Šiuolaikinė spalvų teorija remiasi Helmholtzo ir Heringo teorija apie trijų spalvų spalvų pojūčius. Šiuo metu priimta spalvų teorija remiasi trimis Grassmanno nustatytais spalvų pridėjimo dėsniais.

Pagal pirmąjį dėsnį bet kuri spalva gali būti laikoma trijų linijiškai nepriklausomų spalvų deriniu, ty trijų spalvų, iš kurių nė vienos negalima gauti pridėjus kitas dvi.

Iš antrojo dėsnio išplaukia, kad visa spalvų gama yra ištisinė, tai yra, negali egzistuoti spalva, kuri nebūtų greta kitų spalvų. Nuolat kintant spinduliuotei bet kokia spalva gali virsti kita.

Trečiasis spalvų pridėjimo dėsnis teigia, kad bet kokia spalva, gauta pridėjus kelis komponentus, priklauso tik nuo jų spalvų ir nepriklauso nuo jų spektrinės kompozicijos. Remiantis šiuo dėsniu, tą pačią spalvą galima išgauti skirtingais kitų spalvų deriniais. Dabar visuotinai priimta bet kokią spalvą laikyti mėlynos, žalios ir raudonos, kurios yra tiesiškai nepriklausomos, deriniu. Tačiau pagal trečiąjį spalvų maišymo dėsnį yra daugybė kitų trijų linijiškai nepriklausomų spalvų derinių.

Tarptautinė apšvietimo komisija (CIE) patvirtino monochromatinės spinduliuotės spalvas, kurių bangos ilgiai yra 700, 546,1 ir 435,5 nm. R, G, B.

Jei šios trys pagrindinės spalvos yra išdėstytos erdvėje trijų vektorių, kylančių iš vieno taško, pavidalu, žyminčių atitinkamus vienetinius vektorius r, g, b, tada bet kokia spalva F, gali būti išreikšta vektorine suma:

F=Rr+Gg+Bb

Kur R, G, B - spalvų moduliai, proporcingi pagrindinių spalvų skaičiui gautoje bendroje spalvoje; šie moduliai vadinami spalvų koordinates.

Spalvų koordinatės vienareikšmiškai apibūdina spalvą, t. y. žmogus nesuvokia spalvų, turinčių tas pačias koordinates, skirtumo. Tačiau vienodos spalvų koordinatės nereiškia vienodos spektrinės sudėties. Pavyzdžiai, kurių spalva pasižymi skirtingais spektrais, bet turi tas pačias spalvų koordinates, vadinami metamerinis. Žmogaus suvokiama dažyto pavyzdžio spalva priklauso nuo šviesos, kurioje į jį žiūrima. Metameriniai egzemplioriai, kurie atrodo tos pačios spalvos po vienu šaltiniu, skiriasi pagal kitą.

Sistema, pritaikyta išreikšti spalvų matavimo duomenis, yra X, Y, Z. Šioje sistemoje trys pagrindinės spalvos laikomos spalvomis, kurios iš tikrųjų neegzistuoja, bet yra tiesiškai susijusios su spalvomis R, G ir IN.
Spalva sistemoje XYZ išreikšta vektorine suma:

F=Xx+Yy+Zz

Skirtingai nuo sistemos RGIN visos tikrosios spalvos sistemoje XYZ turėti teigiamas koordinates. Pirminių spalvų ryškumas X Ir y imamas lygus nuliui, todėl spalvos ryškumas F gali būti apibūdinama tik viena spalvos koordinate Y,

Specifinės skirtingų bangos ilgių spektriškai grynų spalvų koordinatės (konkrečios spalvų koordinatės) parodytos Fig.

Vadinamas spalvų koordinatės santykis su visų trijų koordinačių suma spalvingumo koordinatė.Žymimos spalvų koordinates atitinkančios spalvingumo koordinatės X, y,z

x=X/(X+Y+Z) ir kt.

Akivaizdu, kad:

X+ y +z=1

Taip pat akivaizdu, kad proporcingai padidinus arba sumažinus visas spalvų koordinates, spalvingumo koordinatės išlieka nepakitusios. Taigi spalvingumo koordinatės unikaliai apibūdina tik spalvingumas, bet neatsižvelgta ryškumą spalvos. Tai, kad visų spalvingumo koordinačių suma yra lygi vienetui, leidžia mums naudoti tik dvi koordinates spalvumui apibūdinti, o tai savo ruožtu leidžia grafiškai pavaizduoti spalvingumą Dekarto koordinatėmis.

Grafinis spalvingumo vaizdavimas koordinatėmis X, y vadinamas spalvų grafiku (pav.).

Spalvų grafike yra taškai, atitinkantys spektriškai grynas spalvas. Jie yra ant atviros kreivės. Balta spalva atitinka tašką C su spalvingumo koordinatėmis X = 0,3101 ir y = 0,3163. Kreivės galus sutraukia segmentas, kuriame yra purpuriniai tonai, kurių spektre nėra. Rausvai raudonos spalvos bangos ilgis rodomas skaičiumi su pirminiu ir yra lygus papildomos spalvos bangos ilgiui, ty spalvai, esančiame taške tiesės, einančios per šios rausvai raudonos spalvos tašką ir susikirtimo taške. esmė SU, su spektriškai grynų spalvų kreive. Ant atkarpų, jungiančių tašką baltas su taškais diagramos pakraštyje yra to paties atspalvio spalvos.

Spalvos tonas (dominuojantis bangos ilgis) -šis bangos ilgis, atitinkantis pavyzdžio atspindžio spektro maksimumą (arba skaidraus mėginio perdavimo spektrą), arba monochromatinės spinduliuotės bangos ilgį, kuris turi būti pridėtas prie baltos spalvos, kad būtų gauta tam tikra spalva.

Spalvos grynumas (sotumas) bet kokia spalva apibrėžiama kaip vienspalvio komponento ryškumo santykis su monochromatinio ir balto komponento ryškumo suma. Ryškumas - tai dydis, apibūdinantis nuo mėginio atsispindinčios šviesos kiekį. Kaip jau minėta, ryškumas trijų spalvų sistemoje laikomas spalvų koordinatės reikšme Y.

Jei spalvų grafike paimtume kokią nors spalvą ir pažymėtume ją tašku A, tada jo bendras ryškumas bus lygus YA, o monochromatinės dedamosios šviesumas, proporcingas santykiniam spalvos atstumui nuo balto taško, bus išreikštas santykiu: Yll2/(l1+l2).

Taigi spalvą galima apibūdinti trimis būdais, bet kuriuo atveju jai apibūdinti naudojant tris dydžius:

1) spalvų koordinatės X, Y, Z,

2) spalvingumo koordinates X Ir adresu kartu su Y spalvos koordinate;

3) spalvos tonas l, spalvos grynumas R ir ryškumą Y.

Baltumo matavimas.
Vienas pagrindinių baltų pigmentų ir užpildų rodiklių yra jų baltumas. Baltumas Laipsnį, kuriuo spalva artėja prie idealios, jie vadina balta. Paviršius, kuris difuziškai atspindi visą ant jo patenkančią šviesą visame matomoje spektro srityje, vadinamas idealiai baltu. Tačiau kaip standartą galima paimti kitą pageidaujamą baltą mėginį.

Yra nemažai skirtingų spektrofotometrinių ir kolorimetrinių baltumo vertinimo metodų. Dažniausiai baltų pigmentų baltumui įvertinti naudojamos išmatuoto mėginio ir priimto standarto spalvų skirtumų reikšmės. Baltumas W šiuo atveju apskaičiuojamas pagal formulę:

DE – visiškas spalvų skirtumas.

Kurie iškyla dirbant su vaizdais, ir daugelis kitų temų, pavyzdžiui, vaizdo apdorojimo tema, vienaip ar kitaip paliečiant spalvų ir spalvų atkūrimo klausimus. Deja, daugumoje šių straipsnių spalvos samprata ir jos atkūrimo ypatybės aprašomos labai paviršutiniškai arba daromos skubotos išvados ar net klaidos. Straipsnių ir klausimų skaičius specializuotuose forumuose apie praktiniai aspektai tikslus spalvų atkūrimas, taip pat daugybė neteisingų bandymų atsakyti į šiuos klausimus net pačių patyrusių specialistų, leidžia manyti, kad problemų dirbant su spalva iškyla gana dažnai, į kurias sunku rasti argumentuotus ir aiškius atsakymus.

Daugumos IT specialistų nepakankamos arba klaidingos žinios apie spalvų atkūrimą, mano nuomone, paaiškinamos tuo, kad labai mažai laiko skiriama spalvų teorijos studijoms, nes jos pagrindai yra apgaulingai paprasti: kadangi ant tinklainės yra trijų tipų kūgiai. akis, maišant tam tikras tris spalvas be problemų galima išgauti visą vaivorykštę spalvų, ką patvirtina RGB arba CMYK reguliatoriai kažkurioje programoje. Daugumai atrodo, kad to pakanka, ir jų potraukis žinių šioje srityje baigiasi. Tačiau vaizdų gavimo, kūrimo ir atkūrimo procesai paruošia jus su daugybe niuansų ir galimų problemų, kurią galima išspręsti supratus spalvų teoriją, taip pat procesus, kuriais ji grindžiama. Ši tema skirta užpildyti žinių spragą spalvų mokslo srityje ir bus naudinga daugumai dizainerių, fotografų, programuotojų ir, tikiuosi, kitų IT specialistų.

Pabandykite atsakyti į šiuos klausimus:

• Kodėl fizika negali apibrėžti spalvos sąvokos?
• Kuris iš septynių pagrindinių SI matavimo vienetų yra pagrįstas žmogaus regos sistemos savybėmis?
• Kokio spalvų tono nėra spektre?
• Kaip prieš 90 metų buvo galima išmatuoti žmogaus spalvų pojūtį?
• kur naudojamos spalvos, kurios neturi ryškumo?

Jei neradote atsakymo bent į vieną klausimą, rekomenduoju pasidairyti po katinu, kur rasite atsakymus į visus šiuos klausimus.

Spalvos sąvokos apibrėžimas. Jos matmuo

Visi žinome, kad mokslas neapsieina be matavimų ir matavimo vienetų, o spalvų mokslas nėra išimtis. Todėl pirmiausia pabandysime apibrėžti spalvos sąvoką, o remdamiesi šiuo apibrėžimu bandysime ieškoti būdų, kaip ją išmatuoti.

Niekas nenustebs išgirdęs, kad spalvas mes suvokiame akių pagalba, kurios užfiksuoja mus supančio pasaulio šviesą. Šviesa yra elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 390–740 nm (matomas akimis), todėl pabandykime rasti raktą į būdus, kaip išmatuoti spalvą šių spindulių savybėse, darydami prielaidą, kad spalva yra šviesos, patenkančios į mūsų šviesą, charakteristikos. akys. Tai jokiu būdu neprieštarauja mūsų mintims: būtent į akis patenkanti šviesa skatina žmogų suvokti spalvą.

