilanne? Missä teimme virheen?

Spektrimittauskokeessa oletimme värin olevan säteilyn ominaisuus, mutta tuloksemme kumoavat tämän, koska spektrin ulkopuolella oli erilaisia ​​valonsäteitä, jotka koetaan samana värinä. Jos oletuksemme olisi oikea, jokainen havaittava muutos spektrikäyrässä aiheuttaisi havaitun värimuutoksen, jota ei havaita. Koska etsimme nyt tapoja mitata väriä ja olemme nähneet, että spektrien mittaamista ei voida kutsua värimittaukseksi, meidän on etsittävä muita tapoja, joilla tämä on mahdollista.

Itse asiassa ensimmäisessä tapauksessa suoritettiin kaksi koetta: yksi spektrometrillä, joka johti kahteen kuvaajaan, ja toinen henkilön näytteiden visuaalinen vertailu. Ensimmäinen tapa mittaa spektrinen koostumus valo ja toinen tulitikut Tunne ihmisen mielessä. Ottaen huomioon, että ensimmäinen menetelmä ei sovi meille, yritetään käyttää henkilöä mittaamaan väriä olettaen, että väri on tunne, jonka ihminen kokee, kun valoa kohdistetaan hänen silmiinsä. Mutta kuinka mitata ihmisen tunteita, ymmärtäen tämän käsitteen monimutkaisuuden ja epävarmuuden? Älä tarjoa elektrodeja aivoihin tai enkefalogrammiin, koska tällaiset menetelmät eivät vieläkään tarjoa tarvittavaa tarkkuutta niin hienovaraiselle käsitteelle kuin väri. Lisäksi, Tämä ongelma Ratkaistiin onnistuneesti jo 1900-luvun 20-luvulla ilman useimpien nykyisten teknologioiden saatavuutta.

Kirkkaus

Ensimmäinen ongelma, jonka ratkaisemiseksi tuli tarpeen ilmaista ihmisen visuaaliset tuntemukset numeerisesti, oli tehtävä valonlähteiden kirkkauden mittaaminen. Lamppujen säteilytehon mittaus (eli säteilyteho jouleina tai watteina, ei kulutettu sähköteho) ei vastannut tähän kysymykseen, koska ensinnäkin henkilö ei näe säteilyä, jonka aallonpituus on alle 380 tai enemmän. yli 780 nm, joten tämän alueen ulkopuolella oleva säteily ei vaikuta lähteen kirkkauteen. Toiseksi, kuten olemme jo nähneet spektrien kanssa, värin (ja kirkkauden) havaitseminen on monimutkaisempi prosessi kuin pelkkä silmiimme tulevan valon ominaisuuksien korjaaminen: ihmisen näkö on herkempi joillekin spektrin alueille ja vähemmän. muille. Esimerkiksi vihreä säteily on paljon kirkkaampaa kuin samantehoinen sininen säteily. On selvää, että valonlähteiden kirkkauden numeerisen ilmaisun ongelman ratkaisemiseksi on tarpeen kvantifioida ihmisen näköjärjestelmän herkkyys spektrin kaikille yksittäisille aallonpituuksille, joita voidaan sitten käyttää laskemaan kunkin valon aallonpituuden vaikutus. lähteestä sen kokonaiskirkkauteen. Kuten yllä esiin nostettu värinmittausongelma, myös tämä tiivistyy tarpeeseen mitata henkilön kirkkausaistimus.

Jokaisen aallonpituuden säteilyn kirkkauden tunnetta voitiin mitata vertaamalla visuaalisesti säteilyn kirkkautta henkilön tunnettuihin voimiin. Tämä on melko yksinkertaista: säätämällä säteilyn intensiteettiä sinun on tasattava kahden monokromaattisen (mahdollisimman kapea spektrin) virran kirkkaus mittaamalla samalla niiden tehot. Esimerkiksi monokromaattisen säteilyn, jonka aallonpituus on 555 nm, kirkkauden tasaamiseksi yhden watin teholla, tulisi käyttää kahden watin säteilyä, jonka aallonpituus on 512 nm. Eli meidän visuaalinen järjestelmä kaksi kertaa herkempi ensimmäiselle säteilylle. Käytännössä tulosten suuren tarkkuuden vuoksi suoritettiin monimutkaisempi koe, mutta tämä ei muuta sanotun olemusta (prosessi on kuvattu yksityiskohtaisesti vuoden 1923 alkuperäisessä tieteellisessä työssä). Tällaisten kokeiden sarjan tulos koko näkyvälle alueelle on spektrinen valotehokkuuskäyrä (löydät myös nimen "näkyvyyskäyrä"):

Aallonpituudet piirretään X-akselia pitkin ja ihmisen visuaalisen järjestelmän suhteellinen herkkyys vastaavaan aallonpituuteen piirretään Y-akselia pitkin.

Kun sinulla on laite, jolla on sama spektriherkkyys, voit helposti määrittää haluttujen valopäästöjen kirkkauden. Juuri tällaisen käyrän alla eri fotometrien, luksimittareiden ja muiden laitteiden herkkyyttä säädetään huolellisesti, minkä työssä on tärkeää määrittää henkilön havaitsema kirkkaus. Mutta tällaisten laitteiden herkkyys on aina vain likiarvo ihmisen spektrin valotehokkuuskäyrästä, ja tarkempiin kirkkauden mittauksiin käytetään kiinnostavan valonlähteen spektrijakaumaa.

Spektrijakauma saadaan jakamalla säteily kapeisiin spektrivyöhykkeisiin ja mittaamalla kunkin teho erikseen. Voimme pitää lähteemme kirkkautta kaikkien näiden spektrivyöhykkeiden kirkkauden summana, ja tätä varten määritämme kunkin niistä kirkkauden (kaava niille, jotka eivät ole kiinnostuneita lukemaan selityksiäni sormilla): me kerro mitattu teho tätä aallonpituutta vastaavalla näköjärjestelmämme herkkyydellä ( Y- ja X-akselit edellinen kaavio vastaavasti). Laskemalla yhteen tällä tavalla saatujen spektrin kaikkien vyöhykkeiden luminanssit, saamme ensisijaisen säteilymme kirkkauden fotometrisinä yksiköinä, jotka antavat tarkan käsityksen tiettyjen kohteiden havaitusta kirkkaudesta. Yksi fotometrisistä yksiköistä sisältyy Basic SI -yksiköihin - candela, joka määritetään spektrin valotehokkuuskäyrän kautta eli ihmisen näköjärjestelmän ominaisuuksien perusteella. Kansainvälinen valaistuskomissio (lyhenne CIE löytyy Neuvostoliiton kirjallisuudesta) tai CIE - Commission Internationale de l "Éclairage" hyväksyi ihmisen näköjärjestelmän suhteellisen herkkyyskäyrän kansainväliseksi standardiksi vuonna 1924.

CIE RGB-järjestelmä

Mutta spektrinen valotehokkuuskäyrä antaa meille käsityksen vain valosäteilyn kirkkaudesta, ja voimme nimetä sen muita ominaisuuksia, esimerkiksi kylläisyyden ja sävyn, joita sen avulla ei voida ilmaista. Muuten, kuinka kirkkautta mitataan, tiedämme nyt, että vain henkilö voi "mittaa" värin suoraan (älä unohda, että väri on tunne) tai jonkin hänen reaktiomallinsa, kuten spektrisen valotehokkuuden käyrän, jonka avulla voit ilmaisevat numeerisesti kirkkauden tuntemuksia. Oletetaan, että värin mittaamiseksi on tarpeen luoda kokeellisesti henkilön avulla, analogisesti valotehokkuuskäyrän kanssa, tietty järjestelmä, joka näyttää visuaalisen järjestelmän värivasteen kaikkeen. mahdollisia vaihtoehtoja valon spektrinen jakautuminen.

Yksi valonsäteiden ominaisuus on tunnettu pitkään (itse asiassa tämä on näköjärjestelmämme ominaisuus): jos sekoitat kaksi eriväristä säteilyä, voit saada värin, joka on täysin erilainen kuin alkuperäinen. Esimerkiksi osoittamalla Valkoinen lista paperi jossain vaiheessa vihreää ja punaista valoa tiettyjä valtuuksia, voit saada puhtaan keltaisen paikalla ilman epäpuhtauksia vihreitä tai punaisia ​​sävyjä. Kun lisäät kolmannen säteilyn, ja sininen sopii paremmin olemassa oleviin kahteen (koska sitä ei ole mahdollista saada punaisen ja vihreän sekoituksella), saadaan järjestelmä, jonka avulla voimme saada monia värejä.

Jos tasoitamme visuaalisesti jonkin verran testisäteilyä tällaisessa laitteessa, saamme kolme indikaattoria: punaisen, vihreän ja sinisen säteilijän intensiteetti, vastaavasti (kuten esimerkiksi lamppuihin syötetty jännite). Toisin sanoen värejä toistavan laitteemme (kutsutaan visuaaliseksi kolorimetriksi) ja visuaalisen järjestelmämme avulla onnistuimme saamaan numeerisia arvoja tietyn säteilyn väri, johon pyrimme. Näitä kolmea merkitystä kutsutaan usein värikoordinaatit, koska on kätevää esittää ne kolmiulotteisen avaruuden koordinaatteina.

Samanlaisia ​​kokeita suorittivat 1920-luvulla itsenäisesti tutkijat John Guild ja David Wright. Pääsäteilynä Wright käytti monokromaattista punaista, vihreää ja säteilyä siniset kukat aallonpituuksilla 650, 530 ja 460 nm, ja Guild käytti monimutkaisempaa (ei-monokromaattista) säteilyä. Huolimatta merkittävistä eroista käytetyissä laitteissa ja siitä, että data oli keskiarvotettu vain 17 normaalin näön omaavalta havainnolta (10 Wrightilla ja 7 Guildilla), molempien tutkijoiden lopputulokset olivat hyvin lähellä toisiaan, mikä osoittaa suurta tarkkuutta. tutkijoiden suorittamista mittauksista. Kaavamaisesti mittausmenettely on esitetty kuvassa:

Päällä ylempi osa näytöltä heijastettiin sekoitus säteilyä kolme lähdettä, ja alemmalla - tutkittu säteily, ja kokeeseen osallistuja näkee ne samanaikaisesti sulkimessa olevan reiän läpi. Tutkija asettaa osallistujalle tehtävän tasata väriä laitteen kenttien välillä ja samalla ohjaa tutkittavan säteilyn alempaan kenttään. Osallistuja säätää kolmen säteilyn tehoa, kunnes hän onnistuu, ja tutkija kirjaa kolmen lähteen intensiteetin.

Useissa tapauksissa ei ole mahdollista tasata tiettyjä monokromaattisia säteilyjä tällaisessa kokeessa: testikenttä kolmen säteilysäätimen missä tahansa kohdassa pysyy kyllästetympänä kuin käytetty seos. Mutta koska kokeen tarkoituksena on saada värikoordinaatit, ei toistaa sitä, tutkijat menivät temppuun: he sekoittivat laitteen yhtä pääsäteilyä ei kahden muun kanssa, vaan ohjasivat sen alempaan. osa näytöstä, eli he sekoittivat sen testisäteilyyn:

Edelleen tasaus suoritetaan tavalliseen tapaan, mutta säteilyn määrä, joka sekoittuu tutkittuun, katsotaan negatiiviseksi. Tässä voidaan vetää analogia etumerkin vaihtamiseen siirrettäessä lukua tavallisen yhtälön toiseen osaan: koska kolorimetrinäytön kahden osan välille muodostuu visuaalinen tasa-arvo, sen yläosaa voidaan pitää yhtälön yhtenä osana, ja alaosa kuin toinen.

Molemmat tutkijat tekivät visuaalisia mittauksia kaikista yksittäisistä monokromaattisista päästöistä näkyvässä spektrissä. Tutkiessaan näkyvän spektrin ominaisuuksia tällä tavalla, tiedemiehet olettivat, että heidän tuloksiaan voitaisiin käyttää kuvaamaan mitä tahansa muuta säteilyä. Tiedemiehet toimivat kolmen riippumattoman säteilyn tehoilla ja sarjan tällaisten kokeiden tulos on kolme käyrää, ei yksi, kuten tehtiin valotehokkuuskäyrää luotaessa.

Kätevän ja monipuolisen värispesifikaatiojärjestelmän luomiseksi CIE-komitea laski Gildin ja Wrightin mittaustiedoista keskiarvon laskemalla tiedot uudelleen perussäteilykolmiolle, jonka aallonpituudet ovat 700, 546,1 ja 435,8 nm (punainen, vihreä ja sininen, punainen, vihreä). , sininen - RGB). Sellaisen keskimääräisen järjestelmän pääsäteilyn kirkkauden tunteminen, jota tarvitaan valkoisen värin toistamiseen (vastaavasti 1: 4,5907: 0,0601 punaisille, vihreille ja sinisille säteille, joka määritettiin kokeellisesti myöhemmän uudelleenlaskennan kanssa) ja käyttämällä spektriä Tehokkuuskäyrä, CIE:n jäsenet laskivat tiettyjen värikoordinaattien käyrät, jotka osoittavat tämän järjestelmän kolmen pääsäteilyn vaaditun määrän minkä tahansa yhden watin tehoisen monokromaattisen säteilyn yhtälölle:

Aallonpituudet piirretään X-akselia pitkin ja vaaditut määrät kolmesta säteilystä, jotka tarvitaan vastaavan aallonpituuden aiheuttaman värin toistamiseen, piirretään Y-akselia pitkin. Kaavioiden negatiiviset osat vastaavat niitä monokromaattisia päästöjä, joita järjestelmässä käytetyt kolme pääemissiota ei pysty toistamaan, ja niiden määrittämiseksi on turvauduttava säädettäessä yllä kuvattuun temppuun.