Fizika žino ir gali nesunkiai išmatuoti tokius šviesos parametrus kaip galia ir jos spektrinė sudėtis (tai yra galios pasiskirstymas bangos ilgiais – spektras). Išmatavę atspindėtos šviesos spektrą, pavyzdžiui, nuo mėlyno ir raudono paviršiaus, pamatysime, kad einame teisingu keliu: galios pasiskirstymo grafikai labai skirsis, o tai patvirtina mūsų prielaidą, kad spalva yra matomos spinduliuotės savybė. , kadangi šie paviršiai skirtinga spalva. Pirmasis mūsų laukiantis sunkumas yra poreikis įrašyti bent 35 skaitines spektro reikšmes (matomas bangos ilgių diapazonas 390–740 nm su 10 nm žingsniu), kad būtų apibūdinta viena spalva. Dar prieš pradėdami galvoti apie būdus, kaip išspręsti šią nedidelę problemą, pastebime, kad kai kurių identiškų spalvų pavyzdžių spektrai elgiasi keistai (raudonos ir žalios diagramos):

Matome, kad spektrai labai skiriasi, nepaisant neabejotinai identiškos mėginių spalvos (šiuo atveju - pilka; tokios dvi spinduliuotės vadinamos metamerinėmis). Šių pavyzdžių spalvos pojūčio formavimuisi įtakos turi tik nuo jų atsispindinti šviesa (čia pamiršime fono spalvos įtaką, akies prisitaikymo prie apšvietimo lygį ir kitus nedidelius veiksnius), nes spektrinis pasiskirstymas yra viskas, ką mums gali suteikti mūsų mėginių fiziniai matavimai. Šiuo atveju du žymiai skirtingi spektriniai pasiskirstymai apibrėžia tą pačią spalvą.

Pateiksime antrą spalvų spektrinio aprašymo problemos pavyzdį. Žinome, kad kiekvienos matomo spektro dalies spinduliai mums yra nuspalvinti tam tikra spalva: nuo mėlynos 400 nm srityje iki mėlynos, žalios, geltonos, oranžinės iki raudonos, kurių bangos ilgis 650 nm ir didesnis. Geltona yra kažkur 560–585 nm srityje. Tačiau galime pasirinkti raudonos ir žalios spinduliuotės mišinį, kuris bus suvokiamas kaip geltonas, nepaisant to, kad „geltonos“ 560–585 nm diapazone nėra jokios spinduliuotės.

Pasirodo, jų nėra fiziniai parametrai negali paaiškinti spalvos tapatumo pirmoje situacijoje ir geltonos spindulių spalvos buvimo antroje situacijoje. Keista situacija? Kur mes suklydome?

Atlikdami eksperimentą su spektrų matavimu, manėme, kad spalva yra spinduliuotės savybė, tačiau mūsų rezultatai tai paneigia, nes visame spektre radome skirtingus šviesos spindulius, kurie suvokiami kaip ta pati spalva. Jei mūsų prielaida būtų teisinga, kiekvienas pastebimas spektro kreivės pokytis sukeltų juntamą spalvos pasikeitimą, kuris nepastebimas. Kadangi dabar ieškome būdų išmatuoti spalvą ir pamatėme, kad spektrų matavimo negalima vadinti spalvos matavimu, turime ieškoti kitų būdų, kaip tai būtų įmanoma.

Tiesą sakant, pirmuoju atveju buvo atlikti du eksperimentai: vienas naudojant spektrometrą, kurio rezultatas buvo du grafikai, o kitas – vizualinis žmogaus mėginių palyginimas. Pirmasis metodas matuoja spektrinė kompozicijašviesa, o antroji lygina Jaustižmogaus galvoje. Kadangi pirmasis metodas mums netinka, spalvai matuoti bandysime naudoti žmogų, darydami prielaidą, kad spalva yra pojūtis, kurį žmogus patiria, kai į akis patenka šviesa. Bet kaip išmatuoti žmogaus pojūčius, suvokiant šios sąvokos sudėtingumą ir neapibrėžtumą? Elektrodai į smegenis ar encefalograma neturėtų būti siūlomi, nes tokie metodai net ir dabar nesuteikia reikiamo tikslumo tokiai subtiliai sąvokai kaip spalva. Be to, Ši problema buvo sėkmingai išspręsta dar XX amžiaus XX amžiuje, kai nebuvo daugumos dabartinių technologijų.

Ryškumas

Pirmoji problema, kurią reikėjo išspręsti skaitiniu būdu išreikšti žmogaus regos pojūčius, buvo šviesos šaltinių ryškumo matavimas. Matuojant lempų spinduliuotės galią (būtent spinduliuotės galią džauliais arba vatais, o ne sunaudotą elektros energiją) į šį klausimą neatsakyta, nes, pirma, žmogus nemato spinduliuotės, kurios bangos ilgis mažesnis nei 380 ir didesnis nei 780. nm, todėl bet kokia spinduliuotė už šio diapazono ribų neturi įtakos šaltinio ryškumui. Antra, kaip jau matėme su spektrais, spalvų (ir ryškumo) pojūtis yra sudėtingesnis procesas nei tiesiog į akis patenkančios šviesos charakteristikų fiksavimas: žmogaus regėjimas yra jautresnis kai kurioms spektro zonoms, o mažiau kiti. Pavyzdžiui, žalia spinduliuotė yra daug ryškesnė nei mėlyna spinduliuotė, kurios galia yra identiška. Akivaizdu, kad norint išspręsti šviesos šaltinių ryškumo skaitmeninio išreiškimo problemą, būtina kiekybiškai įvertinti žmogaus regėjimo sistemos jautrumą visoms atskiroms spektro bangoms, kurias vėliau galima naudoti apskaičiuojant kiekvieno šaltinio bangos ilgio indėlį. iki viso jo ryškumo. Kaip ir aukščiau iškelta problema, susijusi su spalvų matavimu, ši problema taip pat kyla dėl būtinybės išmatuoti asmens ryškumo suvokimą.

Vizualiai lyginant spinduliuotės ryškumą su žinomomis žmogaus galiomis, buvo galima išmatuoti kiekvieno bangos ilgio spinduliuotės ryškumo pojūtį. Tai gana paprasta: kontroliuojant spinduliavimo intensyvumą, reikia suvienodinti dviejų monochromatinių (spektriškai siauriausių) srautų ryškumą, matuojant jų galias. Pavyzdžiui, norint išlyginti monochromatinės spinduliuotės ryškumą, kurio bangos ilgis yra 555 nm, esant vieno vato galiai, reikia naudoti dviejų vatų spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra 512 nm. Tai yra, mūsų vizualinė sistema dvigubai jautresnis pirmajai spinduliuotei. Praktiškai, siekiant didelio rezultatų tikslumo, buvo atliktas sudėtingesnis eksperimentas, tačiau tai nekeičia to, kas buvo pasakyta (procesas išsamiai aprašytas originaliame 1923 m. moksliniame darbe). Tokių eksperimentų serijos visame matomame diapazone rezultatas yra spektrinė šviesos efektyvumo kreivė (taip pat galite rasti pavadinimą „matomumo kreivė“):

X ašis žymi bangos ilgius, o Y ašis – santykinį žmogaus regos sistemos jautrumą atitinkamam bangos ilgiui.

Turėdami tokio pat spektrinio jautrumo įrenginį, juo nesunkiai nustatysite norimos šviesos spinduliuotės ryškumą. Būtent prie šios kreivės kruopščiai sureguliuojamas įvairių fotometrų, liukso matuoklių ir kitų prietaisų jautrumas, kurį veikiant svarbu nustatyti žmogaus suvokiamą šviesumą. Bet tokių prietaisų jautrumas visada yra tik apytikslis žmogaus spektrinės šviesos efektyvumo kreivės apytikslis rodiklis, o tikslesniams ryškumo matavimams naudojamas dominančio šviesos šaltinio spektrinis pasiskirstymas.

Spektrinis pasiskirstymas gaunamas padalijant spinduliuotę į siauras spektrines zonas ir matuojant kiekvienos iš jų galią atskirai. Savo šaltinio ryškumą galime laikyti visų šių spektrinių zonų ryškumo suma, ir tam mes nustatome kiekvienos iš jų ryškumą (formulė tiems, kuriems neįdomu skaityti mano paaiškinimus ant pirštų): mes padauginkite išmatuotą galią iš mūsų regos sistemos jautrumo, atitinkančio šį bangos ilgį ( Y ir X ašys ankstesnis tvarkaraštis atitinkamai). Susumavus visų tokiu būdu gautų spektro zonų šviesius, gausime savo pirminės spinduliuotės ryškumą fotometriniais vienetais, kurie leidžia tiksliai suprasti, koks yra tam tikrų objektų ryškumas. Vienas iš fotometrinių vienetų, įtrauktų į pagrindinius SI vienetus, yra kandela, kuri nustatoma per spektrinę šviesos efektyvumo kreivę, tai yra, remiantis žmogaus regos sistemos savybėmis. Žmogaus regėjimo sistemos santykinio jautrumo kreivę 1924 metais priėmė kaip tarptautinį standartą Tarptautinė apšvietimo komisija (sovietinėje literatūroje galite rasti santrumpą MKO) arba CIE – Commission Internationale de l'Éclairage.

CIE RGB sistema

Tačiau spektrinė šviesos efektyvumo kreivė leidžia įsivaizduoti tik šviesos spinduliuotės ryškumą, o galima įvardinti ir kitas jos charakteristikas, pavyzdžiui, sodrumą ir atspalvį, kurių jos pagalba neįmanoma išreikšti. Remdamiesi ryškumo matavimo metodu, dabar žinome, kad spalvą žmogus gali „išmatuoti“ tik tiesiogiai (nepamirškite, kad spalva yra pojūtis) arba pagal kokį nors jo reakcijos modelį, pavyzdžiui, spektrinę šviesos efektyvumo kreivę, kuri. leidžia skaičiais išreikšti ryškumo pojūčius. Tarkime, kad norint išmatuoti spalvą, reikia eksperimentiškai, pasitelkus žmogų, pagal analogiją su šviesos efektyvumo kreive sukurti tam tikrą sistemą, kuri parodytų regėjimo sistemos spalvinę reakciją į viską. galimi variantai spektrinis šviesos pasiskirstymas.

Seniai žinoma viena šviesos spindulių savybė (tiesą sakant, tai yra mūsų regėjimo sistemos ypatybė): sumaišius dvi skirtingos spalvos spinduliuotę, galima gauti spalvą, kuri visiškai skirsis nuo pradinių. Pavyzdžiui, nurodant Baltasis sąrašas popierius vienoje vietoje su tam tikros galios žalia ir raudona šviesa, galite gauti grynai geltoną dėmę be jokių žalių ar raudonų atspalvių priemaišų. Pridėjus trečią spinduliuotę, o mėlyna geriau tinka prie esamų dviejų (nes jos negalima gauti su raudonos ir žalios spalvos mišiniu), gauname sistemą, kuri leis išgauti daug spalvų.

Jei tokiame įrenginyje vizualiai išlyginsime tam tikrą bandomąją spinduliuotę, gausime tris indikatorius: atitinkamai raudonos, žalios ir mėlynos spalvos spinduliuotės intensyvumą (pavyzdžiui, lempoms tiekiamą įtampą). Tai yra, naudodamiesi savo prietaisu (vadinamu vizualiu kolorimetru), kuris atkuria spalvas, ir savo vizualinę sistemą galėjome gauti skaitinės reikšmės tam tikros spinduliuotės spalvos, ko mes ir siekėme. Šios trys reikšmės dažnai vadinamos spalvų koordinates, nes patogu jas vaizduoti kaip trimatės erdvės koordinates.

Panašius eksperimentus XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje nepriklausomai atliko mokslininkai Johnas Guildas ir Davidas Wrightas. Wrightas naudojo monochromatinę raudonos, žalios ir žalios spalvos spinduliuotę mėlynos spalvos kurių bangos ilgiai buvo atitinkamai 650, 530 ir 460 nm, o Guild naudojo sudėtingesnę (ne monochromatinę) spinduliuotę. Nepaisant didelių skirtumų tarp naudojamos įrangos ir to, kad duomenys buvo vidurkiauti iš tik 17 stebėtojų, turinčių normalų regėjimą (10 Wright ir 7 Guild), galutiniai abiejų tyrėjų rezultatai buvo labai arti vienas kito, o tai rodo didelį tikslumą. mokslininkų atliktų matavimų. Schematiškai matavimo procedūra parodyta paveikslėlyje:

Įjungta viršutinė dalis ekranas projektuoja spinduliuotės mišinį trys šaltiniai, o apačioje – tiriama spinduliuotė, o eksperimento dalyvis juos mato vienu metu per užuolaidoje esančią angą. Tyrėjas iškelia dalyviui užduotį suvienodinti spalvą tarp prietaiso laukų ir tuo pačiu nukreipia tiriamą spinduliuotę į apatinį lauką. Dalyvis koreguoja trijų spindulių galias, kol pavyksta, o tyrėjas registruoja trijų šaltinių intensyvumus.

Kai kuriais atvejais tokio eksperimento metu neįmanoma išlyginti tam tikros monochrominės spinduliuotės: bandymo laukas bet kurioje trijų spindulių reguliatorių padėtyje išlieka labiau prisotintas nei naudojamas mišinys. Tačiau dėl to, kad eksperimento tikslas yra gauti spalvų koordinates, o ne jas atkurti, mokslininkai panaudojo gudrybę: vieną pagrindinę įrenginio spinduliuotę sumaišė ne su kitomis dviem, o nukreipė į apačią. ekrano, tai yra, jie sumaišė jį su bandomąja spinduliuote:

Tolesnis išlyginimas atliekamas kaip įprasta, tačiau spinduliuotės kiekis, susimaišęs su tiriamuoju, bus laikomas neigiamu. Čia galime nubrėžti analogiją su ženklo pokyčiu, kai skaičius perkeliamas į kitą įprastos lygties dalį: kadangi tarp dviejų kolorimetro ekrano dalių nustatoma vizualinė lygybė, jos viršutinė dalis gali būti laikoma viena lygties dalimi. o apatinė dalis kaip kita.

Abu mokslininkai vizualiai matavo visus atskirus vienspalvius spindulius matomame spektre. Tokiu būdu tyrinėdami matomo spektro savybes, mokslininkai manė, kad jų rezultatai gali būti panaudoti apibūdinti bet kokią kitą spinduliuotę. Mokslininkai veikė trijų nepriklausomų spindulių galiomis, o tokių eksperimentų serijos rezultatas yra trys kreivės, o ne viena, kaip buvo padaryta kuriant šviesos efektyvumo kreivę.

Siekdamas sukurti patogią ir universalią spalvų specifikacijos sistemą, CIE komitetas suvidurkino Guild ir Wright matavimų duomenis ir perskaičiavo jų duomenis trims pagrindinėms spinduliuotėms, kurių bangos ilgiai yra 700, 546,1 ir 435,8 nm (raudona, žalia, mėlyna – RGB). Žinant tokios vidutinės sistemos pagrindinių spindulių, reikalingų baltai spalvai atkurti, ryškumo santykį (atitinkamai 1: 4,5907: 0,0601 raudoniems, žaliems ir mėlyniems spinduliams, kuris buvo nustatytas eksperimentiniu būdu, vėliau perskaičiavus) ir naudojant spektrą. efektyvumo kreivė, CIE nariai apskaičiavo specifines spalvų koordinačių kreives , kurios parodo reikiamą trijų pagrindinių šios sistemos spindulių kiekį, kad būtų galima lyginti bet kokią monochromatinę vieno vato galios spinduliuotę:

X ašyje rodomi bangos ilgiai, o Y ašyje – reikiami trijų spindulių kiekiai, reikalingi atitinkamo bangos ilgio sukeltai spalvai atkurti. Neigiamos grafikų dalys atitinka tuos monochromatinius spindulius, kurių negali atkurti trys pagrindinės sistemoje naudojamos spinduliuotės, o norint jas patikslinti, reikia pasitelkti aukščiau aprašytą koregavimo triuką.

Norėdami sukurti tokią sistemą, galime pasirinkti bet kokias kitas tris spinduliuotes (atmindami, kad nė viena iš jų neturėtų būti atkuriama kitų dviejų mišiniu), kurios suteiks mums kitas specifines kreives. CIE RGB sistemoje atkuriamos pagrindinės emisijos didelis skaičius spektro spinduliuotę, o jos specifinės kreivės gaunamos labai tiksliai ir standartizuotos.

Konkrečios spalvų koordinačių kreivės pašalina poreikį naudoti sudėtingą vizualinį kolorimetrą, kurio lėtas vizualinio reguliavimo metodas leidžia gauti spalvų koordinates su žmogaus pagalba ir leidžia jas apskaičiuoti tik pagal spektrinį spinduliuotės pasiskirstymą, kuris gana greitai ir lengvai gaunamas naudojant spektrometras. Šis metodas yra įmanomas, nes bet kuri spinduliuotė gali būti pavaizduota kaip monochromatinių spindulių mišinys, kurio galia atitinka šios spinduliuotės spektro atitinkamos zonos intensyvumą.

Dabar patikrinkime du mūsų pavyzdžius, kuriems fizika pasidavė, rodydami skirtingus vienos spalvos objektų spektrus, naudodami konkrečių koordinačių kreivių formulę: pakaitomis padauginkime nuo mėginių atsispindėjusios šviesos galių spektrinį pasiskirstymą iš trijų specifinių kreivių ir susumuokite kiekvieno iš jų rezultatai (kaip skaičiuojant ryškumą pagal spektrinį pasiskirstymą, bet čia naudojamos trys kreivės). Rezultatas bus trys skaičiai R, G ir B, kurie yra spalvų koordinatės CIE RGB sistemoje, tai yra, trijų šios sistemos emisijų kiekiai, kurių mišinys yra identiškos spalvos kaip matuojamas. Mes gausime tris identiškus RGB indikatorius dviem mūsų pavyzdžiams, kurie atitinka mūsų identišką spalvos pojūtį ir patvirtina mūsų prielaidą, kad spalva yra pojūtis ir gali būti matuojamas tik dalyvaujant mūsų regos sistemai arba jos modeliui trijų formų pavidalu. CIE RGB sistemos ar kitos kreivės, kurių konkrečios koordinatės žinomos (kitą tokią sistemą, paremtą kitomis pirminėmis spalvomis, nagrinėsime kiek vėliau). Naudodami CIE RGB kolorimetrą tiesiogiai iš mėginių atsispindėjusiai šviesai matuoti, ty vizualiai suderindami trijų sistemos emisijų mišinio spalvą su kiekvieno mėginio spalva, gauname tas pačias tris RGB koordinates.

Pažymėtina, kad kolorimetrinėse sistemose įprasta bazinės spinduliuotės kiekius normalizuoti taip, kad R=G=B=1 atitiktų sistemoje priimtą baltą spalvą. CIE RGB sistemai ši balta spalva yra hipotetinio vienodos energijos šaltinio, kuris skleidžia tolygiai visais matomo spektro bangos ilgiais, spalva. Be tokio normalizavimo sistema pasirodo nepatogi, nes mėlynos spalvos šaltinio ryškumas yra labai mažas - 4,5907: 0,0601, palyginti su žalia, o diagramose dauguma spalvų „priliptų“ prie mėlynos diagramos ašies. Įvedę tokį normalizavimą (atitinkamai 1: 4,5907: 0,0601 sistemos raudoniems, žaliiems ir mėlyniems spinduliams), pereisime nuo fotometrinių prie kolorimetrinių vienetų, o tai padarys tokią sistemą patogesnę.

Atkreipkite dėmesį, kad CIE RGB sistema nėra pagrįsta jokia teorija spalvų matymas, o specifinės spalvų koordinačių kreivės nėra spektrinis jautrumas trijų tipųžmogaus tinklainės kūgiai, nes jie dažnai klaidingai interpretuojami. Tokia sistema gali lengvai išsiversti be duomenų apie tinklainės kūgio pigmentų savybes ir be jokių duomenų apie labai sudėtingi procesai apdorojame vaizdinę informaciją mūsų smegenyse. Tai byloja apie išskirtinį mokslininkų, sukūrusių tokią sistemą, išradingumą ir įžvalgumą nepaisant nereikšmingos informacijos apie to meto žmogaus regėjimo aparato savybes. Be to, CIE RGB sistema yra beveik nepakitusi iki šių dienų, nepaisant didžiulės mokslo pažangos laikui bėgant.

Taip pat reikia pažymėti, kad nepaisant to, kad monitorius spalvoms atkurti taip pat naudoja tris spinduliuotę, kaip ir CIE RGB sistema, trys monitoriaus spalvų komponentų (RGB) reikšmės tiksliai nenurodys spalvos, nes skirtingi monitoriai atkuria spalva skiriasi su gana dideliu svyravimu, be to, pagrindinė monitorių emisija labai skiriasi nuo pagrindinių CIE RGB sistemos emisijų. Tai reiškia, kad neturėtumėte laikyti monitoriaus RGB verčių kaip tam tikro absoliučios spalvos apibrėžimo.

Norint geriau suprasti, reikėtų pažymėti, kad sakydami „spinduliuotė / šaltinis / bangos ilgis / lempa yra žalia“, iš tikrųjų turime omenyje, kad „spinduliuotė / šaltinis / bangos ilgis / lempa sukelia jausmą Žalia spalva“ Matoma spinduliuotė yra tik stimulas mūsų regos sistemai, o spalva yra šio dirgiklio suvokimo rezultatas, o spalvos savybės neturėtų būti priskiriamos elektromagnetinėms bangoms. Pavyzdžiui, kaip ir aukščiau pateiktame pavyzdyje, sumaišius raudonus ir žalius monochromatinius spindulius neatsiranda bangų iš geltonojo spektro diapazono, tačiau mes suvokiame jų mišinį kaip geltoną.

Nerealios spalvos. CIE XYZ sistema

1931 m. Kembridžo universiteto Trinity koledže (JK) kitame CIE posėdyje sistema, pagrįsta Guild ir Wright duomenimis, buvo priimta kaip tarptautinis standartas. Taip pat mokslininkų grupė, vadovaujama amerikiečio Deane'o B. Judd, siekdama nelaukti kito komiteto posėdžio, kuris įvyks ne anksčiau kaip po metų, pasiūlė kitą spalvų specifikacijos sistemą, kurios galutiniai duomenys buvo suskaičiuoti. tik naktį prieš susitikimą. Siūloma sistema pasirodė tokia patogi ir sėkminga, kad komitetas ją priėmė be rimtų diskusijų.