Tällaisen järjestelmän rakentamiseksi voimme valita mitkä tahansa muut kolme säteilyä (muistaen, että yhtäkään niistä ei pitäisi toistaa kahden muun sekoituksella), mikä antaa meille muita erityisiä käyriä. CIE RGB -järjestelmässä valitut pääsäteilyt toistuvat iso luku spektrisäteilyä, ja sen ominaiskäyrät saadaan erittäin tarkasti ja standardoituina.

Tiettyjen värikoordinaattien käyrät poistavat tarpeen käyttää hankalaa visuaalista kolorimetriä, jonka visuaalinen säätö on hidasta, jotta saadaan värikoordinaatteja ihmisen kanssa, ja ne voidaan laskea vain säteilyn spektrijakaumasta, mikä on melko nopeaa ja helppoa. saatu spektrometrillä. Tällainen menetelmä on mahdollinen, koska mikä tahansa säteily voidaan esittää monokromaattisten säteiden seoksena, jonka tehot vastaavat tämän säteilyn spektrin vastaavan vyöhykkeen intensiteettiä.

Tarkastellaan nyt kahta näytettä, joita ennen fysiikka on luovuttanut, näyttäen eri spektrejä yksivärisille kohteille, käyttämällä tiettyjen koordinaattikaavojen spektrijakauman käyriä, mutta tässä käytetään kolmea käyrää). Tuloksena on kolme numeroa, R, G ja B, jotka ovat värikoordinaatteja CIE RGB -järjestelmässä, eli tämän järjestelmän kolmen säteilyn lukumäärä, joiden sekoitus on väriltään identtinen mitatun kanssa. Saamme kolme identtistä RGB-arvoa kahdelle näytteellemme, mikä vastaa identtistä värihavaintoa ja vahvistaa olettamuksemme siitä, että väri on tunne ja sitä voidaan mitata vain näköjärjestelmämme tai sen mallin avulla. kolme CIE RGB -järjestelmän tai jonkin muun käyrää, joiden erityiset koordinaatit tunnetaan (toinen tällainen järjestelmä, joka perustuu muihin pääväreihin, tarkastellaan yksityiskohtaisesti hieman myöhemmin). Käyttämällä CIE RGB -kolorimetriä mittaamaan näytteistä heijastuvaa valoa suoraan, eli tasaamalla visuaalisesti järjestelmän kolmen säteilyn seoksen väri kunkin näytteen väriin, saamme samat kolme RGB-koordinaattia.

On huomattava, että kolorimetrisissä järjestelmissä on tapana normalisoida perussäteilyn määrät siten, että R=G=B=1 vastaa järjestelmään omaksuttua valkoista väriä. CIE RGB -järjestelmässä tämä valkoinen väri on hypoteettisen tasaenergialähteen väri, joka säteilee tasaisesti kaikilla näkyvän spektrin aallonpituuksilla. Ilman tällaista normalisointia järjestelmä osoittautuu hankalaksi, koska sinisen lähteen kirkkaus on hyvin pieni - 4,5907:0,0601 vihreää vastaan, ja kaavioissa suurin osa väreistä "kiinnisi" kaavion siniselle akselille. Otettuamme käyttöön tällaisen normalisoinnin (vastaavasti 1:4,5907:0,0601 järjestelmän punaisille, vihreille ja sinisille säteille), siirrymme fotometrisistä yksiköistä kolorimetrisiin yksiköihin, mikä tekee tällaisesta järjestelmästä kätevämmän.

Huomaa, että CIE RGB -järjestelmä ei perustu mihinkään teoriaan. värinäkö, ja tiettyjen värikoordinaattien käyrät eivät ole spektriherkkyys kolme tyyppiä käpyjä ihmisen verkkokalvossa, koska ne tulkitaan usein väärin. Tällainen järjestelmä luopuu helposti verkkokalvon kartiopigmenttien ominaisuuksista ja ilman mitään tietoja monimutkaisimmat prosessit visuaalisen tiedon käsittely aivoissamme. Tämä puhuu tällaisen järjestelmän luoneiden tutkijoiden poikkeuksellisesta kekseliäisyydestä ja kaukonäköisyydestä huolimatta silloisista vähäisistä tiedoista ihmisen visuaalisen laitteen ominaisuuksista. Lisäksi CIE RGB -järjestelmä on väritieteen taustalla käytännössä ilman muutoksia, vaikka tiede on edistynyt valtavasti viime aikojen aikana.

On myös huomattava, että vaikka näyttö käyttää myös kolmea säteilijää värien toistoon, kuten CIE RGB -järjestelmä, näytön kolme värikomponenttiarvoa (RGB) eivät määritä tarkasti väriä, koska eri näytöt toistavat värit eri tavalla. melko suuri hajautus. , ja lisäksi monitorien pääpäästöt ovat melko erilaisia ​​kuin CIE RGB -järjestelmän pääpäästöt. Eli näytön RGB-arvoja ei pidä pitää jonkinlaisena absoluuttisina värimäärityksenä.

Paremman ymmärtämisen vuoksi on huomattava, että kun sanomme "säteily/lähde/aallonpituus/lamppu on vihreä", tarkoitamme todella, että "säteily/lähde/aallonpituus/lamppu saa sinut tuntemaan Vihreä väri". Näkyvä säteily on vain ärsyke näköjärjestelmämme kannalta, ja värit ovat seurausta tämän ärsykkeen havaitsemisesta, eikä väriominaisuuksia pitäisi lukea sähkömagneettisten aaltojen ansioksi. Esimerkiksi, kuten yllä olevassa esimerkissä, spektrin keltaisen alueen aaltoja ei esiinny, kun punaisia ​​ja vihreitä monokromaattisia säteitä sekoitetaan, vaan havaitsemme niiden sekoittumisen keltaiseksi.

Epätodelliset värit. CIE XYZ -järjestelmä

Vuonna 1931 Trinity Collegessa, Cambridgen yliopistossa (Iso-Britannia), CIE:n säännöllisessä kokouksessa Gild ja Wrightin tietoihin perustuva järjestelmä hyväksyttiin kansainväliseksi standardiksi. Myös amerikkalaisen Deane B. Juddin johtama tiedemiesryhmä ehdotti toista värimäärittelyjärjestelmää, jotta ei jäädä odottamaan seuraavaa komitean kokousta, joka pidetään aikaisintaan vuoden kuluttua. laskettu vasta kokousta edeltävänä iltana. Ehdotettu järjestelmä osoittautui niin käteväksi ja onnistuneeksi, että valiokunta hyväksyi sen ilman vakavaa keskustelua.

Ymmärtääkseen, minkä perusteella tällainen järjestelmä on luotu, väri on esitettävä vektorina, koska kahden tai useamman värin lisääminen noudattaa samoja sääntöjä kuin vektoreiden lisääminen (tämä ilmenee Grassmannin laeista). Esimerkiksi punaisen ja vihreän säteilyn sekoittamisen tulos voidaan esittää kahden vektorin summana, joiden pituus on verrannollinen näiden säteilyn kirkkauteen:

Seoksen kirkkaus on yhtä suuri kuin lisäämällä saadun vektorin pituus, ja väri riippuu käytettyjen säteilyjen kirkkauden suhteesta. Mitä enemmän suhde suosii yhtä pääväristä, sitä enemmän tuloksena oleva säteily on väriltään lähempänä tätä säteilyä:

Yritetään kuvata graafisesti värien sekoittumista CIE RGB -kolorimetrin luomiseen käytetyssä kolorimetrissä samalla tavalla. Kuten muistat, se käyttää kolmea säteilyä: punainen, vihreä ja sinisen väristä. Tämän kolmion väriä ei voida saada kahden muun summalla, joten näiden säteilyjen kaikki mahdolliset seokset on esitettävä kolmiulotteisessa avaruudessa, mikä ei estä meitä käyttämästä värinlisäyksen vektoriominaisuuksia Tämä tapaus:

Aina ei ole kätevää piirtää kolmiulotteisia kaavioita, joten usein käytetään yksinkertaistettua kuvaajaa, joka on kaikkien tarvittavien värien projektio kolmiulotteisen kaavion yhdelle tasolle (korostettu sinisellä):

Tällaisen värivektorin projektion tulos on piste kaaviossa, jonka akselit ovat kolmion sivut, jotka asetetaan CIE RGB -järjestelmän päävärien pisteillä:

Tällaisella pisteellä on koordinaatit tämän kolmion järjestelmässä etäisyyden muodossa mistä tahansa sen kahdesta sivusta (kolmas koordinaatti on tarpeeton, koska mikä tahansa kolmion piste voidaan määrittää kahdella etäisyydellä kärjestä tai sivuista). Tällaisen kolmion koordinaatteja kutsutaan värikoordinaateiksi, ja ne määrittävät väriparametrit kuten sävyn (sininen, syaani, vihreä jne.) ja kylläisyyden (harmaa, vaalea, kylläinen jne.). Koska olemme siirtyneet kolmiulotteisesta kaaviosta tasaiseen kaavioon, se ei salli kolmannen väriparametrin - kirkkauden - näyttämistä, mutta monissa tapauksissa riittää vain väriarvon määrittäminen.

Jotta ei menisi sekaan, korostamme erikseen, että koordinaatit värit- tämä on värivektorin lopun sijainti kolmiulotteisessa järjestelmässä, ja ne on merkitty isoilla kirjaimilla (esimerkiksi RGB, XYZ) ja koordinaatilla värikkyys- tämä on väripisteiden sijainti tasaisessa värikartassa, ja ne on merkitty pienet kirjaimet(rg, xy) ja kaksi niistä riittää.

Käyttämällä koordinaattijärjestelmää, jossa ei ole akseleita oikea kulma ei ole aina hankalaa, joten kolorimetriassa tällaista järjestelmää käytetään useammin kolme vektoria, jonka yksikkötaso muodostaa suorakulmainen kolmio. Sen kahta sivua lähellä oikeaa kulmaa käytetään kromaattisuuskaavion akseleina:

Laitetaan nyt kaikki mahdolliset värikkyydet sellaiseen kaavioon, jonka rajana tulee olemaan spektripuhtaiden säteilyjen viiva, jossa on magentan värisyyden viiva, jota usein kutsutaan locukseksi ja joka rajoittaa kaavion todellisten värien aluetta (punainen viiva) :

Magenta-kromaattisuuden viiva on spektrin äärimmäisen sinisen ja punaisen päiden säteilyn kromaattisuuksien välissä. Emme voi yhdistää violetteja värejä mihinkään spektrin vyöhykkeeseen, kuten voidaan tehdä mihinkään muuhun väriin, koska purppuran tunne syntyy sinisten ja punaisten säteiden samanaikaisesta vaikutuksesta näköjärjestelmäämme, eikä vain yhtä.

Merkittävä osa paikasta (vyöhykkeellä 380-546 nm) ylittää pääsäteilyn kromaattisuuden rajoittaman kolmion, eli sillä on negatiiviset värikoordinaatit, koska tätä osaa spektrisäteilystä ei voitu tasata CIE-kolorimetri. Tämä vastaa tiettyjen värikoordinaattien käyriä, joissa samalla spektrin osalla on negatiiviset koordinaatit (välillä 380-440 nm, nämä ovat pieniä arvoja, joita ei näy kaaviossa).

Negatiiviset väri- ja värikoordinaatit tekivät kolorimetrisistä laskelmista vaikean tehtävän: 1920- ja 1930-luvuilla suurin osa laskelmista tehtiin liukusäätimellä, ja kolorimetrisissä töissä laskelmien määrä on melko suuri.

Edellinen kaavio osoittaa, että kaikissa positiivisissa koordinaateissa on vain kolmion sisällä olevia värejä, jotka muodostavat tässä järjestelmässä käytettyjen perussäteilyn kromaattisuuden. Jos lokus olisi kolmion keskellä, kaikilla väreillä olisi positiiviset koordinaatit, mikä yksinkertaistaisi laskelmia huomattavasti. Mutta on täysin mahdotonta löytää paikasta sellaisia ​​kolmea pistettä, jotka voisivat sisältää sen itsessään, sen kuperan muodon vuoksi. Myöhemmin havaittiin, että syy tähän lokuksen muotoon piilee silmässämme olevien kolmen tyyppisten kartioiden spektriherkkyyden erityispiirteissä, jotka menevät päällekkäin ja mikä tahansa säteily virittää kartioita, jotka ovat vastuussa toisesta spektrin vyöhykkeestä. , mikä alentaa värikylläisyyttä.

Mutta entä jos menemme lokuksen ulkopuolelle ja käytämme värejä, joita ei voida toistaa ja nähdä, mutta joiden koordinaatteja voidaan helposti käyttää yhtälöissä todellisten värien koordinaattien kanssa? Koska olemme jo siirtyneet kokeista laskelmiin, mikään ei estä meitä käyttämästä tällaisia ​​epärealistisia värejä, koska kaikki värisekoituksen ominaisuudet säilyvät! Voimme käyttää mitä tahansa kolmea väriä, joiden kolmio voi sisältää todellisten värien paikan, ja voimme helposti piirtää monia tällaisia ​​epätodellisten päävärien kolmioita (sellainen kolmio on suositeltavaa rakentaa mahdollisimman tiukasti lokuksen ympärille, joten vähemmän tarpeettomia alueita kaaviossa):

Näin vapauden valittaessa uusien päävärien pisteitä tutkijat päättivät poimia tästä hyödyllisiä mahdollisuuksia uuteen kolmivärijärjestelmään. Esimerkiksi kyky määrittää fotometrinen kirkkaus suoraan luodun järjestelmän avulla ilman lisälaskelmia tai mittauksia (CIE RGB -järjestelmässä kirkkaus on laskettava), eli yhdistää se jotenkin vuoden 1924 fotometriseen standardiin.