Norint suprasti, kuo remiantis buvo sukurta tokia sistema, spalva turi būti vaizduojama kaip vektorius, nes dviejų ar daugiau spalvų pridėjimas paklūsta toms pačioms taisyklėms kaip ir vektorių pridėjimas (tai išplaukia iš Grassmanno dėsnių). Pavyzdžiui, raudonos ir žalios spinduliuotės sumaišymo rezultatas gali būti pateikiamas kaip dviejų vektorių, kurių ilgis yra proporcingas šių spindulių ryškumui, pridėjimas:

Mišinio ryškumas bus lygus pridėjimo būdu gauto vektoriaus ilgiui, o spalva priklausys nuo naudojamų spindulių ryškumo santykio. Kuo didesnis santykis yra vienos iš pagrindinių spalvų naudai, tuo labiau gaunamos spinduliuotės spalva bus artimesnė šiai spinduliuotei:

Pabandykime panašiu būdu grafiškai pavaizduoti spalvų maišymąsi kolorimetre, kuris buvo naudojamas kuriant CIE RGB sistemą. Kaip mes prisimename, jis naudoja tris spindulius: raudoną, žalią ir mėlynos spalvos. Šių trijų spalvų negalima gauti susumavus kitus du, todėl visi galimi šių spindulių mišiniai turės būti pavaizduoti trimatėje erdvėje, o tai netrukdo šiuo atveju panaudoti spalvų pridėjimo vektorines savybes. :

Ne visada patogu braižyti trimates diagramas, todėl dažnai naudojamas supaprastintas grafikas, kuris yra visų reikalingų spalvų projekcija į vieną trimatės diagramos plokštumą (paryškinta mėlyna spalva):

Tokios spalvų vektoriaus projekcijos rezultatas bus diagramos taškas, kurio ašys bus trikampio kraštinės, kurias nurodo CIE RGB sistemos pagrindinių spalvų taškai:

Toks taškas šio trikampio sistemoje turės koordinates atstumo nuo bet kurių dviejų jo kraštinių pavidalu (trečioji koordinatė yra perteklinė, nes trikampyje bet kurį tašką galima nustatyti dviem atstumais nuo viršūnių ar kraštinių). Tokiame trikampyje esančios koordinatės vadinamos spalvingumo koordinatėmis ir jos nustato tokius spalvų parametrus kaip atspalvis (mėlyna, žalsvai žalia ir kt.) ir sodrumas (pilka, blyški, prisotinta ir kt.). Dėl to, kad nuo trimatės perėjome prie plokščios diagramos, tai neleidžia parodyti trečiojo spalvos parametro – ryškumo, tačiau daugeliu atvejų pakaks nustatyti tik spalvingumo reikšmę.

Norėdami išvengti painiavos, atskirai pabrėžkime, kad koordinates spalvos- tai yra spalvų vektoriaus pabaigos padėtis trimatėje sistemoje, ir jie žymimi didžiosiomis raidėmis (pavyzdžiui, RGB, XYZ) ir koordinatėmis spalvingumas- tai yra spalvos taško padėtis plokščioje spalvingumo diagramoje ir jie yra pažymėti mažosios raidės(rg, xy) ir pakanka dviejų iš jų.

Naudojant koordinačių sistemą, kurioje nėra tarp ašių stačiu kampu ne visada yra nepatogu, todėl kolorimetrijoje tokia sistema dažnai naudojama trys vektoriai, kurios vienetinė plokštuma susidaro taisyklingas trikampis. Dvi jo kraštinės, esančios šalia stačiojo kampo, naudojamos kaip spalvingumo diagramos ašys:

Dabar į tokią diagramą pateikime visus galimus spalvingumus, kurių riba bus spektriškai grynos emisijos linija su purpurinės spalvos linija, dažnai vadinama lokusu, kuri riboja realių spalvų plotą diagramoje. (raudona linija):

Violetinės spalvos spalvingumo linija yra tarp spinduliuotės spalvingumo kraštutiniuose mėlynuose ir raudonuose spektro galuose. Negalime susieti jokios spektro zonos su violetinėmis spalvomis, kaip tai galime padaryti su bet kuria kita spalva, nes purpurinės spalvos pojūtis atsiranda, kai mėlyni ir raudoni spinduliai vienu metu veikia mūsų regos sistemą, o ne vieną.

Didelė lokuso dalis (zonoje 380-546 nm) išeina už trikampio, kurį riboja pagrindinių spindulių spalvingumas, tai yra, turi neigiamas spalvingumo koordinates, nes ši spektrinių spindulių dalis negali būti išlyginta. CIE kolorimetras. Tai atitinka konkrečių spalvų koordinačių kreives, kuriose ta pati spektro dalis turi neigiamas koordinates (380–440 nm diapazone tai yra mažos reikšmės, nematomos grafike).

Neigiamų spalvų ir spalvingumo koordinačių buvimas kolorimetrinius skaičiavimus pavertė sudėtinga užduotimi: 20–30-aisiais dauguma skaičiavimų buvo atliekami naudojant skaidrių taisyklę, o kolorimetrinio darbo skaičiavimų kiekis buvo gana didelis.

Ankstesnė diagrama rodo, kad visos teigiamos koordinatės turi tik spalvas, kurios yra trikampyje, kurį sudaro pagrindinės šioje sistemoje naudojamos spinduliuotės spalvos. Jei lokusas būtų trikampio viduryje, visos spalvos turėtų teigiamas koordinates, o tai labai supaprastintų skaičiavimus. Tačiau dėl išgaubtos formos neįmanoma rasti tokių trijų lokuso taškų, kurie galėtų jį visiškai įtraukti. Vėliau buvo nustatyta, kad šios lokuso formos priežastis slypi trijų mūsų akies kūgių tipų, kurie persidengia vienas su kitu, spektrinio jautrumo ypatumai ir bet kokia spinduliuotė sužadina kūgius, kurie yra atsakingi už kitą akies zoną. spektras, kuris sumažina spalvų sodrumo lygį.

Ką daryti, jei peržengsime lokusą ir naudosime spalvas, kurių negalima atkurti ar matyti, bet kurių koordinates galima lengvai panaudoti lygtyse kartu su tikrų spalvų koordinatėmis? Kadangi nuo eksperimentų jau perėjome prie skaičiavimų, niekas netrukdo naudoti tokių nerealių spalvų, nes išsaugomos visos spalvų maišymo savybės! Mums tinka bet kokios trys spalvos, kurių trikampyje gali būti tikrų spalvų lokusas, o tokių nerealių pirminių spalvų trynukų nesunkiai nupieštume (tokį trikampį būtų patartina kuo tvirčiau statyti aplink lokusą, tokiu būdu diagramoje bus mažiau nereikalingų sričių):

Turėdami laisvę pasirinkti naujų pirminių spalvų taškus, mokslininkai nusprendė išgauti keletą naudingų naujos trijų spalvų sistemos galimybių. Pavyzdžiui, galimybė fotometrinį ryškumą nustatyti tiesiogiai naudojant sukurtą sistemą be papildomų skaičiavimų ar matavimų (CIE RGB sistemoje ryškumas turi būti skaičiuojamas), tai yra, kaip nors sujungti jį su 1924 m. fotometriniu etalonu.

Norėdami pateisinti trijų naujų spalvų pasirinkimą (atminkite, kad jos egzistuoja tik skaičiavimuose), kurias galiausiai pasirinko mokslininkai, grįžkime prie mūsų tūrinės spalvų koordinačių diagramos. Siekiant aiškumo ir lengviau suprasti, naudosime įprastą stačiakampę koordinačių sistemą. Ant jo pastatykime plokštumą, kurioje visos spalvos turės vienodą fotometrinį ryškumą. Kaip prisimename, raudonos, žalios ir mėlynos pagrindinės spinduliuotės vienetiniai ryškumai CIE RGB sistemoje yra koreliuojami kaip 1: 4,5907: 0,0601, o norint grįžti prie fotometrinių vienetų, juos reikia paimti santykiu 1/1 iki 1/4,59 iki 1/0, 0601, tai yra 1:0,22:17, kuri suteiks mums spalvų plokštumą su tokiu pat fotometriniu ryškumu CIE RGB kolorimetrinėje sistemoje (plokštumos susikirtimo su B ašimi taškas yra už paveikslo ribų, 17 padėtyje):

Visos spalvos, kurių koordinatės yra šioje plokštumoje, turės tokį patį fotometrinį ryškumą. Jei atliksite lygiagreti plokštuma perpus žemesnė nei ankstesnė (0,5:0,11:8,5), spalvų padėtį gauname perpus mažesniu ryškumu:

Panašiai žemiau galite nubrėžti naują lygiagrečią plokštumą, kuri kirs koordinačių pradžią, kurioje bus visos nulinio ryškumo spalvos, o dar žemiau galite nubrėžti neigiamo ryškumo plokštumas. Tai gali atrodyti absurdiška, tačiau atminkite, kad dirbame su matematiniu trijų spalvų sistemos pavaizdavimu, kur visa tai įmanoma lygtyse, kurias naudosime.

Grįžkime prie plokščios rg diagramos, projektuodami į ją nulinio ryškumo plokštumą. Projekcija bus nulinio ryškumo linija - alikhne, kuri kerta koordinačių pradžią:

Alichne yra spalvingumo, kuris neturi ryškumo, o jei naudosite ant jo uždėtą spalvą spalvų išlyginimui (ne tikrą, maišant šviesos srautus, bet lygtyse, kur tokios spalvos galimos), tai neturės įtakos gautas mišinys. Jei ant alichnos padėsime dvi trijų spalvų sistemos spalvas, tai viso mišinio ryškumą lems tik viena likusi spalva.

Leiskite priminti, kad mes ieškome tokių trijų hipotetinių spalvų spalvų koordinačių, kurios gali suvienodinti visų realių spindulių spalvas nenaudojant neigiamų reikšmių (trikampis turi apimti visą lokusą) ir tuo pačiu naujoji sistema tiesiogiai įtraukti fotometrinį šviesumo standartą. Padėję dvi spalvas ant alichnės (pavadintos X ir Z) ir trečią virš lokuso (Y), išsprendžiame abi problemas:

Tikrų spalvų lokusas yra visiškai trikampyje, kurį riboja trys pasirinktos spalvos, o ryškumas visiškai perkeliamas į vieną iš trijų sistemos komponentų - Y. Priklausomai nuo kiekių normalizavimo ir spalvos pobūdžio. Išmatavimuose Y koordinatė gali išreikšti ryškumą tiesiogiai kandelomis vienam m 2, kai kurios sistemos (pvz., ekrano) maksimalaus ryškumo procentą, perdavimo procentą (pvz., skaidrūs pavyzdžiai, skaidrės) arba ryškumą, palyginti su tam tikru standartu. (matuojant atspindinčius pavyzdžius).

Pavertę gautą trikampį į stačiakampį, gauname daugeliui žinomą xy spalvingumo diagramą:

Reikia atsiminti, kad xy diagrama yra sistemos projekcija su pagrindiniais XYZ taškais į vieneto plokštumą, panašiai kaip rg diagrama ir RGB sistema. Ši diagrama leidžia patogiai iliustruoti įvairių spindulių spalvas, pavyzdžiui, įvairių prietaisų spalvų gamas. Diagrama turi vieną naudingą turtą: dviejų spindulių mišinio spalvingumo koordinatės bus griežtai ties linija, jungiančia šių dviejų spindulių taškus diagramoje. Todėl, pavyzdžiui, monitoriaus spalvų gama tokioje diagramoje bus trikampis.

Xy diagrama taip pat turi vieną trūkumą, kurį reikia atsiminti: vienodos juostos skirtingose ​​diagramos dalyse nereiškia to paties suvokiamo spalvų skirtumo. Tai iliustruoja dvi baltos linijos ankstesniame paveikslėlyje. Šių segmentų ilgiai atitinka to paties spalvos skirtumo pojūtį, tačiau segmentų ilgis skiriasi tris kartus.

Apskaičiuokime gautos sistemos specifines spalvų koordinačių kreives, kurios rodo reikiamą trijų pagrindinių spalvų XYZ skaičių bet kurios monochrominės spinduliuotės, kurios galia yra vieno vato, lygčiai:

Matome, kad kreivėse nėra neigiamų atkarpų (kas buvo pastebėta RGB sistemoje), tai buvo vienas iš XYZ sistemos kūrimo tikslų. Taip pat y kreivė (rodyklė su brūkšneliu viršuje) visiškai sutampa su žmogaus regėjimo spektrinio šviesos efektyvumo kreive (ji buvo aptarta aukščiau aiškinant šviesos spinduliuotės ryškumo nustatymą), todėl Y reikšmė lemia spalvos ryškumas tiesiogiai – jis apskaičiuojamas taip pat, kaip ir fotometrinis ryškumas pagal tą pačią kreivę. Tai pasiekiama dedant kitas dvi sistemos spalvas nulinio skaisčio plokštumoje. Todėl 1931 m. kolorimetrinis standartas apima 1924 m. fotometrinį etaloną, todėl nereikia atlikti nereikalingų skaičiavimų ar matavimų.

Šios trys kreivės apibrėžia standartinį kolorimetrinį stebėtoją – standartą, naudojamą kolorimetriniam spektrinių matavimų aiškinimui ir kuriuo grindžiamas visas spalvų mokslas, beveik nepakitęs iki šiol. Nors XYZ Visual Colorimeter fiziškai negali egzistuoti, jo savybės leidžia labai tiksliai išmatuoti spalvas ir padeda daugeliui pramonės šakų atkurti ir perduoti spalvų informaciją nuspėjamai. Visi tolesni spalvų mokslo pasiekimai yra pagrįsti XYZ sistema, pavyzdžiui, pažįstama CIE L*a*b* sistema ir panašiai, taip pat naujausios sistemos CIECAM, kurios naudoja šiuolaikines programas spalvų profiliams kurti.

Rezultatai

1. Norint tiksliai dirbti su spalva, reikia ją išmatuoti, o tai taip pat būtina, kaip matuoti ilgį ar svorį.
2. Šviesos spinduliuotės suvokiamo ryškumo (vieno iš regėjimo pojūčio atributų) išmatuoti neįmanoma neatsižvelgiant į mūsų regėjimo sistemos ypatybes, kurios buvo sėkmingai ištirtos ir įtrauktos į visus fotometrinius dydžius (kandela, liumenas, liuksas) forma. jo spektrinio jautrumo kreivė.
3. Paprasčiausias tiriamos šviesos spektro matavimas pats savaime neatsako į klausimą apie jos spalvą, nes nesunku rasti skirtingus spektrus, kurie suvokiami kaip viena spalva. Skirtingi dydžiai, išreiškiantys tą patį parametrą (mūsų atveju spalvą), rodo šio nustatymo metodo nenuoseklumą.
4. Spalva yra šviesos (spalvos stimulo) suvokimo mūsų sąmonėje rezultatas, o ne fizinė šios spinduliuotės savybė, todėl šį pojūtį reikia kažkaip išmatuoti. Tačiau tiesioginis žmogaus pojūčių matavimas yra neįmanomas (arba buvo neįmanomas tuo metu, kai buvo sukurtos čia aprašytos kolorimetrinės sistemos).
5. Šios problemos buvo išvengta vizualiai (žmogaus dalyvavimu) išlyginus tiriamos spinduliuotės spalvą sumaišant tris spinduliuotes, kurių kiekiai mišinyje bus norima skaitine spalvos išraiška. Viena iš tokių trijų spindulių sistemų yra CIE RGB.
6. Eksperimentiškai išlyginus visas monochromatines spinduliuotes atskirai, naudojant tokią sistemą, gaunamos (paskaičiavus) specifinės šios sistemos koordinatės, kurios parodo reikalingus jos spinduliavimo kiekius, kad vieno vato galia išlygintų bet kokios monochrominės spinduliuotės spalvą.
7. Žinant konkrečias koordinates, galima apskaičiuoti tiriamos spinduliuotės spalvų koordinates pagal jos spektrinę sudėtį be asmens vizualinio spalvų išlyginimo.
8. Sistema CIE XYZ buvo sukurta matematinėmis CIE RGB sistemos transformacijomis ir remiasi tais pačiais principais – bet kurią spalvą galima tiksliai nurodyti trijų spindulių skaičiumi, kurių mišinį žmogus suvokia kaip identiškos spalvos. Pagrindinis skirtumas tarp XYZ sistemos yra tas, kad jos pagrindinių „spinduliacijų“ spalva egzistuoja tik kolorimetrinėse lygtyse, o jų gauti fiziškai neįmanoma.
9. Pagrindinė XYZ sistemos sukūrimo priežastis yra palengvinti skaičiavimus. Visų galimų šviesos spindulių spalvų ir spalvingumo koordinatės bus teigiamos. Be to, Y spalvos koordinatė tiesiogiai išreiškia fotometrinį stimulo ryškumą.

Išvada

Artimiausios IT specialistams veiklos sritys, kurios remiasi šiame straipsnyje aprašytais principais ir sistemomis, yra vaizdo apdorojimas ir jų atgaminimas įvairiais būdais: nuo fotografijos iki web dizaino ir spausdinimo. Spalvų valdymo sistemos tiesiogiai naudoja kolorimetrines sistemas ir spalvų matavimus, kad nuspėjamai atkurtų spalvas įvairiais būdais. Tačiau ši tema jau nepatenka į šio straipsnio taikymo sritį, nes čia paliečiami pagrindiniai spalvų teorijos aspektai, o ne spalvų atkūrimas.

Ši tema nepretenduoja pateikti išsamios ir išsamios informacijos apie iškeltą temą, o yra tik „vaizdelis, skirtas atkreipti dėmesį“ IT specialistams, iš kurių daugelis tiesiog privalo suprasti spalvų mokslo pagrindus. Kad būtų lengviau suprasti, daugelis dalykų čia yra supaprastinti arba pateikti praeityje, todėl pateikiame šaltinių sąrašą, kuris bus įdomus tiems, kurie nori iš arčiau susipažinti su spalvų teorija (visas knygas rasite internetas):
candela fotometrija Pridėti žymų

Puslapis 1

Chromatiškumo koordinatės apibūdina nurodytą spalvą. Tačiau spalvoto objekto šviesumo šios koordinatės neapsprendžia. Jei, pavyzdžiui, bet kurį spalvotą paviršių apibūdinančios spektrinio atspindžio kreivės ordinatės padvigubinamos, atitinkamai padidės ir spalvų koordinatės X, Y, Z. Tačiau spalvingumo koordinatės x, y, z lieka nepakitusios.

Chromatiškumo koordinatės skaičiuojamos iš tos trikampio pusės, esančios priešingoje viršūnėje, kurioje yra šią koordinatę atitinkanti pagrindinė spalva.

Spalvingumo z koordinatė dažniausiai nenurodoma.

Chromatiškumo koordinatės apibrėžia tam tikrą spalvą spalvų erdvės skerspjūvio plokštumoje.

Spalvingumo koordinatės (trijų spalvų koeficientai) x ir y sudaro Dekarto koordinačių sistemą.

Per ją XYZ sistemoje randame spalvos D spalvingumo koordinates.

Realiomis sąlygomis stebimų šviesos signalų spalvingumo koordinates lemia ne tik tam tikrame šviesos signalų įrenginyje ar signalizacijos įrenginyje naudojamų šviesos šaltinių ir šviesos filtrų spektrinės charakteristikos, bet ir galimi atmosferos spektrinių charakteristikų pokyčiai. sluoksniai, per kuriuos praeina šviesos signalą nešanti spinduliuotė. Signalų figūroms, be to, būtina atsižvelgti į spalvingumo koordinačių pokyčius, stebint šias figūras mažais kampais.

Todėl spalvingumo koordinatės ir konkrečios koordinatės šioje sistemoje turi tik teigiamas reikšmes, o tai supaprastina spalvų skaičiavimus.

Išreikškime spalvingumo koordinates k, z, s (2 - 72) santykiniais kanalų ke, ze, ce efektyvumais.

Spalvingumo koordinačių matavimas gali būti atliekamas naudojant VNISI sukurtą universalų fotoelektrinį kolorimetrą. Pastarojo kolorimetrinės galvutės viduje yra seleno fotoelementas ir du sukamieji diskai. Kiekviename diske yra penkios skylės. Trys pirmojo disko skylės (būtent šis matuojamas spalvingumo koordinatėmis) yra uždengtos x, y, z filtrais, ketvirtoji yra laisva, o penktoji – ekranu. Ekranas skirtas uždengti fotoelementą, kai tikrinamas galvanometro, prie kurio prijungtas fotoelementas, nulis. Įdėjus filtrą, atliekami visi šviesos matavimai. Antrasis diskas skirtas šaltinio spalvos temperatūrai matuoti. Trys šio disko skylutės uždengtos raudonais, žaliais ir mėlynais filtrais, viena laisva, kita – tinkleliu.

O spektrinių spalvų spalvingumo koordinatės g, g b pavaizduotos grafinėmis maišymosi kreivėmis. Jei pagrindinės spalvos R, G, B tikrai egzistuoja, tada maišymo kreivės turi atskirų sričių spektras turi neigiamas reikšmes, nes dviejų ar trijų pagrindinių spalvų suma suteikia spalvą mažiau sodrią nei spektrinės spalvos, kaip minėta aukščiau. Galite pasirinkti sąlygines spalvas kaip pagrindines spalvas, ne tikras, bet patogias skaičiavimams, pagrindines spalvas, kad maišymo kreivės visame spektre neturėtų neigiamų reikšmių. Šios kreivės vadinamos pagrindinių sužadinimų sudėjimo kreivėmis.