Perustellaksemme kolmen uuden värin valinnan (muista, että ne ovat olemassa vain laskelmissa), jotka tiedemiehet lopulta valitsivat tätä varten, palataan kolmiulotteiseen värikoordinaattikaavioomme. Selvyyden ja ymmärtämisen helpottamiseksi käytämme tavallista suorakaiteen muotoista koordinaattijärjestelmää. Laitetaan sen päälle taso, jolla kaikilla väreillä on sama fotometrinen kirkkaus. Kuten muistat, punaisen, vihreän ja sinisen perussäteilyn yksikkökirkkaus CIE RGB -järjestelmässä on suhteessa 1: 4,5907: 0,0601, ja palatakseen fotometrisiin yksiköihin ne on otettava suhteessa 1/1 1/4,59 - 1/0, 0601, eli 1:0,22:17, mikä antaa meille väritason, jolla on sama fotometrinen kirkkaus CIE RGB -kolorimetrisessä järjestelmässä (tason leikkauspiste B- akseli on kuvan ulkopuolella paikassa 17):

Kaikilla väreillä, joiden koordinaatit ovat tällä tasolla, on sama fotometrinen kirkkaus. Jos kulutat yhdensuuntainen taso kaksi kertaa alhaisempi kuin edellinen (0,5:0,11:8,5), saamme värien sijainnin puolet kirkkaudesta:

Vastaavasti alle voit piirtää uuden, origon leikkaavan yhdensuuntaisen tason, jolle sijoitetaan kaikki värit, joiden kirkkaus on nolla, ja vielä alempana voit piirtää parillisia negatiivisen kirkkauden tasoja. Tämä saattaa tuntua absurdilta, mutta muista, että työskentelemme kolmivärijärjestelmän matemaattisen esityksen kanssa, jossa kaikki tämä on mahdollista yhtälöissä, joita käytämme.

Palataan tasaiseen kaavioon rg projisoimalla siihen nollakirkkauden taso. Projektio on nollakirkkauden viiva - alychna, joka ylittää origon:

Alychnessa on kromaattisuuksia, joilla ei ole kirkkautta, ja jos käytät siihen asetettua väriä väriyhtälössä (ei todellista, valovirtojen sekoituksella, mutta yhtälöissä, joissa tällaiset värit ovat mahdollisia), se ei vaikuta kirkkauteen. saadusta seoksesta. Jos asetamme kolmivärijärjestelmän kaksi väriä alychnelle, koko seoksen kirkkauden määrää vain yksi jäljellä oleva väri.

Haluan muistuttaa, että etsimme kolmen hypoteettisen värin värikoordinaatteja, jotka voivat tasata kaikkien todellisten säteilyjen värit käyttämättä negatiivisia arvoja (kolmion tulee sisältää koko lokus) ja samalla uusi järjestelmä sisällyttää fotometrisen kirkkausstandardin suoraan. Asettamalla kaksi väriä alychnelle (nimeltään X ja Z) ja kolmannen paikan yläpuolelle (Y), ratkaisemme molemmat ongelmat:

Todellisten värien lokus on täysin kolmiossa, jota rajoittaa kolme valittua väriä ja kirkkaus on siirtynyt kokonaan yhteen järjestelmän kolmesta komponentista - Y. Arvojen normalisoinnista ja mittausten luonne, Y-koordinaatti voi ilmaista kirkkauden suoraan kandeloina per m 2, prosenttiosuuden jonkin järjestelmän maksimikirkkaudesta (esim. näyttö), lähetysprosentin (esimerkiksi läpinäkyvät näytteet, diat) tai kirkkauden suhteessa johonkin standardiin (mitattaessa heijastavia näytteitä).

Muuntamalla tuloksena oleva kolmio suorakaiteen muotoiseksi, saamme monille tutun xy-värikaavion:

On muistettava, että xy-diagrammi on projektio järjestelmästä, jossa on pääXYZ-pisteet yksikkötasolle, samoin rg-diagrammi ja RGB-järjestelmä. Tämän kaavion avulla voit kätevästi havainnollistaa eri päästöjen värisävyjä, esimerkiksi eri laitteiden väriavaroita. Kaaviossa on yksi hyödyllinen omaisuus: kahden säteilyn seoksen värikoordinaatit sijaitsevat tiukasti kaaviossa näiden kahden säteilyn pisteet yhdistävällä viivalla. Siksi esimerkiksi näytön väriskaala tällaisessa kaaviossa on kolmio.

Xy-kaaviossa on myös yksi haittapuoli, joka pitää mielessä: yhtäläiset palkit kaavion eri alueilla eivät tarkoita samaa havaittua värieroa. Tätä havainnollistavat kaksi valkoista viivaa edellisessä kuvassa. Näiden segmenttien pituudet vastaavat saman värieron tunnetta, mutta segmentit eroavat pituudeltaan kolminkertaisesti.

Lasketaan tuloksena olevan järjestelmän tiettyjen värikoordinaattien käyrät, jotka näyttävät tarvittavan määrän kolmea pääväriä XYZ minkä tahansa yhden watin tehoisen monokromaattisen säteilyn yhtälölle:

Näemme, että käyrissä ei ole negatiivisia osia (mikä havaittiin RGB-järjestelmässä), mikä oli yksi XYZ-järjestelmän luomisen tavoitteista. Myös y-käyrä (y, jonka päällä on viiva) on täysin yhteneväinen ihmisen näön spektrivalotehokkuuden käyrän kanssa (sitä käsiteltiin edellä valopäästöjen kirkkauden määritelmää selitettäessä), joten Y-arvo määrittää värin. kirkkaus suoraan - se lasketaan samalla tavalla kuin fotometrinen kirkkaus samalta käyrältä. Tämä saavutetaan sijoittamalla järjestelmän kaksi muuta väriä kirkkauden nollatasolle. Siksi vuoden 1931 kolorimetrinen standardi sisältää vuoden 1924 fotometrisen standardin, mikä eliminoi tarpeettomat laskelmat tai mittaukset.

Nämä kolme käyrää määrittelevät standardin Colorimetric Observer -standardin, jota käytetään spektrimittausten kolorimetrisessä tulkinnassa ja joka on tukenut kaikkea väritiedettä lähes muuttumattomana tähän päivään asti. Vaikka XYZ-visuaalista kolorimetriä ei voi fyysisesti olla olemassa, sen ominaisuudet mahdollistavat erittäin tarkat värimittaukset ja se auttaa monia toimialoja toistamaan ja välittämään väritietoja ennustettavasti. Kaikki muut väritieteen saavutukset perustuvat XYZ-järjestelmään, esimerkiksi monille tuttu CIE L * a * b * -järjestelmä ja vastaavat sekä uusimmat järjestelmät CIECAM, jotka käyttävät nykyaikaisia ​​väriprofilointiohjelmia.

Tulokset

1. Tarkka työskentely värien kanssa edellyttää sen mittaamista, joka on yhtä välttämätöntä kuin pituuden tai painon mittaaminen.
2. Valon säteilyn havaitun kirkkauden (yksi visuaalisen aistin ominaisuuksista) mittaaminen on mahdotonta ottamatta huomioon näköjärjestelmämme ominaisuuksia, jotka on tutkittu menestyksekkäästi ja sisällytetty kaikkiin fotometrisiin suureisiin (kandela, luumen, luksi). spektriherkkyytensä käyrän muodossa.
3. Yksinkertainen tutkittavan valon spektrin mittaus ei sinänsä anna vastausta kysymykseen sen väristä, koska on helppo löytää erilaisia ​​spektrejä, jotka koetaan yhtenä värinä. Eri suuret, jotka ilmaisevat samaa parametria (tapauksessamme väri), osoittavat tällaisen määritysmenetelmän epäonnistumisen.
4. Väri on seurausta valon (väriärsykkeen) havaitsemisesta mielessämme, ei tämän säteilyn fyysinen ominaisuus, joten tämä tunne on mitattava jollain tavalla. Mutta ihmisen tunteiden suora mittaus ei ole mahdollista (tai se ei ollut mahdollista tässä kuvattujen kolorimetristen järjestelmien luomisen aikana).
5. Tämä ongelma kierrettiin visuaalisella (henkilön osallistuessa) tasoittamalla tutkitun säteilyn väri sekoittamalla kolme säteilyä, joiden määrät seoksessa ovat värin haluttu numeerinen ilmaisu. Yksi tällaisen kolmen säteilyn järjestelmistä on CIE RGB.
6. Tasoitettuaan kokeellisesti tällaisen järjestelmän avulla kaikki monokromaattiset säteilyt erikseen, he saavat (joidenkin laskelmien jälkeen) tämän järjestelmän erityiset koordinaatit, jotka osoittavat sen säteilyn tarvittavat määrät minkä tahansa teholtaan yhden monokromaattisen säteilyn väriyhtälölle. wattia.
7. Tietäen tietyt koordinaatit on mahdollista laskea tutkitun säteilyn värikoordinaatit sen spektrikoostumuksesta ilman henkilön visuaalista värien tasoitusta.
8. CIE XYZ -järjestelmä luotiin CIE RGB -järjestelmän matemaattisilla muunnoksilla ja perustuu samoihin periaatteisiin - mikä tahansa väri voidaan määrittää tarkasti kolmen säteilyn lukumäärällä, joiden seoksen henkilö havaitsee väriltään samanlaisena. Suurin ero XYZ-järjestelmässä on, että sen tärkeimpien "päästöjen" väri on olemassa vain kolorimetrisissä yhtälöissä, ja niitä on fyysisesti mahdotonta saada.
9. Tärkein syy XYZ-järjestelmän luomiseen on laskelmien helpottaminen. Kaikkien mahdollisten valopäästöjen väri- ja värikoordinaatit ovat positiivisia. Myös Y-värikoordinaatti ilmaisee suoraan ärsykkeen fotometrisen kirkkauden.

Johtopäätös

IT-ammattilaisia ​​lähimmät osa-alueet, jotka perustuvat tässä artikkelissa kuvattuihin periaatteisiin ja järjestelmiin, ovat kuvankäsittely ja niiden jäljentäminen eri tavoin: valokuvauksesta web-suunnitteluun ja painatukseen. Värinhallintajärjestelmät toimivat suoraan kolorimetristen järjestelmien ja värimittaustulosten kanssa, mikä mahdollistaa ennustettavan värintoiston monin eri tavoin. Mutta tämä aihe on jo tämän artikkelin ulkopuolella, koska se vaikuttaa väriteorian perusnäkökohtiin, ei värien toistoon.

Tämä aihe ei pyri antamaan tyhjentävää ja täydellistä tietoa esiin nostetusta aiheesta, vaan se on vain "kuva herättämään huomiota" IT-asiantuntijoille, joista monet ovat yksinkertaisesti velvollisia ymmärtämään väritieteen perusteet. Ymmärtämisen helpottamiseksi paljon tässä on yksinkertaistettu tai mainittu ohimennen, joten annan luettelon lähteistä, jotka kiinnostavat niitä, jotka haluavat tutustua väriteoriaan yksityiskohtaisemmin (kaikki kirjat löytyvät verkosta):
candela fotometria Lisää tunnisteita

Sivu 1

Kromaattisuuskoordinaatit kuvaavat tiettyä väriä. Nämä koordinaatit eivät kuitenkaan määritä maalatun kohteen vaaleutta. Jos esimerkiksi kaksinkertaistamme jotakin värillistä pintaa kuvaavan spektriheijastuskäyrän ordinaatit, niin värikoordinaatit X, Y, Z kasvavat vastaavasti, mutta värikoordinaatit x, y, z pysyvät ennallaan.

Kromaattisuuskoordinaatit lasketaan kolmion sivulta, joka sijaitsee vastapäätä sitä kärkeä, johon tätä koordinaattia vastaava pääväri on sijoitettu.

Z-kromaattisuuden koordinaattia ei yleensä määritellä.

Kromaattisuuskoordinaatit määrittelevät tietyn värin väriavaruuden poikkileikkaustasossa.

Kromaattisuuskoordinaatit (kolmivärikertoimet) x ja y muodostavat karteesisen koordinaattijärjestelmän.

Värin D kromaattisuuskoordinaatit XYZ-järjestelmässä löytyvät sen kautta.

Todellisissa olosuhteissa havaittujen valosignaalien kromaattisuuskoordinaatit määräytyvät paitsi tietyssä valosignaalilaitteessa tai signaalilaitteessa käytettyjen valonlähteiden ja suodattimien spektriominaisuuksien perusteella, myös ottamalla huomioon mahdolliset muutokset ilmakehän spektriominaisuuksissa. kerrokset, joiden läpi valosignaalia kuljettava säteily kulkee. Signaalikuvioiden osalta on lisäksi tarpeen ottaa huomioon värikoordinaattien muutokset, kun näitä lukuja tarkastellaan pienissä kulmissa.

Siksi tämän järjestelmän värikoordinaateilla ja erityiskoordinaateilla on vain positiivisia arvoja, mikä yksinkertaistaa värilaskelmia.

Ilmaistaan ​​värikoordinaatit k, z, s (2 - 72) kanavien ke, ze, ce suhteellisilla hyötysuhteilla.

Kromaattisuuskoordinaatit voidaan mitata VNISI:n kehittämällä universaalilla valosähköisellä kolorimetrillä. Jälkimmäisen kolorimetrisen pään sisällä on seleenivalokenno ja kaksi pyörivää kiekkoa. Jokaisessa levyssä on viisi reikää. Ensimmäisen levyn kolme reikää (se toimii värikoordinaattien mittaamisessa) peitetään x-, y-, z-suodattimilla, neljäs on vapaa ja viides on peitetty näytöllä. Näyttöä käytetään valokennon peittämiseen, kun tarkistetaan sen galvanometrin nollapiste, johon valokenno on kytketty. Suodattimen käyttöönoton myötä kaikki valomittaukset tehdään. Toinen levy on suunniteltu mittaamaan lähteen värilämpötilaa. Tämän levyn kolme reikää on peitetty punaisella, vihreällä ja sinisellä valosuodattimella, yksi on vapaa ja yksi on peitetty ristikolla.

Ja spektrivärien kromaattisuuskoordinaatit r, g b on kuvattu graafisilla sekoituskäyrillä. Jos päävärit R, G, B todella ovat olemassa, niin sekoituskäyrät ovat varten yksittäisiä osia spektrin negatiiviset arvot, koska kahden tai kolmen päävärin summa antaa värin vähemmän kylläisen kuin spektrivärit, kuten edellä mainittiin. Pääväreiksi voit valita ehdolliset, ei todelliset, mutta laskelmissa kätevät päävärit, jotta koko spektrin sekoituskäyrillä ei ole negatiivisia arvoja. Näitä käyriä kutsutaan perusherätteiden summakäyriksi.

Jotka syntyvät kuvien kanssa työskennellessä, ja monet muut aiheet, esimerkiksi kuvankäsittelyn aihe, vaikuttavat tavalla tai toisella värien ja värien toiston kysymyksiin. Mutta valitettavasti useimmat näistä artikkeleista kuvaavat värin käsitettä ja sen toiston piirteitä erittäin pinnallisesti tai tekevät hätiköityjä johtopäätöksiä tai jopa virheitä. Erikoisfoorumeilla olevien artikkeleiden ja kysymysten määrä tarkan värintoiston käytännön näkökohdista sekä monet virheelliset yritykset vastata näihin kysymyksiin jopa kokeneiden asiantuntijoiden toimesta viittaavat siihen, että värien kanssa työskentelyssä esiintyy ongelmia melko usein ja että on löydettävä perusteltu ja selkeä. niihin on vaikea vastata.

Useimpien IT-asiantuntijoiden riittämätön tai virheellinen tieto värintoistosta selittyy mielestäni sillä, että väriteorian opiskeluun käytetään vain vähän aikaa, koska sen perusteet ovat petollisen yksinkertaiset: koska verkkokalvolla on kolmenlaisia ​​kartioita, tiettyjen kolmen värin sekoittaminen voi ilman ongelmia saada koko sateenkaari värien, minkä vahvistaa joidenkin ohjelmien RGB- tai CMYK-säätimet. Useimmille tämä näyttää riittävän, ja heidän tiedonhalunsa tällä alalla päättyy. Mutta kuvien hankinta-, luonti- ja toistoprosessit valmistavat sinut moniin vivahteisiin ja mahdollisiin ongelmiin, joita väriteorian ymmärtäminen ja sen perustana olevat prosessit auttavat ratkaisemaan. Tämä aihe on tarkoitettu täyttämään tietovaje väritieteen alalla, ja siitä on hyötyä useimmille suunnittelijoille, valokuvaajille, ohjelmoijille ja toivottavasti muille IT-asiantuntijoille.

Yritä vastata seuraaviin kysymyksiin:

• miksi fysiikka ei voi määritellä värin käsitettä?
• Mikä seitsemästä SI-perusyksiköstä perustuu ihmisen näköjärjestelmän ominaisuuksiin?
• Mikä värisävy ei kuulu spektriin?
• Miten oli mahdollista mitata ihmisen värihavaintoa 90 vuotta sitten?
• missä käytetään värejä, joilla ei ole kirkkautta?

Jos et löytänyt vastausta edes yhteen kysymykseen, suosittelen katsomaan kissan alta, josta löydät vastaukset kaikkiin näihin kysymyksiin.

Värin käsitteen määritelmä. Hänen ulottuvuutensa

Tiedämme kaikki, että tiede ei tule toimeen ilman mittauksia ja mittayksiköitä, eikä väritiede ole poikkeus. Siksi yritämme ensin määritellä värin käsitteen, ja tämän määritelmän perusteella yritämme löytää tapoja mitata sitä.

Kukaan ei tule yllättymään kuullessaan, että havaitsemme värit silmiemme avulla, jotka tätä tarkoitusta varten vangitsevat ympärillämme olevan maailman valon. Valo on sähkömagneettista säteilyä aallonpituusalueella 390-740 nm (silmälle näkyvissä), joten yritetään löytää avain värin mittaamiseen näiden säteiden ominaisuuksista, olettaen, että väri on sisään tulleen valon ominaisuuksia. meidän silmämme. Tämä ei ole millään tavalla ristiriidassa ajatuksemme kanssa: silmiin tuleva valo saa ihmisen havaitsemaan värin.

Fysiikka tuntee ja voi helposti mitata sellaiset valon parametrit kuin teho ja sen spektrikoostumus (eli tehon jakautuminen aallonpituuksille - spektri). Mittaamalla esimerkiksi sinisiltä ja punaisilta pinnoilta heijastuneen valon spektriä näemme, että olemme oikeilla jäljillä: tehonjakokäyrät vaihtelevat merkittävästi, mikä vahvistaa olettamuksemme, että väri on näkyvän säteilyn ominaisuus, koska nämä pinnat ovat erivärisiä. Ensimmäinen meitä odottava vaikeus on tarve tallentaa vähintään 35 spektrin numeerista arvoa (näkyvä aallonpituusalue 390-740 nm askeleella 10 nm) yhden värin kuvaamiseksi. Ennen kuin alamme edes miettiä tapoja ratkaista tämä pieni ongelma, huomaamme, että joidenkin väriltään identtisten näytteiden spektrit käyttäytyvät oudosti (punainen ja vihreä kaavio):

Näemme, että spektrit eroavat merkittävästi näytteiden erehtymättömän identtisestä väristä huolimatta (tässä tapauksessa harmaa; tällaista kahta säteilyä kutsutaan metameeriseksi). Näiden näytteiden väriaistimuksen muodostumiseen vaikuttaa vain niistä heijastuva valo (jätämme tässä väliin taustavärin vaikutuksen, silmän valaistukseen sopeutumistason ja muut pienet tekijät), koska sen spektri jakelu on kaikki, mitä näytteidemme fyysiset mittaukset voivat antaa meille. Tässä tapauksessa kaksi merkittävästi erilaista spektrijakaumaa määrittelevät saman värin.

Otetaan toinen esimerkki värin spektrikuvauksen ongelmasta. Tiedämme, että näkyvän spektrin jokaisen osan säteet ovat meille värjätty tietyllä värillä: sinisestä 400 nm:n alueella sinisestä, vihreästä, keltaisesta, oranssista punaiseen, jonka aallonpituus on 650 nm ja enemmän. Keltainen on jossain alueella 560-585 nm. Mutta voimme valita sellaisen punaisen ja vihreän säteilyn seoksen, joka koetaan keltaiseksi huolimatta siitä, että säteilyä ei ole täydellisesti "keltaisella" alueella 560-585 nm.

Osoittautuu, että mitkään fysikaaliset parametrit eivät voi selittää värin identiteettiä ensimmäisessä tilanteessa ja säteiden keltaisen värin esiintymistä toisessa tilanteessa. Outo tilanne? Missä teimme virheen?

Spektrimittauskokeessa oletimme värin olevan säteilyn ominaisuus, mutta tuloksemme kumoavat tämän, koska spektrin ulkopuolella oli erilaisia ​​valonsäteitä, jotka koetaan samana värinä. Jos oletuksemme olisi oikea, jokainen havaittava muutos spektrikäyrässä aiheuttaisi havaitun värimuutoksen, jota ei havaita. Koska etsimme nyt tapoja mitata väriä ja olemme nähneet, että spektrien mittaamista ei voida kutsua värimittaukseksi, meidän on etsittävä muita tapoja, joilla tämä on mahdollista.

Itse asiassa ensimmäisessä tapauksessa suoritettiin kaksi koetta: yksi spektrometrillä, joka johti kahteen kuvaajaan, ja toinen henkilön näytteiden visuaalinen vertailu. Ensimmäinen tapa mittaa spektrinen koostumus valo ja toinen tulitikut Tunne ihmisen mielessä. Ottaen huomioon, että ensimmäinen menetelmä ei sovi meille, yritetään käyttää henkilöä mittaamaan väriä olettaen, että väri on tunne, jonka ihminen kokee, kun valoa kohdistetaan hänen silmiinsä. Mutta kuinka mitata ihmisen tunteita, ymmärtäen tämän käsitteen monimutkaisuuden ja epävarmuuden? Älä tarjoa elektrodeja aivoihin tai enkefalogrammiin, koska tällaiset menetelmät eivät vieläkään tarjoa tarvittavaa tarkkuutta niin hienovaraiselle käsitteelle kuin väri. Lisäksi tämä ongelma ratkaistiin menestyksekkäästi 1900-luvun 20-luvulla ilman, että useimpia nykytekniikoita oli saatavilla.

Kirkkaus

Ensimmäinen ongelma, jonka ratkaisemiseksi tuli tarpeen ilmaista ihmisen visuaaliset tuntemukset numeerisesti, oli tehtävä valonlähteiden kirkkauden mittaaminen. Lamppujen säteilytehon mittaus (eli säteilyteho jouleina tai watteina, ei kulutettu sähköteho) ei vastannut tähän kysymykseen, koska ensinnäkin henkilö ei näe säteilyä, jonka aallonpituus on alle 380 tai enemmän. yli 780 nm, joten tämän alueen ulkopuolella oleva säteily ei vaikuta lähteen kirkkauteen. Toiseksi, kuten olemme jo nähneet spektrien kanssa, värin (ja kirkkauden) havaitseminen on monimutkaisempi prosessi kuin pelkkä silmiimme tulevan valon ominaisuuksien korjaaminen: ihmisen näkö on herkempi joillekin spektrin alueille ja vähemmän. muille. Esimerkiksi vihreä säteily on paljon kirkkaampaa kuin samantehoinen sininen säteily. On selvää, että valonlähteiden kirkkauden numeerisen ilmaisun ongelman ratkaisemiseksi on tarpeen kvantifioida ihmisen näköjärjestelmän herkkyys spektrin kaikille yksittäisille aallonpituuksille, joita voidaan sitten käyttää laskemaan kunkin valon aallonpituuden vaikutus. lähteestä sen kokonaiskirkkauteen. Kuten yllä esiin nostettu värinmittausongelma, myös tämä tiivistyy tarpeeseen mitata henkilön kirkkausaistimus.

Jokaisen aallonpituuden säteilyn kirkkauden tunnetta voitiin mitata vertaamalla visuaalisesti säteilyn kirkkautta henkilön tunnettuihin voimiin. Tämä on melko yksinkertaista: säätämällä säteilyn intensiteettiä sinun on tasattava kahden monokromaattisen (mahdollisimman kapea spektrin) virran kirkkaus mittaamalla samalla niiden tehot. Esimerkiksi monokromaattisen säteilyn, jonka aallonpituus on 555 nm, kirkkauden tasaamiseksi yhden watin teholla, tulisi käyttää kahden watin säteilyä, jonka aallonpituus on 512 nm. Eli näköjärjestelmämme on kaksi kertaa herkempi ensimmäiselle säteilylle. Käytännössä tulosten suuren tarkkuuden vuoksi suoritettiin monimutkaisempi koe, mutta tämä ei muuta sanotun olemusta (prosessi on kuvattu yksityiskohtaisesti vuoden 1923 alkuperäisessä tieteellisessä työssä). Tällaisten kokeiden sarjan tulos koko näkyvälle alueelle on spektrinen valotehokkuuskäyrä (löydät myös nimen "näkyvyyskäyrä"):

Aallonpituudet piirretään X-akselia pitkin ja ihmisen visuaalisen järjestelmän suhteellinen herkkyys vastaavaan aallonpituuteen piirretään Y-akselia pitkin.

Kun sinulla on laite, jolla on sama spektriherkkyys, voit helposti määrittää haluttujen valopäästöjen kirkkauden. Juuri tällaisen käyrän alla eri fotometrien, luksimittareiden ja muiden laitteiden herkkyyttä säädetään huolellisesti, minkä työssä on tärkeää määrittää henkilön havaitsema kirkkaus. Mutta tällaisten laitteiden herkkyys on aina vain likiarvo ihmisen spektrin valotehokkuuskäyrästä, ja tarkempiin kirkkauden mittauksiin käytetään kiinnostavan valonlähteen spektrijakaumaa.

Spektrijakauma saadaan jakamalla säteily kapeisiin spektrivyöhykkeisiin ja mittaamalla kunkin teho erikseen. Voimme pitää lähteemme kirkkautta kaikkien näiden spektrivyöhykkeiden kirkkauden summana, ja tätä varten määritämme kunkin niistä kirkkauden (kaava niille, jotka eivät ole kiinnostuneita lukemaan selityksiäni sormilla): me kerro mitattu teho tätä aallonpituutta vastaavalla visuaalisen järjestelmämme herkkyydellä (edellisen kaavion y- ja x-akselit, vastaavasti). Laskemalla yhteen tällä tavalla saatujen spektrin kaikkien vyöhykkeiden luminanssit, saamme ensisijaisen säteilymme kirkkauden fotometrisinä yksiköinä, jotka antavat tarkan käsityksen tiettyjen kohteiden havaitusta kirkkaudesta. Yksi fotometrisistä yksiköistä sisältyy Basic SI -yksiköihin - candela, joka määritetään spektrin valotehokkuuskäyrän kautta eli ihmisen näköjärjestelmän ominaisuuksien perusteella. Kansainvälinen valaistuskomissio (lyhenne CIE löytyy Neuvostoliiton kirjallisuudesta) tai CIE - Commission Internationale de l "Éclairage" hyväksyi ihmisen näköjärjestelmän suhteellisen herkkyyskäyrän kansainväliseksi standardiksi vuonna 1924.

CIE RGB-järjestelmä

Mutta spektrinen valotehokkuuskäyrä antaa meille käsityksen vain valosäteilyn kirkkaudesta, ja voimme nimetä sen muita ominaisuuksia, esimerkiksi kylläisyyden ja sävyn, joita sen avulla ei voida ilmaista. Muuten, kuinka kirkkautta mitataan, tiedämme nyt, että vain henkilö voi "mittaa" värin suoraan (älä unohda, että väri on tunne) tai jonkin hänen reaktiomallinsa, kuten spektrisen valotehokkuuden käyrän, jonka avulla voit ilmaisevat numeerisesti kirkkauden tuntemuksia. Oletetaan, että värin mittaamiseksi on tarpeen luoda kokeellisesti henkilön avulla, analogisesti valotehokkuuskäyrän kanssa, tietty järjestelmä, joka näyttää visuaalisen järjestelmän värivasteen kaikille mahdollisille spektrijakauman vaihtoehdoille. valosta.