Kurie iškyla dirbant su vaizdais, ir daugelis kitų temų, pavyzdžiui, vaizdo apdorojimo tema, vienaip ar kitaip paliečiant spalvų ir spalvų atkūrimo klausimus. Deja, daugumoje šių straipsnių spalvos samprata ir jos atkūrimo ypatybės aprašomos labai paviršutiniškai arba daromos skubotos išvados ar net klaidos. Daugybė straipsnių ir klausimų specializuotuose forumuose apie praktinius tikslaus spalvų atkūrimo aspektus, taip pat daugybė neteisingų bandymų atsakyti į šiuos klausimus net pačių patyrusių specialistų leidžia manyti, kad problemų dirbant su spalvomis kyla gana dažnai. sunku rasti pagrįstus ir aiškius atsakymus į juos sunku.

Daugumos IT specialistų nepakankamos arba klaidingos žinios apie spalvų atkūrimą, mano nuomone, paaiškinamos tuo, kad labai mažai laiko skiriama spalvų teorijos studijoms, nes jos pagrindai yra apgaulingai paprasti: kadangi ant tinklainės yra trijų tipų kūgiai. akis, maišant tam tikras tris spalvas be problemų galima išgauti visą vaivorykštę spalvų, ką patvirtina RGB arba CMYK reguliatoriai kažkurioje programoje. Daugumai atrodo, kad to pakanka, ir jų potraukis žinių šioje srityje baigiasi. Tačiau vaizdų gavimo, kūrimo ir atkūrimo procesai paruošia jus su daugybe niuansų ir galimų problemų, kurias galima išspręsti suprantant spalvų teoriją ir procesus, kuriais ji grindžiama. Ši tema skirta užpildyti žinių spragą spalvų mokslo srityje ir bus naudinga daugumai dizainerių, fotografų, programuotojų ir, tikiuosi, kitų IT specialistų.

Pabandykite atsakyti į šiuos klausimus:

• Kodėl fizika negali apibrėžti spalvos sąvokos?
• Kuris iš septynių pagrindinių SI matavimo vienetų yra pagrįstas žmogaus regos sistemos savybėmis?
• Kokio spalvų tono nėra spektre?
• Kaip prieš 90 metų buvo galima išmatuoti žmogaus spalvų pojūtį?
• kur naudojamos spalvos, kurios neturi ryškumo?

Jei neradote atsakymo bent į vieną klausimą, rekomenduoju pasidairyti po katinu, kur rasite atsakymus į visus šiuos klausimus.

Spalvos sąvokos apibrėžimas. Jos matmuo

Visi žinome, kad mokslas neapsieina be matavimų ir matavimo vienetų, o spalvų mokslas nėra išimtis. Todėl pirmiausia pabandysime apibrėžti spalvos sąvoką, o remdamiesi šiuo apibrėžimu bandysime ieškoti būdų, kaip ją išmatuoti.

Niekas nenustebs išgirdęs, kad spalvas mes suvokiame akių pagalba, kurios užfiksuoja mus supančio pasaulio šviesą. Šviesa yra elektromagnetinė spinduliuotė, kurios bangos ilgis yra 390–740 nm (matomas akimis), todėl pabandykime rasti raktą į būdus, kaip išmatuoti spalvą šių spindulių savybėse, darydami prielaidą, kad spalva yra šviesos, patenkančios į mūsų šviesą, charakteristikos. akys. Tai jokiu būdu neprieštarauja mūsų mintims: būtent į akis patenkanti šviesa skatina žmogų suvokti spalvą.

Fizika žino ir gali nesunkiai išmatuoti tokius šviesos parametrus kaip galia ir jos spektrinė sudėtis (tai yra galios pasiskirstymas bangos ilgiais – spektras). Išmatavę atspindėtos šviesos spektrą, pavyzdžiui, nuo mėlyno ir raudono paviršiaus, pamatysime, kad einame teisingu keliu: galios pasiskirstymo grafikai labai skirsis, o tai patvirtina mūsų prielaidą, kad spalva yra matomos spinduliuotės savybė. , nes šie paviršiai yra skirtingų spalvų. Pirmasis mūsų laukiantis sunkumas yra poreikis įrašyti bent 35 skaitines spektro reikšmes (matomas bangos ilgių diapazonas 390–740 nm su 10 nm žingsniu), kad būtų apibūdinta viena spalva. Dar prieš pradėdami galvoti apie būdus, kaip išspręsti šią nedidelę problemą, pastebime, kad kai kurių identiškų spalvų pavyzdžių spektrai elgiasi keistai (raudonos ir žalios diagramos):

Matome, kad spektrai labai skiriasi, nepaisant neabejotinai identiškos mėginių spalvos (šiuo atveju pilka; tokios dvi emisijos vadinamos metamerinėmis). Šių pavyzdžių spalvos pojūčio formavimuisi įtakos turi tik nuo jų atsispindinti šviesa (čia pamiršime fono spalvos įtaką, akies prisitaikymo prie apšvietimo lygį ir kitus nedidelius veiksnius), nes spektrinis pasiskirstymas yra viskas, ką mums gali suteikti mūsų mėginių fiziniai matavimai. Šiuo atveju du žymiai skirtingi spektriniai pasiskirstymai apibrėžia tą pačią spalvą.

Pateiksime antrą spalvų spektrinio aprašymo problemos pavyzdį. Žinome, kad kiekvienos matomo spektro dalies spinduliai mums yra nuspalvinti tam tikra spalva: nuo mėlynos 400 nm srityje iki mėlynos, žalios, geltonos, oranžinės iki raudonos, kurių bangos ilgis 650 nm ir didesnis. Geltona yra kažkur 560–585 nm srityje. Tačiau galime pasirinkti raudonos ir žalios spinduliuotės mišinį, kuris bus suvokiamas kaip geltonas, nepaisant to, kad „geltonos“ 560–585 nm diapazone nėra jokios spinduliuotės.

Pasirodo, jokie fiziniai parametrai negali paaiškinti spalvos tapatumo pirmoje situacijoje ir geltonos spindulių spalvos buvimo antroje situacijoje. Keista situacija? Kur mes suklydome?

Atlikdami eksperimentą su spektrų matavimu, manėme, kad spalva yra spinduliuotės savybė, tačiau mūsų rezultatai tai paneigia, nes visame spektre radome skirtingus šviesos spindulius, kurie suvokiami kaip ta pati spalva. Jei mūsų prielaida būtų teisinga, kiekvienas pastebimas spektro kreivės pokytis sukeltų juntamą spalvos pasikeitimą, kuris nepastebimas. Kadangi dabar ieškome būdų išmatuoti spalvą ir pamatėme, kad spektrų matavimo negalima vadinti spalvos matavimu, turime ieškoti kitų būdų, kaip tai būtų įmanoma.

Tiesą sakant, pirmuoju atveju buvo atlikti du eksperimentai: vienas naudojant spektrometrą, kurio rezultatas buvo du grafikai, o kitas – vizualinis žmogaus mėginių palyginimas. Pirmasis metodas matuoja spektrinė kompozicijašviesa, o antroji lygina Jaustižmogaus galvoje. Kadangi pirmasis metodas mums netinka, spalvai matuoti bandysime naudoti žmogų, darydami prielaidą, kad spalva yra pojūtis, kurį žmogus patiria, kai į akis patenka šviesa. Bet kaip išmatuoti žmogaus pojūčius, suvokiant šios sąvokos sudėtingumą ir neapibrėžtumą? Elektrodai į smegenis ar encefalograma neturėtų būti siūlomi, nes tokie metodai net ir dabar nesuteikia reikiamo tikslumo tokiai subtiliai sąvokai kaip spalva. Be to, ši problema buvo sėkmingai išspręsta XX amžiaus XX amžiaus dešimtmetyje, kai nebuvo daugumos dabartinių technologijų.

Ryškumas

Pirmoji problema, kurią reikėjo išspręsti skaitiniu būdu išreikšti žmogaus regos pojūčius, buvo šviesos šaltinių ryškumo matavimas. Matuojant lempų spinduliuotės galią (būtent spinduliuotės galią džauliais arba vatais, o ne sunaudotą elektros energiją) į šį klausimą neatsakyta, nes, pirma, žmogus nemato spinduliuotės, kurios bangos ilgis mažesnis nei 380 ir didesnis nei 780. nm, todėl bet kokia spinduliuotė už šio diapazono ribų neturi įtakos šaltinio ryškumui. Antra, kaip jau matėme su spektrais, spalvų (ir ryškumo) pojūtis yra sudėtingesnis procesas nei tiesiog į akis patenkančios šviesos charakteristikų fiksavimas: žmogaus regėjimas yra jautresnis kai kurioms spektro zonoms, o mažiau kiti. Pavyzdžiui, žalia spinduliuotė yra daug ryškesnė nei mėlyna spinduliuotė, kurios galia yra identiška. Akivaizdu, kad norint išspręsti šviesos šaltinių ryškumo skaitmeninio išreiškimo problemą, būtina kiekybiškai įvertinti žmogaus regėjimo sistemos jautrumą visoms atskiroms spektro bangoms, kurias vėliau galima naudoti apskaičiuojant kiekvieno šaltinio bangos ilgio indėlį. iki viso jo ryškumo. Kaip ir aukščiau iškelta problema, susijusi su spalvų matavimu, ši problema taip pat kyla dėl būtinybės išmatuoti asmens ryškumo suvokimą.

Vizualiai lyginant spinduliuotės ryškumą su žinomomis žmogaus galiomis, buvo galima išmatuoti kiekvieno bangos ilgio spinduliuotės ryškumo pojūtį. Tai gana paprasta: kontroliuojant spinduliavimo intensyvumą, reikia suvienodinti dviejų monochromatinių (spektriškai siauriausių) srautų ryškumą, matuojant jų galias. Pavyzdžiui, norint išlyginti monochromatinės spinduliuotės ryškumą, kurio bangos ilgis yra 555 nm, esant vieno vato galiai, reikia naudoti dviejų vatų spinduliuotę, kurios bangos ilgis yra 512 nm. Tai yra, mūsų regėjimo sistema yra dvigubai jautresnė pirmajai spinduliuotei. Praktiškai, siekiant didelio rezultatų tikslumo, buvo atliktas sudėtingesnis eksperimentas, tačiau tai nekeičia to, kas buvo pasakyta (procesas išsamiai aprašytas originaliame 1923 m. moksliniame darbe). Tokių eksperimentų serijos visame matomame diapazone rezultatas yra spektrinė šviesos efektyvumo kreivė (taip pat galite rasti pavadinimą „matomumo kreivė“):

X ašis žymi bangos ilgius, o Y ašis – santykinį žmogaus regos sistemos jautrumą atitinkamam bangos ilgiui.

Turėdami tokio pat spektrinio jautrumo įrenginį, juo nesunkiai nustatysite norimos šviesos spinduliuotės ryškumą. Būtent prie šios kreivės kruopščiai sureguliuojamas įvairių fotometrų, liukso matuoklių ir kitų prietaisų jautrumas, kurį veikiant svarbu nustatyti žmogaus suvokiamą šviesumą. Bet tokių prietaisų jautrumas visada yra tik apytikslis žmogaus spektrinės šviesos efektyvumo kreivės apytikslis rodiklis, o tikslesniams ryškumo matavimams naudojamas dominančio šviesos šaltinio spektrinis pasiskirstymas.