Yksi valonsäteiden ominaisuus on tunnettu pitkään (itse asiassa tämä on näköjärjestelmämme ominaisuus): jos sekoitat kaksi eriväristä säteilyä, voit saada värin, joka on täysin erilainen kuin alkuperäinen. Esimerkiksi ohjaamalla tietyn voimakkuuden vihreää ja punaista valoa valkoiselle paperiarkille yhdessä kohdassa, saat puhtaan keltaisen täplän ilman vihreiden tai punaisten sävyjen epäpuhtauksia. Kun lisäät kolmannen säteilyn, ja sininen sopii paremmin olemassa oleviin kahteen (koska sitä ei ole mahdollista saada punaisen ja vihreän sekoituksella), saadaan järjestelmä, jonka avulla voimme saada monia värejä.

Jos tasoitamme visuaalisesti jonkin verran testisäteilyä tällaisessa laitteessa, saamme kolme indikaattoria: punaisen, vihreän ja sinisen säteilijän intensiteetti, vastaavasti (kuten esimerkiksi lamppuihin syötetty jännite). Toisin sanoen värejä toistavan laitteemme (kutsutaan visuaaliseksi kolorimetriksi) ja visuaalisen järjestelmämme avulla onnistuimme saamaan numeeriset arvot tietyn säteilyn värille, johon pyrimme. Näitä kolmea merkitystä kutsutaan usein värikoordinaatit, koska on kätevää esittää ne kolmiulotteisen avaruuden koordinaatteina.

Samanlaisia ​​kokeita suorittivat 1920-luvulla itsenäisesti tutkijat John Guild ja David Wright. Wright käytti pääsäteilynä punaisen, vihreän ja sinisen monokromaattista säteilyä aallonpituuksilla 650, 530 ja 460 nm, kun taas Guild käytti monimutkaisempaa (ei-monokromaattista) säteilyä. Huolimatta merkittävistä eroista käytetyissä laitteissa ja siitä, että data oli keskiarvotettu vain 17 normaalin näön omaavalta havainnolta (10 Wrightilla ja 7 Guildilla), molempien tutkijoiden lopputulokset olivat hyvin lähellä toisiaan, mikä osoittaa suurta tarkkuutta. tutkijoiden suorittamista mittauksista. Kaavamaisesti mittausmenettely on esitetty kuvassa:

Kolmen lähteen säteilyn seos heijastetaan näytön yläosaan ja tutkittu säteily heijastetaan alaosaan, ja kokeeseen osallistuja näkee ne samanaikaisesti verhossa olevan reiän läpi. Tutkija asettaa osallistujalle tehtävän tasata väriä laitteen kenttien välillä ja samalla ohjaa tutkittavan säteilyn alempaan kenttään. Osallistuja säätää kolmen säteilyn tehoa, kunnes hän onnistuu, ja tutkija kirjaa kolmen lähteen intensiteetin.

Useissa tapauksissa ei ole mahdollista tasata tiettyjä monokromaattisia säteilyjä tällaisessa kokeessa: testikenttä kolmen säteilysäätimen missä tahansa kohdassa pysyy kyllästetympänä kuin käytetty seos. Mutta koska kokeen tarkoituksena on saada värikoordinaatit, ei toistaa sitä, tutkijat menivät temppuun: he sekoittivat laitteen yhtä pääsäteilyä ei kahden muun kanssa, vaan ohjasivat sen alempaan. osa näytöstä, eli he sekoittivat sen testisäteilyyn:

Edelleen tasaus suoritetaan tavalliseen tapaan, mutta säteilyn määrä, joka sekoittuu tutkittuun, katsotaan negatiiviseksi. Tässä voidaan vetää analogia etumerkin vaihtamiseen siirrettäessä lukua tavallisen yhtälön toiseen osaan: koska kolorimetrinäytön kahden osan välille muodostuu visuaalinen tasa-arvo, sen yläosaa voidaan pitää yhtälön yhtenä osana, ja alaosa kuin toinen.

Molemmat tutkijat tekivät visuaalisia mittauksia kaikista yksittäisistä monokromaattisista päästöistä näkyvässä spektrissä. Tutkiessaan näkyvän spektrin ominaisuuksia tällä tavalla, tiedemiehet olettivat, että heidän tuloksiaan voitaisiin käyttää kuvaamaan mitä tahansa muuta säteilyä. Tiedemiehet toimivat kolmen riippumattoman säteilyn tehoilla ja sarjan tällaisten kokeiden tulos on kolme käyrää, ei yksi, kuten tehtiin valotehokkuuskäyrää luotaessa.

Kätevän ja monipuolisen värispesifikaatiojärjestelmän luomiseksi CIE-komitea laski Gildin ja Wrightin mittaustiedoista keskiarvon laskemalla tiedot uudelleen perussäteilykolmiolle, jonka aallonpituudet ovat 700, 546,1 ja 435,8 nm (punainen, vihreä ja sininen, punainen, vihreä). , sininen - RGB). Sellaisen keskimääräisen järjestelmän pääsäteilyn kirkkauden tunteminen, jota tarvitaan valkoisen värin toistamiseen (vastaavasti 1: 4,5907: 0,0601 punaisille, vihreille ja sinisille säteille, joka määritettiin kokeellisesti myöhemmän uudelleenlaskennan kanssa) ja käyttämällä spektriä Tehokkuuskäyrä, CIE:n jäsenet laskivat tiettyjen värikoordinaattien käyrät, jotka osoittavat tämän järjestelmän kolmen pääsäteilyn vaaditun määrän minkä tahansa yhden watin tehoisen monokromaattisen säteilyn yhtälölle:

Aallonpituudet piirretään X-akselia pitkin ja vaaditut määrät kolmesta säteilystä, jotka tarvitaan vastaavan aallonpituuden aiheuttaman värin toistamiseen, piirretään Y-akselia pitkin. Kaavioiden negatiiviset osat vastaavat niitä monokromaattisia päästöjä, joita järjestelmässä käytetyt kolme pääemissiota ei pysty toistamaan, ja niiden määrittämiseksi on turvauduttava säädettäessä yllä kuvattuun temppuun.

Tällaisen järjestelmän rakentamiseksi voimme valita mitkä tahansa muut kolme säteilyä (muistaen, että yhtäkään niistä ei pitäisi toistaa kahden muun sekoituksella), mikä antaa meille muita erityisiä käyriä. CIE RGB -järjestelmään valitut pääsäteilyt toistavat suuren määrän spektrisäteilyä, ja sen ominaiskäyrät saadaan suurella tarkkuudella ja standardoituina.

Tiettyjen värikoordinaattien käyrät poistavat tarpeen käyttää hankalaa visuaalista kolorimetriä, jonka visuaalinen säätö on hidasta, jotta saadaan värikoordinaatteja ihmisen kanssa, ja ne voidaan laskea vain säteilyn spektrijakaumasta, mikä on melko nopeaa ja helppoa. saatu spektrometrillä. Tällainen menetelmä on mahdollinen, koska mikä tahansa säteily voidaan esittää monokromaattisten säteiden seoksena, jonka tehot vastaavat tämän säteilyn spektrin vastaavan vyöhykkeen intensiteettiä.

Tarkastellaan nyt kahta näytettä, joita ennen fysiikka on luovuttanut, näyttäen eri spektrejä yksivärisille kohteille, käyttämällä tiettyjen koordinaattikaavojen spektrijakauman käyriä, mutta tässä käytetään kolmea käyrää). Tuloksena on kolme numeroa, R, G ja B, jotka ovat värikoordinaatteja CIE RGB -järjestelmässä, eli tämän järjestelmän kolmen säteilyn lukumäärä, joiden sekoitus on väriltään identtinen mitatun kanssa. Saamme kolme identtistä RGB-arvoa kahdelle näytteellemme, mikä vastaa identtistä värihavaintoa ja vahvistaa olettamuksemme siitä, että väri on tunne ja sitä voidaan mitata vain näköjärjestelmämme tai sen mallin avulla. kolme CIE RGB -järjestelmän tai jonkin muun käyrää, joiden erityiset koordinaatit tunnetaan (toinen tällainen järjestelmä, joka perustuu muihin pääväreihin, tarkastellaan yksityiskohtaisesti hieman myöhemmin). Käyttämällä CIE RGB -kolorimetriä mittaamaan näytteistä heijastuvaa valoa suoraan, eli tasaamalla visuaalisesti järjestelmän kolmen säteilyn seoksen väri kunkin näytteen väriin, saamme samat kolme RGB-koordinaattia.

On huomattava, että kolorimetrisissä järjestelmissä on tapana normalisoida perussäteilyn määrät siten, että R=G=B=1 vastaa järjestelmään omaksuttua valkoista väriä. CIE RGB -järjestelmässä tämä valkoinen väri on hypoteettisen tasaenergialähteen väri, joka säteilee tasaisesti kaikilla näkyvän spektrin aallonpituuksilla. Ilman tällaista normalisointia järjestelmä osoittautuu hankalaksi, koska sinisen lähteen kirkkaus on hyvin pieni - 4,5907:0,0601 vihreää vastaan, ja kaavioissa suurin osa väreistä "kiinnisi" kaavion siniselle akselille. Otettuamme käyttöön tällaisen normalisoinnin (vastaavasti 1:4,5907:0,0601 järjestelmän punaisille, vihreille ja sinisille säteille), siirrymme fotometrisistä yksiköistä kolorimetrisiin yksiköihin, mikä tekee tällaisesta järjestelmästä kätevämmän.

On huomattava, että CIE RGB -järjestelmä ei perustu mihinkään värinäön teoriaan, eivätkä tiettyjen värikoordinaattien käyrät ole kolmen tyyppisten ihmisen verkkokalvon kartioiden spektriherkkyys, koska ne tulkitaan usein virheellisesti. Tällainen järjestelmä luopuu helposti verkkokalvon kartiopigmenttien ominaisuuksista ja ilman tietoja aivomme monimutkaisimmista visuaalisen tiedon käsittelyprosesseista. Tämä puhuu tällaisen järjestelmän luoneiden tutkijoiden poikkeuksellisesta kekseliäisyydestä ja kaukonäköisyydestä huolimatta silloisista vähäisistä tiedoista ihmisen visuaalisen laitteen ominaisuuksista. Lisäksi CIE RGB -järjestelmä on väritieteen taustalla käytännössä ilman muutoksia, vaikka tiede on edistynyt valtavasti viime aikojen aikana.

On myös huomattava, että vaikka näyttö käyttää myös kolmea säteilijää värien toistoon, kuten CIE RGB -järjestelmä, näytön kolme värikomponenttiarvoa (RGB) eivät määritä tarkasti väriä, koska eri näytöt toistavat värit eri tavalla. melko suuri hajautus. , ja lisäksi monitorien pääpäästöt ovat melko erilaisia ​​kuin CIE RGB -järjestelmän pääpäästöt. Eli näytön RGB-arvoja ei pidä pitää jonkinlaisena absoluuttisina värimäärityksenä.

Paremman ymmärtämisen vuoksi on huomattava, että kun sanomme "säteily/lähde/aallonpituus/lamppu on vihreä", tarkoitamme todella, että "säteily/lähde/aallonpituus/lamppu saa sinut tuntemaan Vihreä väri". Näkyvä säteily on vain ärsyke näköjärjestelmämme kannalta, ja värit ovat seurausta tämän ärsykkeen havaitsemisesta, eikä väriominaisuuksia pitäisi lukea sähkömagneettisten aaltojen ansioksi. Esimerkiksi, kuten yllä olevassa esimerkissä, spektrin keltaisen alueen aaltoja ei esiinny, kun punaisia ​​ja vihreitä monokromaattisia säteitä sekoitetaan, vaan havaitsemme niiden sekoittumisen keltaiseksi.

Epätodelliset värit. CIE XYZ -järjestelmä

Vuonna 1931 Trinity Collegessa, Cambridgen yliopistossa (Iso-Britannia), CIE:n säännöllisessä kokouksessa Gild ja Wrightin tietoihin perustuva järjestelmä hyväksyttiin kansainväliseksi standardiksi. Myös amerikkalaisen Deane B. Juddin johtama tiedemiesryhmä ehdotti toista värimäärittelyjärjestelmää, jotta ei jäädä odottamaan seuraavaa komitean kokousta, joka pidetään aikaisintaan vuoden kuluttua. laskettu vasta kokousta edeltävänä iltana. Ehdotettu järjestelmä osoittautui niin käteväksi ja onnistuneeksi, että valiokunta hyväksyi sen ilman vakavaa keskustelua.

Ymmärtääkseen, minkä perusteella tällainen järjestelmä on luotu, väri on esitettävä vektorina, koska kahden tai useamman värin lisääminen noudattaa samoja sääntöjä kuin vektoreiden lisääminen (tämä ilmenee Grassmannin laeista). Esimerkiksi punaisen ja vihreän säteilyn sekoittamisen tulos voidaan esittää kahden vektorin summana, joiden pituus on verrannollinen näiden säteilyn kirkkauteen:

Seoksen kirkkaus on yhtä suuri kuin lisäämällä saadun vektorin pituus, ja väri riippuu käytettyjen säteilyjen kirkkauden suhteesta. Mitä enemmän suhde suosii yhtä pääväristä, sitä enemmän tuloksena oleva säteily on väriltään lähempänä tätä säteilyä:

Yritetään kuvata graafisesti värien sekoittumista CIE RGB -kolorimetrin luomiseen käytetyssä kolorimetrissä samalla tavalla. Kuten muistat, se käyttää kolmea punaista, vihreää ja sinistä säteilyä. Tämän kolmion väriä ei voida saada kahden muun summalla, joten näiden säteilyjen kaikki mahdolliset seokset on esitettävä kolmiulotteisessa avaruudessa, mikä ei estä meitä käyttämästä värinlisäyksen vektoriominaisuuksia Tämä tapaus:

Aina ei ole kätevää piirtää kolmiulotteisia kaavioita, joten usein käytetään yksinkertaistettua kuvaajaa, joka on kaikkien tarvittavien värien projektio kolmiulotteisen kaavion yhdelle tasolle (korostettu sinisellä):

Tällaisen värivektorin projektion tulos on piste kaaviossa, jonka akselit ovat kolmion sivut, jotka asetetaan CIE RGB -järjestelmän päävärien pisteillä:

Tällaisella pisteellä on koordinaatit tämän kolmion järjestelmässä etäisyyden muodossa mistä tahansa sen kahdesta sivusta (kolmas koordinaatti on tarpeeton, koska mikä tahansa kolmion piste voidaan määrittää kahdella etäisyydellä kärjestä tai sivuista). Tällaisen kolmion koordinaatteja kutsutaan värikoordinaateiksi, ja ne määrittävät väriparametrit kuten sävyn (sininen, syaani, vihreä jne.) ja kylläisyyden (harmaa, vaalea, kylläinen jne.). Koska olemme siirtyneet kolmiulotteisesta kaaviosta tasaiseen kaavioon, se ei salli kolmannen väriparametrin - kirkkauden - näyttämistä, mutta monissa tapauksissa riittää vain väriarvon määrittäminen.

Jotta ei menisi sekaan, korostamme erikseen, että koordinaatit värit- tämä on värivektorin lopun sijainti kolmiulotteisessa järjestelmässä, ja ne on merkitty isoilla kirjaimilla (esimerkiksi RGB, XYZ) ja koordinaatilla värikkyys- tämä on väripisteen sijainti tasaisessa värikaaviossa, ja ne on merkitty pienillä kirjaimilla (rg, xy) ja kaksi niistä riittää.

Koordinaatiston käyttö, jossa akselien välillä ei ole suoraa kulmaa, ei ole aina hankalaa, joten kolorimetriassa käytetään useammin tällaista kolmen vektorin järjestelmää, jonka yksikkötaso muodostaa suoran kolmion. Sen kahta sivua lähellä oikeaa kulmaa käytetään kromaattisuuskaavion akseleina:

Laitetaan nyt kaikki mahdolliset värikkyydet sellaiseen kaavioon, jonka rajana tulee olemaan spektripuhtaiden säteilyjen viiva, jossa on magentan värisyyden viiva, jota usein kutsutaan locukseksi ja joka rajoittaa kaavion todellisten värien aluetta (punainen viiva) :

Magenta-kromaattisuuden viiva on spektrin äärimmäisen sinisen ja punaisen päiden säteilyn kromaattisuuksien välissä. Emme voi yhdistää violetteja värejä mihinkään spektrin vyöhykkeeseen, kuten voidaan tehdä mihinkään muuhun väriin, koska purppuran tunne syntyy sinisten ja punaisten säteiden samanaikaisesta vaikutuksesta näköjärjestelmäämme, eikä vain yhtä.

Merkittävä osa paikasta (vyöhykkeellä 380-546 nm) ylittää pääsäteilyn kromaattisuuden rajoittaman kolmion, eli sillä on negatiiviset värikoordinaatit, koska tätä osaa spektrisäteilystä ei voitu tasata CIE-kolorimetri. Tämä vastaa tiettyjen värikoordinaattien käyriä, joissa samalla spektrin osalla on negatiiviset koordinaatit (välillä 380-440 nm, nämä ovat pieniä arvoja, joita ei näy kaaviossa).

Negatiiviset väri- ja värikoordinaatit tekivät kolorimetrisistä laskelmista vaikean tehtävän: 1920- ja 1930-luvuilla suurin osa laskelmista tehtiin liukusäätimellä, ja kolorimetrisissä töissä laskelmien määrä on melko suuri.

Edellinen kaavio osoittaa, että kaikissa positiivisissa koordinaateissa on vain kolmion sisällä olevia värejä, jotka muodostavat tässä järjestelmässä käytettyjen perussäteilyn kromaattisuuden. Jos lokus olisi kolmion keskellä, kaikilla väreillä olisi positiiviset koordinaatit, mikä yksinkertaistaisi laskelmia huomattavasti. Mutta on täysin mahdotonta löytää paikasta sellaisia ​​kolmea pistettä, jotka voisivat sisältää sen itsessään, sen kuperan muodon vuoksi. Myöhemmin havaittiin, että syy tähän lokuksen muotoon piilee silmässämme olevien kolmen tyyppisten kartioiden spektriherkkyyden erityispiirteissä, jotka menevät päällekkäin ja mikä tahansa säteily virittää kartioita, jotka ovat vastuussa toisesta spektrin vyöhykkeestä. , mikä alentaa värikylläisyyttä.

Mutta entä jos menemme lokuksen ulkopuolelle ja käytämme värejä, joita ei voida toistaa ja nähdä, mutta joiden koordinaatteja voidaan helposti käyttää yhtälöissä todellisten värien koordinaattien kanssa? Koska olemme jo siirtyneet kokeista laskelmiin, mikään ei estä meitä käyttämästä tällaisia ​​epärealistisia värejä, koska kaikki värisekoituksen ominaisuudet säilyvät! Voimme käyttää mitä tahansa kolmea väriä, joiden kolmio voi sisältää todellisten värien paikan, ja voimme helposti piirtää monia tällaisia ​​epätodellisten päävärien kolmioita (sellainen kolmio on suositeltavaa rakentaa mahdollisimman tiukasti lokuksen ympärille, joten vähemmän tarpeettomia alueita kaaviossa):

Näin vapauden valittaessa uusien päävärien pisteitä tutkijat päättivät poimia tästä hyödyllisiä mahdollisuuksia uuteen kolmivärijärjestelmään. Esimerkiksi kyky määrittää fotometrinen kirkkaus suoraan luodun järjestelmän avulla ilman lisälaskelmia tai mittauksia (CIE RGB -järjestelmässä kirkkaus on laskettava), eli yhdistää se jotenkin vuoden 1924 fotometriseen standardiin.

Perustellaksemme kolmen uuden värin valinnan (muista, että ne ovat olemassa vain laskelmissa), jotka tiedemiehet lopulta valitsivat tätä varten, palataan kolmiulotteiseen värikoordinaattikaavioomme. Selvyyden ja ymmärtämisen helpottamiseksi käytämme tavallista suorakaiteen muotoista koordinaattijärjestelmää. Laitetaan sen päälle taso, jolla kaikilla väreillä on sama fotometrinen kirkkaus. Kuten muistat, punaisen, vihreän ja sinisen perussäteilyn yksikkökirkkaus CIE RGB -järjestelmässä on suhteessa 1: 4,5907: 0,0601, ja palatakseen fotometrisiin yksiköihin ne on otettava suhteessa 1/1 1/4,59 - 1/0, 0601, eli 1:0,22:17, mikä antaa meille väritason, jolla on sama fotometrinen kirkkaus CIE RGB -kolorimetrisessä järjestelmässä (tason leikkauspiste B- akseli on kuvan ulkopuolella paikassa 17):

Kaikilla väreillä, joiden koordinaatit ovat tällä tasolla, on sama fotometrinen kirkkaus. Jos piirretään samansuuntainen taso kaksi kertaa niin matalammaksi kuin edellinen (0,5:0,11:8,5), saadaan värien sijainti puolet kirkkaudesta:

Vastaavasti alle voit piirtää uuden, origon leikkaavan yhdensuuntaisen tason, jolle sijoitetaan kaikki värit, joiden kirkkaus on nolla, ja vielä alempana voit piirtää parillisia negatiivisen kirkkauden tasoja. Tämä saattaa tuntua absurdilta, mutta muista, että työskentelemme kolmivärijärjestelmän matemaattisen esityksen kanssa, jossa kaikki tämä on mahdollista yhtälöissä, joita käytämme.

Palataan tasaiseen kaavioon rg projisoimalla siihen nollakirkkauden taso. Projektio on nollakirkkauden viiva - alychna, joka ylittää origon:

Alychnessa on kromaattisuuksia, joilla ei ole kirkkautta, ja jos käytät siihen asetettua väriä väriyhtälössä (ei todellista, valovirtojen sekoituksella, mutta yhtälöissä, joissa tällaiset värit ovat mahdollisia), se ei vaikuta kirkkauteen. saadusta seoksesta. Jos asetamme kolmivärijärjestelmän kaksi väriä alychnelle, koko seoksen kirkkauden määrää vain yksi jäljellä oleva väri.

Haluan muistuttaa, että etsimme kolmen hypoteettisen värin värikoordinaatteja, jotka voivat tasata kaikkien todellisten säteilyjen värit käyttämättä negatiivisia arvoja (kolmion tulee sisältää koko lokus) ja samalla uusi järjestelmä sisällyttää fotometrisen kirkkausstandardin suoraan. Asettamalla kaksi väriä alychnelle (nimeltään X ja Z) ja kolmannen paikan yläpuolelle (Y), ratkaisemme molemmat ongelmat:

Todellisten värien lokus on täysin kolmiossa, jota rajoittaa kolme valittua väriä ja kirkkaus on siirtynyt kokonaan yhteen järjestelmän kolmesta komponentista - Y. Arvojen normalisoinnista ja mittausten luonne, Y-koordinaatti voi ilmaista kirkkauden suoraan kandeloina per m 2, prosenttiosuuden jonkin järjestelmän maksimikirkkaudesta (esim. näyttö), lähetysprosentin (esimerkiksi läpinäkyvät näytteet, diat) tai kirkkauden suhteessa johonkin standardiin (mitattaessa heijastavia näytteitä).

Muuntamalla tuloksena oleva kolmio suorakaiteen muotoiseksi, saamme monille tutun xy-värikaavion:

On muistettava, että xy-diagrammi on projektio järjestelmästä, jossa on pääXYZ-pisteet yksikkötasolle, samoin rg-diagrammi ja RGB-järjestelmä. Tämän kaavion avulla voit kätevästi havainnollistaa eri päästöjen värisävyjä, esimerkiksi eri laitteiden väriavaroita. Kaaviolla on yksi hyödyllinen ominaisuus: kahden säteilyn seoksen kromaattisuuskoordinaatit sijaitsevat tiukasti viivalla, joka yhdistää näiden kahden säteilyn pisteet kaaviossa. Siksi esimerkiksi näytön väriskaala tällaisessa kaaviossa on kolmio.

Xy-kaaviossa on myös yksi haittapuoli, joka pitää mielessä: yhtäläiset palkit kaavion eri alueilla eivät tarkoita samaa havaittua värieroa. Tätä havainnollistavat kaksi valkoista viivaa edellisessä kuvassa. Näiden segmenttien pituudet vastaavat saman värieron tunnetta, mutta segmentit eroavat pituudeltaan kolminkertaisesti.

Lasketaan tuloksena olevan järjestelmän tiettyjen värikoordinaattien käyrät, jotka näyttävät tarvittavan määrän kolmea pääväriä XYZ minkä tahansa yhden watin tehoisen monokromaattisen säteilyn yhtälölle:

Näemme, että käyrissä ei ole negatiivisia osia (mikä havaittiin RGB-järjestelmässä), mikä oli yksi XYZ-järjestelmän luomisen tavoitteista. Myös y-käyrä (y, jonka päällä on viiva) on täysin yhteneväinen ihmisen näön spektrivalotehokkuuden käyrän kanssa (sitä käsiteltiin edellä valopäästöjen kirkkauden määritelmää selitettäessä), joten Y-arvo määrittää värin. kirkkaus suoraan - se lasketaan samalla tavalla kuin fotometrinen kirkkaus samalta käyrältä. Tämä saavutetaan sijoittamalla järjestelmän kaksi muuta väriä kirkkauden nollatasolle. Siksi vuoden 1931 kolorimetrinen standardi sisältää vuoden 1924 fotometrisen standardin, mikä eliminoi tarpeettomat laskelmat tai mittaukset.

Nämä kolme käyrää määrittelevät standardin Colorimetric Observer -standardin, jota käytetään spektrimittausten kolorimetrisessä tulkinnassa ja joka on tukenut kaikkea väritiedettä lähes muuttumattomana tähän päivään asti. Vaikka XYZ-visuaalista kolorimetriä ei voi fyysisesti olla olemassa, sen ominaisuudet mahdollistavat erittäin tarkat värimittaukset ja se auttaa monia toimialoja toistamaan ja välittämään väritietoja ennustettavasti. Kaikki muut väritieteen edistysaskeleet perustuvat XYZ-järjestelmään, esimerkiksi tuttu CIE L * a * b * -järjestelmä ja vastaavat, sekä uusimmat CIECAM-järjestelmät, jotka käyttävät nykyaikaisia ​​väriprofilointiohjelmia.