Spektrinis pasiskirstymas gaunamas padalijant spinduliuotę į siauras spektrines zonas ir matuojant kiekvienos iš jų galią atskirai. Savo šaltinio ryškumą galime laikyti visų šių spektrinių zonų ryškumo suma, ir tam mes nustatome kiekvienos iš jų ryškumą (formulė tiems, kuriems neįdomu skaityti mano paaiškinimus ant pirštų): mes padauginkite išmatuotą galią iš mūsų regos sistemos jautrumo, atitinkančio šį bangos ilgį (ankstesnio grafiko Y ir X ašys). Susumavus visų tokiu būdu gautų spektro zonų šviesius, gausime savo pirminės spinduliuotės ryškumą fotometriniais vienetais, kurie leidžia tiksliai suprasti, koks yra tam tikrų objektų ryškumas. Vienas iš fotometrinių vienetų, įtrauktų į pagrindinius SI vienetus, yra kandela, kuri nustatoma per spektrinę šviesos efektyvumo kreivę, tai yra, remiantis žmogaus regos sistemos savybėmis. Žmogaus regėjimo sistemos santykinio jautrumo kreivę 1924 metais priėmė kaip tarptautinį standartą Tarptautinė apšvietimo komisija (sovietinėje literatūroje galite rasti santrumpą MKO) arba CIE – Commission Internationale de l'Éclairage.

CIE RGB sistema

Tačiau spektrinė šviesos efektyvumo kreivė leidžia įsivaizduoti tik šviesos spinduliuotės ryškumą, o galima įvardinti ir kitas jos charakteristikas, pavyzdžiui, sodrumą ir atspalvį, kurių jos pagalba neįmanoma išreikšti. Remdamiesi ryškumo matavimo metodu, dabar žinome, kad spalvą žmogus gali „išmatuoti“ tik tiesiogiai (nepamirškite, kad spalva yra pojūtis) arba pagal kokį nors jo reakcijos modelį, pavyzdžiui, spektrinę šviesos efektyvumo kreivę, kuri. leidžia skaičiais išreikšti ryškumo pojūčius. Tarkime, kad norint išmatuoti spalvą, reikia eksperimentiškai su žmogaus pagalba pagal šviesos efektyvumo kreivę sukurti tam tikrą sistemą, kuri parodytų regėjimo sistemos spalvinę reakciją į visus galimus spektro variantus. šviesos paskirstymas.

Seniai žinoma viena šviesos spindulių savybė (tiesą sakant, tai yra mūsų regėjimo sistemos ypatybė): sumaišius dvi skirtingos spalvos spinduliuotę, galima gauti spalvą, kuri visiškai skirsis nuo pradinių. Pavyzdžiui, viename taške ant balto popieriaus lapo nukreipus tam tikros galios žalią ir raudoną šviesą, galite gauti grynai geltoną dėmę be jokių žalių ar raudonų atspalvių priemaišų. Pridėjus trečią spinduliuotę, o mėlyna geriau tinka prie esamų dviejų (nes jos negalima gauti su raudonos ir žalios spalvos mišiniu), gauname sistemą, kuri leis išgauti daug spalvų.

Jei tokiame įrenginyje vizualiai išlyginsime tam tikrą bandomąją spinduliuotę, gausime tris indikatorius: atitinkamai raudonos, žalios ir mėlynos spalvos spinduliuotės intensyvumą (pavyzdžiui, lempoms tiekiamą įtampą). Tai yra, naudodamiesi savo prietaisu (vadinamu vizualiniu kolorimetru), kuris atkuria spalvas, ir mūsų regėjimo sistemą, mes galėjome gauti tam tikros spinduliuotės spalvos skaitines reikšmes, kurių mes ir siekėme. dėl. Šios trys reikšmės dažnai vadinamos spalvų koordinates, nes patogu jas vaizduoti kaip trimatės erdvės koordinates.

Panašius eksperimentus XX amžiaus 20-ajame dešimtmetyje nepriklausomai atliko mokslininkai Johnas Guildas ir Davidas Wrightas. Pagrindinė Wright spinduliuotė buvo monochromatinė raudonos, žalios ir mėlynos spalvos spinduliuotė, kurios bangos ilgis buvo atitinkamai 650, 530 ir 460 nm, o Guild naudojo sudėtingesnę (ne monochromatinę) spinduliuotę. Nepaisant didelių skirtumų tarp naudojamos įrangos ir to, kad duomenys buvo vidurkiauti iš tik 17 stebėtojų, turinčių normalų regėjimą (10 Wright ir 7 Guild), galutiniai abiejų tyrėjų rezultatai buvo labai arti vienas kito, o tai rodo didelį tikslumą. mokslininkų atliktų matavimų. Schematiškai matavimo procedūra parodyta paveikslėlyje:

Trijų šaltinių spinduliuotės mišinys projektuojamas į viršutinę ekrano dalį, o tiriama spinduliuotė – į apatinę, o eksperimento dalyvis juos mato vienu metu per užuolaidoje esančią angą. Tyrėjas iškelia dalyviui užduotį suvienodinti spalvą tarp prietaiso laukų ir tuo pačiu nukreipia tiriamą spinduliuotę į apatinį lauką. Dalyvis koreguoja trijų spindulių galias, kol pavyksta, o tyrėjas registruoja trijų šaltinių intensyvumus.

Kai kuriais atvejais tokio eksperimento metu neįmanoma išlyginti tam tikros monochrominės spinduliuotės: bandymo laukas bet kurioje trijų spindulių reguliatorių padėtyje išlieka labiau prisotintas nei naudojamas mišinys. Tačiau dėl to, kad eksperimento tikslas yra gauti spalvų koordinates, o ne jas atkurti, mokslininkai panaudojo gudrybę: vieną pagrindinę įrenginio spinduliuotę sumaišė ne su kitomis dviem, o nukreipė į apačią. ekrano, tai yra, jie sumaišė jį su bandomąja spinduliuote:

Tolesnis išlyginimas atliekamas kaip įprasta, tačiau spinduliuotės kiekis, susimaišęs su tiriamuoju, bus laikomas neigiamu. Čia galime nubrėžti analogiją su ženklo pokyčiu, kai skaičius perkeliamas į kitą įprastos lygties dalį: kadangi tarp dviejų kolorimetro ekrano dalių nustatoma vizualinė lygybė, jos viršutinė dalis gali būti laikoma viena lygties dalimi. o apatinė dalis kaip kita.

Abu mokslininkai vizualiai matavo visus atskirus vienspalvius spindulius matomame spektre. Tokiu būdu tyrinėdami matomo spektro savybes, mokslininkai manė, kad jų rezultatai gali būti panaudoti apibūdinti bet kokią kitą spinduliuotę. Mokslininkai veikė trijų nepriklausomų spindulių galiomis, o tokių eksperimentų serijos rezultatas yra trys kreivės, o ne viena, kaip buvo padaryta kuriant šviesos efektyvumo kreivę.

Siekdamas sukurti patogią ir universalią spalvų specifikacijos sistemą, CIE komitetas suvidurkino Guild ir Wright matavimų duomenis ir perskaičiavo jų duomenis trims pagrindinėms spinduliuotėms, kurių bangos ilgiai yra 700, 546,1 ir 435,8 nm (raudona, žalia, mėlyna – RGB). Žinant tokios vidutinės sistemos pagrindinių spindulių, reikalingų baltai spalvai atkurti, ryškumo santykį (atitinkamai 1: 4,5907: 0,0601 raudoniems, žaliems ir mėlyniems spinduliams, kuris buvo nustatytas eksperimentiniu būdu, vėliau perskaičiavus) ir naudojant spektrą. efektyvumo kreivė, CIE nariai apskaičiavo specifines spalvų koordinačių kreives , kurios parodo reikiamą trijų pagrindinių šios sistemos spindulių kiekį, kad būtų galima lyginti bet kokią monochromatinę vieno vato galios spinduliuotę:

X ašyje rodomi bangos ilgiai, o Y ašyje – reikiami trijų spindulių kiekiai, reikalingi atitinkamo bangos ilgio sukeltai spalvai atkurti. Neigiamos grafikų dalys atitinka tuos monochromatinius spindulius, kurių negali atkurti trys pagrindinės sistemoje naudojamos spinduliuotės, o norint jas patikslinti, reikia pasitelkti aukščiau aprašytą koregavimo triuką.

Norėdami sukurti tokią sistemą, galime pasirinkti bet kokias kitas tris spinduliuotes (atmindami, kad nė viena iš jų neturėtų būti atkuriama kitų dviejų mišiniu), kurios suteiks mums kitas specifines kreives. CIE RGB sistemoje parinktos pagrindinės spinduliuotės atkuria daug spektro spindulių, o jo specifinės kreivės gaunamos labai tiksliai ir yra standartizuotos.

Konkrečios spalvų koordinačių kreivės pašalina poreikį naudoti sudėtingą vizualinį kolorimetrą, kurio lėtas vizualinio reguliavimo metodas leidžia gauti spalvų koordinates su žmogaus pagalba ir leidžia jas apskaičiuoti tik pagal spektrinį spinduliuotės pasiskirstymą, kuris gana greitai ir lengvai gaunamas naudojant spektrometras. Šis metodas yra įmanomas, nes bet kuri spinduliuotė gali būti pavaizduota kaip monochromatinių spindulių mišinys, kurio galia atitinka šios spinduliuotės spektro atitinkamos zonos intensyvumą.

Dabar patikrinkime du mūsų pavyzdžius, kuriems fizika pasidavė, rodydami skirtingus vienos spalvos objektų spektrus, naudodami konkrečių koordinačių kreivių formulę: pakaitomis padauginkime nuo mėginių atsispindėjusios šviesos galių spektrinį pasiskirstymą iš trijų specifinių kreivių ir susumuokite kiekvieno iš jų rezultatai (kaip skaičiuojant ryškumą pagal spektrinį pasiskirstymą, bet čia naudojamos trys kreivės). Rezultatas bus trys skaičiai R, G ir B, kurie yra spalvų koordinatės CIE RGB sistemoje, tai yra, trijų šios sistemos emisijų kiekiai, kurių mišinys yra identiškos spalvos kaip matuojamas. Mes gausime tris identiškus RGB indikatorius dviem mūsų pavyzdžiams, kurie atitinka mūsų identišką spalvos pojūtį ir patvirtina mūsų prielaidą, kad spalva yra pojūtis ir gali būti matuojamas tik dalyvaujant mūsų regos sistemai arba jos modeliui trijų formų pavidalu. CIE RGB sistemos ar kitos kreivės, kurių konkrečios koordinatės žinomos (kitą tokią sistemą, paremtą kitomis pirminėmis spalvomis, nagrinėsime kiek vėliau). Naudodami CIE RGB kolorimetrą tiesiogiai iš mėginių atsispindėjusiai šviesai matuoti, ty vizualiai suderindami trijų sistemos emisijų mišinio spalvą su kiekvieno mėginio spalva, gauname tas pačias tris RGB koordinates.