Tulokset

1. Tarkka työskentely värien kanssa edellyttää sen mittaamista, joka on yhtä välttämätöntä kuin pituuden tai painon mittaaminen.
2. Valon säteilyn havaitun kirkkauden (yksi visuaalisen aistin ominaisuuksista) mittaaminen on mahdotonta ottamatta huomioon näköjärjestelmämme ominaisuuksia, jotka on tutkittu menestyksekkäästi ja sisällytetty kaikkiin fotometrisiin suureisiin (kandela, luumen, luksi). spektriherkkyytensä käyrän muodossa.
3. Yksinkertainen tutkittavan valon spektrin mittaus ei sinänsä anna vastausta kysymykseen sen väristä, koska on helppo löytää erilaisia ​​spektrejä, jotka koetaan yhtenä värinä. Eri suuret, jotka ilmaisevat samaa parametria (tapauksessamme väri), osoittavat tällaisen määritysmenetelmän epäonnistumisen.
4. Väri on seurausta valon (väriärsykkeen) havaitsemisesta mielessämme, ei tämän säteilyn fyysinen ominaisuus, joten tämä tunne on mitattava jollain tavalla. Mutta ihmisen tunteiden suora mittaus ei ole mahdollista (tai se ei ollut mahdollista tässä kuvattujen kolorimetristen järjestelmien luomisen aikana).
5. Tämä ongelma kierrettiin visuaalisella (henkilön osallistuessa) tasoittamalla tutkitun säteilyn väri sekoittamalla kolme säteilyä, joiden määrät seoksessa ovat värin haluttu numeerinen ilmaisu. Yksi tällaisen kolmen säteilyn järjestelmistä on CIE RGB.
6. Tasoitettuaan kokeellisesti tällaisen järjestelmän avulla kaikki monokromaattiset säteilyt erikseen, he saavat (joidenkin laskelmien jälkeen) tämän järjestelmän erityiset koordinaatit, jotka osoittavat sen säteilyn tarvittavat määrät minkä tahansa teholtaan yhden monokromaattisen säteilyn väriyhtälölle. wattia.
7. Tietäen tietyt koordinaatit on mahdollista laskea tutkitun säteilyn värikoordinaatit sen spektrikoostumuksesta ilman henkilön visuaalista värien tasoitusta.
8. CIE XYZ -järjestelmä luotiin CIE RGB -järjestelmän matemaattisilla muunnoksilla ja perustuu samoihin periaatteisiin - mikä tahansa väri voidaan määrittää tarkasti kolmen säteilyn lukumäärällä, joiden seoksen henkilö havaitsee väriltään samanlaisena. Suurin ero XYZ-järjestelmässä on, että sen tärkeimpien "päästöjen" väri on olemassa vain kolorimetrisissä yhtälöissä, ja niitä on fyysisesti mahdotonta saada.
9. Tärkein syy XYZ-järjestelmän luomiseen on laskelmien helpottaminen. Kaikkien mahdollisten valopäästöjen väri- ja värikoordinaatit ovat positiivisia. Myös Y-värikoordinaatti ilmaisee suoraan ärsykkeen fotometrisen kirkkauden.

Johtopäätös

IT-ammattilaisia ​​lähimmät osa-alueet, jotka perustuvat tässä artikkelissa kuvattuihin periaatteisiin ja järjestelmiin, ovat kuvankäsittely ja niiden jäljentäminen eri tavoin: valokuvauksesta web-suunnitteluun ja painatukseen. Värinhallintajärjestelmät toimivat suoraan kolorimetristen järjestelmien ja värimittaustulosten kanssa, mikä mahdollistaa ennustettavan värintoiston monin eri tavoin. Mutta tämä aihe on jo tämän artikkelin ulkopuolella, koska se vaikuttaa väriteorian perusnäkökohtiin, ei värien toistoon.

Tämä aihe ei pyri antamaan tyhjentävää ja täydellistä tietoa esiin nostetusta aiheesta, vaan se on vain "kuva herättämään huomiota" IT-asiantuntijoille, joista monet ovat yksinkertaisesti velvollisia ymmärtämään väritieteen perusteet. Ymmärtämisen helpottamiseksi paljon tässä on yksinkertaistettu tai mainittu ohimennen, joten annan luettelon lähteistä, jotka kiinnostavat niitä, jotka haluavat tutustua väriteoriaan yksityiskohtaisemmin (kaikki kirjat löytyvät verkosta):
fotometria Lisää tunnisteita

Värin havaitseminen riippuu fyysiset ominaisuudet valo, eli sähkömagneettinen energia, sen vuorovaikutuksesta fyysisten aineiden kanssa sekä niiden tulkinnasta ihmisen näköjärjestelmässä. Tämä ongelma on erittäin laaja, monimutkainen ja mielenkiintoinen. Käsittelemme tärkeimpiä käsitteitä, väreihin liittyvien fysikaalisten ilmiöiden perusteita, värien esitysjärjestelmiä ja niiden välisiä muunnoksia.

Ihmisen näköjärjestelmä havaitsee sähkömagneettisen energian aallonpituuksilla 400-700 nm näkyvänä valona (1 nm = 10 -9 m). Valo vastaanotetaan joko suoraan lähteestä, kuten hehkulampusta, tai epäsuorasti heijastumalla esineen pinnalta tai taittumalla siinä.

Lähde tai kohde on akromaattinen, jos havaittava valo sisältää kaikki näkyvät aallonpituudet suunnilleen yhtä suurena määränä. Akromaattinen lähde näyttää valkoiselta, kun taas heijastunut tai taittunut akromaattinen valo näyttää valkoiselta, mustalta tai harmaalta. Objektit, jotka heijastavat akromaattisesti yli 80 % valkoisen lähteen valosta, näyttävät valkoisilta ja alle 3 % mustilta. Väliarvot antavat erilaisia ​​harmaan sävyjä. On kätevää ottaa huomioon heijastuneen valon intensiteetti välillä 0-1, jossa 0 vastaa mustaa, 1 valkoista ja väliarvot harmaata.

Jos havaittu valo sisältää aallonpituuksia mielivaltaisesti erisuuruisina, sitä kutsutaan kromaattiseksi (sanoilla "havaittu" ja "mielivaltainen" on pääasiallinen merkitys). Jotkut kromaattisten värien sekoitukset voidaan nähdä akromaattisina väreinä). Jos aallonpituudet ovat keskittyneet yläreuna näkyvä spektri, silloin valo näyttää punaiselta tai punertavalta, eli hallitseva aallonpituus on näkyvän spektrin punaisella alueella. Jos aallonpituudet keskittyvät näkyvän spektrin alaosaan, niin valo näyttää siniseltä tai sinertävältä, eli hallitseva aallonpituus on spektrin sinisessä osassa. Tietyn aallonpituuden sähkömagneettisella energialla ei kuitenkaan itsessään ole väriä. Värin tunne syntyy ihmisen silmän ja aivojen fyysisten ilmiöiden muutoksen seurauksena. Esineen väri riippuu valonlähteen aallonpituusjakaumasta ja kohteen fysikaalisista ominaisuuksista. Esine näyttää värilliseltä, jos se heijastaa tai läpäisee valoa vain kapealla aallonpituusalueella ja absorboi kaikki muut. Kun tulevan ja heijastuneen tai läpäisevän valon värit ovat vuorovaikutuksessa, voidaan saada mitä odottamattomimpia tuloksia. Esimerkiksi kun vihreä valo heijastuu valkoisesta kohteesta, sekä valo että kohde näyttävät vihreiltä, ​​ja jos punainen kohde valaistaan ​​vihreällä valolla, se on musta, koska valo ei heijastu siitä ollenkaan.

Vaikka vaaleutta ja kirkkautta on vaikea erottaa toisistaan, vaaleutta pidetään yleensä ei-valaisevien tai heijastavien esineiden ominaisuutena, ja se vaihtelee mustasta valkoiseen, kun taas luminanssi on itsestään valaisevien tai säteilevien esineiden ominaisuus ja vaihtelee matalasta korkea.

Kohteen vaaleus tai kirkkaus riippuu silmän suhteellisesta herkkyydestä eri aallonpituuksille. Voidaan nähdä, että päivänvalossa silmän herkkyys on suurin noin 550 nm aallonpituudella ja spektrin näkyvän alueen reunoilla se laskee jyrkästi. Käyrää päälle kutsutaan silmän spektriherkkyyden funktioksi. Se on valoenergian tai intensiteetin mitta, joka ottaa huomioon silmän ominaisuudet.

Valon psykofysiologisen esityksen määrää sävy, kylläisyys ja vaaleus. Värisävyn avulla voit erottaa värit, ja kylläisyys määrittää vaimennusasteen (laimennus) annettu väri valkoisena. Puhtaalla värillä se on 100 % ja vähenee, kun valkoista lisätään. Akromaattisen värin kylläisyys on 0%, ja sen vaaleus on yhtä suuri kuin tämän valon intensiteetti.

Sävyn, kylläisyyden ja vaaleuden psykofyysiset vastineet ovat hallitseva aallonpituus, kirkkaus ja kirkkaus. Yhden aallonpituuden sähkömagneettinen energia näkyvässä spektrissä tuottaa monokromaattisen värin. Monokromaattisen valon, jonka aallonpituus on 525 nm, energiajakauma on esitetty kuvassa ja valkoinen valo energialla E 2 ja yhdellä hallitsevalla aallonpituudella 525 nm energialla E 1 . Värin määrää hallitseva aallonpituus, ja puhtaus määräytyy E 1:n ja E 2:n suhteen. E 2:n arvo on puhtaan värin, jonka aallonpituus on 525 nm, laimennusaste valkoisen kanssa: jos E 2 lähestyy nollaa, värin puhtaus lähestyy 100 % ja jos E 2 lähestyy arvoa E 1, niin valo muuttuu lähes valkoiseksi ja sen puhtaus on yleensä nolla. Kirkkaus on verrannollinen valon energiaan ja sitä pidetään voimakkuutena pinta-alayksikköä kohti.

Yleensä ei ole puhtaita yksivärisiä värejä, vaan niiden sekoituksia. Kolmikomponenttinen valoteoria perustuu olettamukseen, että verkkokalvon keskiosassa on kolmenlaisia ​​väriherkkiä kartioita. Ensimmäinen havaitsee aallonpituudet, jotka sijaitsevat näkyvän spektrin keskellä, eli vihreänä; toinen on aallonpituus näkyvän spektrin yläpäässä, toisin sanoen punainen; spektrin alaosan kolmas lyhyt aalto, eli sininen. Silmän suhteellinen herkkyys () on maksimi vihreälle ja pienin siniselle. Jos kaikki kolme kartiotyyppiä altistetaan samalle energian kirkkaudelle (energiaa aikayksikköä kohti), valo näyttää valkoiselta. Luonnollinen valkoinen valo sisältää kaikki näkyvän spektrin aallonpituudet; Valkoisen valon tunne voidaan kuitenkin saada sekoittamalla mitä tahansa kolmea väriä, kunhan yksikään niistä ei ole lineaarinen yhdistelmä kahdesta muusta. Tämä on mahdollista kiitos fysiologiset ominaisuudet silmä sisältää kolmenlaisia ​​kartioita. Näitä kolmea väriä kutsutaan ensisijaiseksi väriksi.

Tietokonegrafiikassa käytetään kahta päävärien sekoitusjärjestelmää: additiivinen punainen, vihreä, sininen (RGB) ja subtraktiivinen syaani, magenta, keltainen (CMY) (). Yhden järjestelmän värit täydentävät toista: syaani punaiseen, magenta vihreään, keltainen siniseen. Täydentävä väri on ero valkoisen ja annetun värin välillä: syaani on valkoinen miinus punainen, magenta on valkoinen miinus vihreä, keltainen on valkoinen miinus sininen. Vaikka punaista voidaan pitää syaania täydentävänä värinä, perinteisesti punaista, vihreää ja sinistä pidetään päävärinä, ja syaania, magentaa ja keltaista täydentävät niitä. Mielenkiintoista on, että sateenkaaren tai prisman spektrissä ei ole violettia väriä, eli se on ihmisen näköjärjestelmän luoma.

Heijastaville pinnoille, kuten painomusteille, kalvoille ja ei-valaiseville näytöille, käytetään CMY-vähennysjärjestelmää. Subtraktiivisissa järjestelmissä täydentävän värin aallonpituudet vähennetään valkoisesta spektristä. Esimerkiksi kun valo heijastuu tai läpäisee magenta esineen, spektrin vihreä osa absorboituu. Jos syntynyt valo heijastuu tai taittuu keltaiseen esineeseen, spektrin sininen osa absorboituu ja vain punainen väri jää jäljelle. Kun se heijastuu tai taittuu sinisessä esineessä, väri muuttuu mustaksi, koska tämä sulkee pois koko näkyvän spektrin. Näin valokuvasuodattimet toimivat.

Lisättävä RGB-värijärjestelmä on hyödyllinen valaiseville pinnoille, kuten CRT-näytöille tai värillisille lampuille. Riittää, kun suoritat hyvin yksinkertaisen kokeen varmistaaksesi, että lähes kaikkien näkyvän spektrin värien yhtälön (koostumuksen) värien vähimmäismäärä on kolme. Anna mielivaltaisen yksivärisen testivalon pudota jollekin taustalle. Tarkkailija yrittää kokeellisesti tasata taustaa vasten ohjausvalon vieressä sen väritaustaa, kylläisyyttä ja vaaleutta eri intensiteetin monokromaattisten valovirtojen avulla. Jos käytetään vain yhtä instrumentaalista (tasoitus) väriä, sen aallonpituuden tulee olla sama kuin kontrollin aallonpituuden. Yhden monokromaattisen instrumentaalisen valovirran avulla voidaan tasata vain yksi väri. Jos et kuitenkaan ota huomioon testivalon sävyä ja kylläisyyttä, voit tasata värejä vaaleudella. Tätä menetelmää kutsutaan fotometriaksi.

Tällä tavalla saadaan aikaan värikuvien yksivärisiä jäljennöksiä. Jos havainnolla on käytössään kaksi monokromaattista lähdettä, hän voi tasata useampia kontrollinäytteitä, mutta ei kaikkia. Kolmannen instrumentaalivärin lisäämisellä voidaan saada lähes kaikki ohjausvariantit edellyttäen, että nämä kolme väriä jakautuvat riittävän laajalle spektrille eikä mikään niistä ole muiden lineaarinen yhdistelmä, eli että ne ovat päävärejä. Hyvä valinta kun ensimmäinen väri on pitkien aallonpituuksien spektrin alueella (punainen), toinen keskipitkällä (vihreä) ja kolmas lyhyemmällä aallonpituudella (sininen). Näiden kolmen värin yhdistäminen monokromaattisen testivärin tasaamiseksi ilmaistaan ​​matemaattisesti muodossa C = rR + gG + bB, missä C on testivalon väri; R, G, B punaiset, vihreät ja siniset instrumentaaliset valovirrat; r, g, b valovirtojen R, G, B suhteelliset määrät arvoilla 0-1.

Kaikkia ohjausvärejä ei kuitenkaan voida tasata lisäämällä kolme pääväriä. Esimerkiksi sinivihreän värin saamiseksi havainnoitsija yhdistää sinisiä ja vihreitä valovirtoja, mutta niiden summa näyttää vaaleammalta kuin näyte. Jos punaista lisätään tummemmaksi, lopputulos on vaaleampi, koska valoenergiat summautuvat. Tämä johtaa tarkkailijan ajatukseen: lisätä punaista valoa näytteeseen, jotta se olisi vaaleampi. Tämä oletus todella toimii, ja säätö on valmis. Matemaattisesti punaisen valon lisääminen säätimeen vastaa sen vähentämistä kahdesta muusta tasausvalovirrasta. Tämä on tietysti fyysisesti mahdotonta, koska negatiivista valon voimakkuutta ei ole. Matemaattisesti tämä kirjoitetaan muodossa C + rR = gG + bB tai C = -rR + gG + bB.

Funktiot r, g, b on esitetty väriyhtälöissä monokromaattisille valovirroille, joiden aallonpituudet ovat 436, 546 ja 700 nm. Niiden avulla voit tasata näkyvän spektrin kaikki aallonpituudet. Huomaa, että kaikilla aallonpituuksilla paitsi noin 700 nm:llä yksi funktioista on aina negatiivinen. Tämä vastaa instrumentaalivalon lisäämistä ohjausvaloon. Kolorimetria tutkii näitä toimintoja.

Tarkkailija huomaa myös, että testivalon intensiteetin kaksinkertaistaminen kaksinkertaistaa myös kunkin instrumentaalisen valovirran voimakkuuden, eli 2C = 2rR + 2gG + 2bB. Lopuksi käy ilmi, että sama merkkivalo on tasattu kahdella eri tavoilla, ja r:n, g:n ja b:n arvot eivät välttämättä ole samat. Kahden eri joukon r, g ja b instrumentaalivärejä kutsutaan toistensa metameereiksi. Teknisesti tämä tarkoittaa, että ohjausvaloa voidaan tasata erilaisilla komposiittilähteillä, joilla on erilaiset spektrienergian jakautumat. Kuvassa on kaksi hyvin erilaista spektriheijastusjakaumaa, jotka tuottavat saman keskiharmaan värin.

Tehtyjen kokeiden tulokset on koottu Grassmannin lakeihin:

• silmä reagoi kolmeen eri ärsykkeeseen, mikä vahvistaa värin kolmiulotteisuuden. Ärsykkeinä voidaan tarkastella esimerkiksi hallitsevaa aallonpituutta (väritausta), puhtautta (kylläisyyttä) ja kirkkautta (vaaleutta) tai punaista, vihreää ja sinistä;
• neljä väriä ovat aina lineaarisesti riippuvaisia, eli cC = rR + gG + bB missä c, r, g, b<>0. Siksi kahden värin (cC) 1 ja (cC) 2 sekoitukselle yhtälö (cC) 1 + (cC) 2 = (rR) 1 + (rR) 2 + (gG) 1 + (gG) 2 - (bB) 1 + (bB) 2. Jos väri C 1 on yhtä suuri kuin väri C ja väri C 2 on yhtä suuri kuin väri C, niin väri C 1 on yhtä suuri kuin väri C 2 energiaspektrien C, C 1 , C 2 rakenteesta riippumatta;
• jos kolmen värin seoksessa yksi muuttuu jatkuvasti muiden pysyessä vakiona, niin seoksen väri muuttuu jatkuvasti, eli kolmiulotteinen väriavaruus on jatkuva.

Tämän kaltaisista kokeista tiedetään, että visuaalinen järjestelmä pystyy erottamaan noin 350 000 väriä. Jos värit eroavat vain sävyissä, niin spektrin sinikeltaisessa osassa värit ovat erilaisia, joissa vallitsevat aallonpituudet eroavat 1 nm, kun taas spektrin reunoilla 10 nm. Noin 128 värisävyä on selvästi erotettavissa. Jos vain kylläisyys muuttuu, visuaalinen järjestelmä ei pysty erottamaan niin monia värejä. Keltaisen värin kylläisyysaste on 16 ja punavioletti 23 astetta.

Valon kolmiulotteinen luonne mahdollistaa kunkin ärsykkeen arvon näyttämisen ortogonaalisen järjestelmän akselilla (). Tämä johtaa kolmikomponenttiseen väriavaruuteen. Mikä tahansa väri C voidaan esittää vektorina, jossa on komponentit rR, gG ja bB. Yksityiskohtainen kuvaus kolmiulotteisesta väriavaruudesta on annettu Meyerin teoksessa. Vektorin C leikkauspiste yksikkötason kanssa antaa sen punaisen, vihreän ja sinisen komponentin suhteelliset painot. Niitä kutsutaan kromaattisuusarvoiksi tai koordinaatteiksi: r" = r/(r + g + b), g" = g/(r + g + b), b" = b/(r + g + b).

Siksi r" + g" + b" = 1. Projisoimalla yksikkötaso saadaan värikaavio (). Se näyttää eksplisiittisesti kahden värin toiminnallisen yhteyden ja implisiittisesti yhteyden kolmanteen, esimerkiksi b "= 1 - r "-g". Jos värinsäätötoiminnot () siirretään kolmiulotteiseen avaruuteen, tulos ei ole kokonaan positiivisessa oktantissa. Projektiossa tasoon tulee myös negatiivisia arvoja, mikä vaikeuttaa matemaattisia laskelmia.

Vuonna 1931 pidettiin Englannissa kansainvälisen valaistuskomission (CIE) (Commission International de l "Eclairage") kokous, jossa keskusteltiin värien määrittelyn ja mittauksen kansainvälisistä standardeista. 1931 ja kolme silmäreaktion toimintoa, joka mahdollistaa negatiivisten arvojen poissulkemisen ja on helpompi käsitellä. CIE:n päävärit saadaan normaaleista silmäreaktiotoiminnoista ().

Hypoteettiset CIE:n päävärit on merkitty X, Y, Z. Itse asiassa niitä ei ole olemassa, koska ilman negatiivista osaa ne eivät voi vastata todellista fyysistä valoa. Kolmio XYZ valittiin sisältämään koko näkyvä spektri. CIE:n värikoordinaatit ovat: x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z), z = Z/(X + Y + Z) ja x + y + z = 1 ( * ). Kun kolmio XYZ projisoidaan xy-tasolle, saadaan CIE-väridiagrammi. X- ja y-värikoordinaatit ovat kolmen XYZ-päävärin suhteellisia määriä, jotka tarvitaan minkä tahansa värin muodostamiseen. Ne eivät kuitenkaan aseta tuloksena olevan värin kirkkautta (intensiteettiä). Kirkkaus määräytyy Y-koordinaatin mukaan, ja X ja Z valitaan sopivalla asteikolla. Tällä sopimuksella (x, y, y) määrittää sekä värin että luman. Kromaattisuuskoordinaattien käänteinen muunnos XYZ-värikoordinaateiksi on: X = x * (Y/y), Y = Y, Z = (1 - x - y) * (Y/y) (**).

Komissio päätti suunnata kolmion XYZ siten, että yhtä suuret määrät hypoteettisia XYZ-primareja lasketaan yhteen valkoiseksi.

Vuoden 1931 CIE-värikartta on esitetty. Siipeä muistuttava ääriviiva on kaikkien näkyvien aallonpituuksien pisteiden paikka, eli spektrin kromaattisuuden viiva. Ääriviivalla olevat numerot vastaavat aallonpituutta tietyssä pisteessä. Punainen on kaavion oikeassa alakulmassa, vihreä yläreunassa ja sininen vasemmassa alakulmassa. Käyrän päitä yhdistävää segmenttiä kutsutaan magenta-värimaattisuuden viivaksi. Käyrä ääriviivan sisällä vastaa täysin mustan kappaleen väriä kuumennettaessa 1000 o K:stä äärettömään. Katkoviiva osoittaa lämpötilan sekä suunnat, joissa silmä on huonoin erottamaan värinmuutokset. Vertailuvalkoinen on piste, jonka energiat ovat yhtä suuret E(x = 0,333, y = 0,333) ja standardi CIE-lähteet A(0,448, 0,408), B(0,349, 0,352), C(0,310, 0,316), D 6500 (0,313, ). ). Lähde A vastaa suunnilleen kaasutäytteisen volframihehkulampun lämmintä väriä lämpötilassa 2856 o K. Se on paljon "punaisempi" kuin muut. Lähde B vastaa auringonvaloa keskipäivällä ja C keskipäivän valaistusta pilvisellä pilvisyydellä. National Television Standards Committee (NTSC) on hyväksynyt lähteen C viitevalkoiseksi. D 6500 -lähde, joka vastaa mustan kappaleen säteilyä lämpötilassa 6504 o K, on ​​hieman vihreämpi. Sitä käytetään valkoisena vertailuvärinä monissa televisionäytöissä.

Kuten näette, värikartta on erittäin kätevä. Lisävärin saamiseksi sinun on jatkettava annetun värin ja referenssivalkoisen läpi kulkevaa viivaa, kunnes se leikkaa käyrän toisen puolen. Esimerkiksi punaoranssia väriä C 4 (l = 610 nm) täydentävä sinivihreä väri C 5 (l = 491 nm). Kun lisätään tietty määrä väriä ja sen täydennystä, saadaan valkoinen. Värin hallitsevan aallonpituuden löytämiseksi on jatkettava vertailuvalkoisen ja annetun värin läpi kulkevaa suoraa, kunnes se leikkaa spektrin kromaattisuuden linjan. Esimerkiksi värin C6 hallitseva aallonpituus on 570 nm, eli se on kelta-vihreä. Jos viiva ylittää magenta-kromaattisuuden linjan, tällä värillä ei ole hallitsevaa aallonpituutta spektrin näkyvässä osassa. Tässä tapauksessa se määritellään ylimääräiseksi hallitsevaksi aallonpituudeksi indeksillä "c", eli suora viiva jatkuu väristä vertailuvalkoisen läpi vastakkaiseen suuntaan. Esimerkiksi värin C7 hallitseva aallonpituus on 500 nm.

Puhtaat tai täysin (100 %) kyllästetyt värit ovat spektrin kromaattisuuden linjalla. Vertailuvalkoisen katsotaan olevan täysin laimennettu, eli sen puhtaus on 0%. Välivärien puhtauden laskemiseksi sinun on löydettävä etäisyyden suhde vertailuvalkoisesta tiettyyn väriin etäisyyteen vertailuvalkoisesta spektrin tai magenta-kromaattisuuden viivaan. Esimerkiksi C6:n värin puhtaus ei ole yhtä suuri kuin a/(a + b), ja C7 on yhtä suuri kuin c/(c + d).

Kahden värin seoksen CIE-värikoordinaatit määritetään Grassmannin lakien mukaan lisäämällä päävärit. Värien C 1 (x 1, y 1, z 1) ja C 2 (x 2, y 2, z 2) sekoitus on C 12 = (x 1 + x 2) + (y 1 + y 2) + ( z 1 + z2).

Käyttämällä yllä olevia yhtälöitä (*) ja (**) ja syöttämällä merkinnät T 1 \u003d Y 1 /y 1, T 2 \u003d Y 2 /y 2, saamme seoksen värikoordinaatit: x 12 \u003d ( x 1 T 1 + x 2 T 2 )/(T 1 + T 2), y 12 = (y 1 T 1 + y 2 T 2)/(T 1 + T 2), Y 12 = Y 1 + Y 2 . Tällä tavalla voidaan lisätä enemmän värejä, jos seokseen lisätään peräkkäin uusia värejä.

Kaavio näyttää CIE:n kromaattisuuden tavallisten havaittujen värien nimillä. Värien lyhennettyjen nimien pienillä kirjaimilla kirjoitetuissa kirjoituksissa loppuliite "-ovat" vastaa esimerkiksi yG on kellertävä- vihreä keltainen ish-vihreä). Jokainen väri alueellaan muuttaa kylläisyyttä tai puhtautta lähes nollasta lähellä lähdettä (pastelliväri) täyteen (mehukas) lähellä spektrin kromaattisuutta. Huomaa, kuinka vihreät vievät lähes koko kaavion yläosan, kun taas punaiset ja siniset ovat ryhmittyneet magenta chroma -viivan alaosaan. Siksi kaavion yhtäläiset alueet ja etäisyydet eivät vastaa yhtäläisiä havaintoeroja. Tämän puutteen korjaamiseksi tälle kaaviolle on ehdotettu useita muunnoksia.

Väritelevisio, elokuvateatteri, moniväripainatus jne. eivät kata koko näkyvän spektrin värialuetta tai kirjoa. Lisäainejärjestelmässä toistettavissa oleva väriskaala on CIE-kuvaajan kolmio, jonka kärjet ovat RGB-pääväreissä. Mikä tahansa kolmion sisällä oleva väri voidaan saada pääväreistä. Taulukko ja näyttää väriavaruuden pääväreille RGB-väreille tyypillisessä CRT-näytössä ja NTSC-standardissa. Vertailun vuoksi esitetään myös CMY-vähennysvärijärjestelmä CIE-koordinaatteihin pienennettynä, jota käytetään värielokuvassa. Huomaa, että sen peittoalue ei ole kolmiomainen ja että se on leveämpi kuin värinäytön; toisin sanoen joitain filmillä saatuja värejä ei voida toistaa televisioruudulla. Lisäksi esitetään CIE XYZ:n päävärit, jotka sijaitsevat spektrikromaattisuuden linjalla: punainen 700 nm, vihreä 543,1 nm, sininen 435,8 nm. Heidän avullaan saatiin taajuuskorjausfunktioita .