Pažymėtina, kad kolorimetrinėse sistemose įprasta bazinės spinduliuotės kiekius normalizuoti taip, kad R=G=B=1 atitiktų sistemoje priimtą baltą spalvą. CIE RGB sistemai ši balta spalva yra hipotetinio vienodos energijos šaltinio, kuris skleidžia tolygiai visais matomo spektro bangos ilgiais, spalva. Be tokio normalizavimo sistema pasirodo nepatogi, nes mėlynos spalvos šaltinio ryškumas yra labai mažas - 4,5907: 0,0601, palyginti su žalia, o diagramose dauguma spalvų „priliptų“ prie mėlynos diagramos ašies. Įvedę tokį normalizavimą (atitinkamai 1: 4,5907: 0,0601 sistemos raudoniems, žaliiems ir mėlyniems spinduliams), pereisime nuo fotometrinių prie kolorimetrinių vienetų, o tai padarys tokią sistemą patogesnę.

Reikėtų pažymėti, kad CIE RGB sistema nėra pagrįsta jokia spalvų matymo teorija, o specifinės spalvų koordinačių kreivės neatspindi trijų žmogaus tinklainės kūgių tipų spektrinio jautrumo, nes dažnai jos interpretuojamos klaidingai. Tokia sistema lengvai atsisako duomenų apie tinklainės kūgio pigmentų savybes ir be jokių duomenų apie sudėtingiausius vizualinės informacijos apdorojimo procesus mūsų smegenyse. Tai byloja apie išskirtinį mokslininkų, sukūrusių tokią sistemą, išradingumą ir įžvalgumą nepaisant nereikšmingos informacijos apie to meto žmogaus regėjimo aparato savybes. Be to, CIE RGB sistema yra beveik nepakitusi iki šių dienų, nepaisant didžiulės mokslo pažangos laikui bėgant.

Taip pat reikia pažymėti, kad nepaisant to, kad monitorius spalvoms atkurti taip pat naudoja tris spinduliuotę, kaip ir CIE RGB sistema, trys monitoriaus spalvų komponentų (RGB) reikšmės tiksliai nenurodys spalvos, nes skirtingi monitoriai atkuria spalva skiriasi su gana dideliu svyravimu, be to, pagrindinė monitorių emisija labai skiriasi nuo pagrindinių CIE RGB sistemos emisijų. Tai reiškia, kad neturėtumėte laikyti monitoriaus RGB verčių kaip tam tikro absoliučios spalvos apibrėžimo.

Norint geriau suprasti, reikėtų pažymėti, kad sakydami „spinduliuotė / šaltinis / bangos ilgis / lempa yra žalia“, iš tikrųjų turime omenyje, kad „spinduliuotė / šaltinis / bangos ilgis / lempa sukelia jausmąŽalia spalva". Matoma spinduliuotė yra tik stimulas mūsų regos sistemai, o spalva yra šio dirgiklio suvokimo rezultatas, o spalvos savybės neturėtų būti priskiriamos elektromagnetinėms bangoms. Pavyzdžiui, kaip ir aukščiau pateiktame pavyzdyje, sumaišius raudonus ir žalius monochromatinius spindulius neatsiranda bangų iš geltonojo spektro diapazono, tačiau mes suvokiame jų mišinį kaip geltoną.

Nerealios spalvos. CIE XYZ sistema

1931 m. Kembridžo universiteto Trinity koledže (JK) kitame CIE posėdyje sistema, pagrįsta Guild ir Wright duomenimis, buvo priimta kaip tarptautinis standartas. Taip pat mokslininkų grupė, vadovaujama amerikiečio Deane'o B. Judd, siekdama nelaukti kito komiteto posėdžio, kuris įvyks ne anksčiau kaip po metų, pasiūlė kitą spalvų specifikacijos sistemą, kurios galutiniai duomenys buvo suskaičiuoti. tik naktį prieš susitikimą. Siūloma sistema pasirodė tokia patogi ir sėkminga, kad komitetas ją priėmė be rimtų diskusijų.

Norint suprasti, kuo remiantis buvo sukurta tokia sistema, spalva turi būti vaizduojama kaip vektorius, nes dviejų ar daugiau spalvų pridėjimas paklūsta toms pačioms taisyklėms kaip ir vektorių pridėjimas (tai išplaukia iš Grassmanno dėsnių). Pavyzdžiui, raudonos ir žalios spinduliuotės sumaišymo rezultatas gali būti pateikiamas kaip dviejų vektorių, kurių ilgis yra proporcingas šių spindulių ryškumui, pridėjimas:

Mišinio ryškumas bus lygus pridėjimo būdu gauto vektoriaus ilgiui, o spalva priklausys nuo naudojamų spindulių ryškumo santykio. Kuo didesnis santykis yra vienos iš pagrindinių spalvų naudai, tuo labiau gaunamos spinduliuotės spalva bus artimesnė šiai spinduliuotei:

Pabandykime panašiu būdu grafiškai pavaizduoti spalvų maišymąsi kolorimetre, kuris buvo naudojamas kuriant CIE RGB sistemą. Kaip mes prisimename, jis naudoja tris spindulius: raudoną, žalią ir mėlyną. Šių trijų spalvų negalima gauti susumavus kitus du, todėl visi galimi šių spindulių mišiniai turės būti pavaizduoti trimatėje erdvėje, o tai netrukdo šiuo atveju panaudoti spalvų pridėjimo vektorines savybes. :

Ne visada patogu braižyti trimates diagramas, todėl dažnai naudojamas supaprastintas grafikas, kuris yra visų reikalingų spalvų projekcija į vieną trimatės diagramos plokštumą (paryškinta mėlyna spalva):

Tokios spalvų vektoriaus projekcijos rezultatas bus diagramos taškas, kurio ašys bus trikampio kraštinės, kurias nurodo CIE RGB sistemos pagrindinių spalvų taškai:

Toks taškas šio trikampio sistemoje turės koordinates atstumo nuo bet kurių dviejų jo kraštinių pavidalu (trečioji koordinatė yra perteklinė, nes trikampyje bet kurį tašką galima nustatyti dviem atstumais nuo viršūnių ar kraštinių). Tokiame trikampyje esančios koordinatės vadinamos spalvingumo koordinatėmis ir jos nustato tokius spalvų parametrus kaip atspalvis (mėlyna, žalsvai žalia ir kt.) ir sodrumas (pilka, blyški, prisotinta ir kt.). Dėl to, kad nuo trimatės perėjome prie plokščios diagramos, tai neleidžia parodyti trečiojo spalvos parametro – ryškumo, tačiau daugeliu atvejų pakaks nustatyti tik spalvingumo reikšmę.

Norėdami išvengti painiavos, atskirai pabrėžkime, kad koordinates spalvos- tai yra spalvų vektoriaus pabaigos padėtis trimatėje sistemoje, ir jie žymimi didžiosiomis raidėmis (pavyzdžiui, RGB, XYZ) ir koordinatėmis spalvingumas- tai yra spalvos taško padėtis plokščioje spalvingumo diagramoje ir jie žymimi mažosiomis raidėmis (rg, xy) ir pakanka dviejų.

Naudoti koordinačių sistemą, kurioje tarp ašių nėra stačiojo kampo, ne visada nepatogu, todėl kolorimetrijoje dažnai naudojama trijų vektorių sistema, kurios vienetinė plokštuma sudaro stačią trikampį. Dvi jo kraštinės, esančios šalia stačiojo kampo, naudojamos kaip spalvingumo diagramos ašys:

Dabar į tokią diagramą pateikime visus galimus spalvingumus, kurių riba bus spektriškai grynos emisijos linija su purpurinės spalvos linija, dažnai vadinama lokusu, kuri riboja realių spalvų plotą diagramoje. (raudona linija):

Violetinės spalvos spalvingumo linija yra tarp spinduliuotės spalvingumo kraštutiniuose mėlynuose ir raudonuose spektro galuose. Negalime susieti jokios spektro zonos su violetinėmis spalvomis, kaip tai galime padaryti su bet kuria kita spalva, nes purpurinės spalvos pojūtis atsiranda, kai mėlyni ir raudoni spinduliai vienu metu veikia mūsų regos sistemą, o ne vieną.

Didelė lokuso dalis (zonoje 380-546 nm) išeina už trikampio, kurį riboja pagrindinių spindulių spalvingumas, tai yra, turi neigiamas spalvingumo koordinates, nes ši spektrinių spindulių dalis negali būti išlyginta. CIE kolorimetras. Tai atitinka konkrečių spalvų koordinačių kreives, kuriose ta pati spektro dalis turi neigiamas koordinates (380–440 nm diapazone tai yra mažos reikšmės, nematomos grafike).

Neigiamų spalvų ir spalvingumo koordinačių buvimas kolorimetrinius skaičiavimus pavertė sudėtinga užduotimi: 20–30-aisiais dauguma skaičiavimų buvo atliekami naudojant skaidrių taisyklę, o kolorimetrinio darbo skaičiavimų kiekis buvo gana didelis.

Ankstesnė diagrama rodo, kad visos teigiamos koordinatės turi tik spalvas, kurios yra trikampyje, kurį sudaro pagrindinės šioje sistemoje naudojamos spinduliuotės spalvos. Jei lokusas būtų trikampio viduryje, visos spalvos turėtų teigiamas koordinates, o tai labai supaprastintų skaičiavimus. Tačiau dėl išgaubtos formos neįmanoma rasti tokių trijų lokuso taškų, kurie galėtų jį visiškai įtraukti. Vėliau buvo nustatyta, kad šios lokuso formos priežastis slypi trijų mūsų akies kūgių tipų, kurie persidengia vienas su kitu, spektrinio jautrumo ypatumai ir bet kokia spinduliuotė sužadina kūgius, kurie yra atsakingi už kitą akies zoną. spektras, kuris sumažina spalvų sodrumo lygį.

Ką daryti, jei peržengsime lokusą ir naudosime spalvas, kurių negalima atkurti ar matyti, bet kurių koordinates galima lengvai panaudoti lygtyse kartu su tikrų spalvų koordinatėmis? Kadangi nuo eksperimentų jau perėjome prie skaičiavimų, niekas netrukdo naudoti tokių nerealių spalvų, nes išsaugomos visos spalvų maišymo savybės! Mums tinka bet kokios trys spalvos, kurių trikampyje gali būti tikrų spalvų lokusas, o tokių nerealių pirminių spalvų trynukų nesunkiai nupieštume (tokį trikampį būtų patartina kuo tvirčiau statyti aplink lokusą, tokiu būdu diagramoje bus mažiau nereikalingų sričių):

Turėdami laisvę pasirinkti naujų pirminių spalvų taškus, mokslininkai nusprendė išgauti keletą naudingų naujos trijų spalvų sistemos galimybių. Pavyzdžiui, galimybė fotometrinį ryškumą nustatyti tiesiogiai naudojant sukurtą sistemą be papildomų skaičiavimų ar matavimų (CIE RGB sistemoje ryškumas turi būti skaičiuojamas), tai yra, kaip nors sujungti jį su 1924 m. fotometriniu etalonu.

Norėdami pateisinti trijų naujų spalvų pasirinkimą (atminkite, kad jos egzistuoja tik skaičiavimuose), kurias galiausiai pasirinko mokslininkai, grįžkime prie mūsų tūrinės spalvų koordinačių diagramos. Siekiant aiškumo ir lengviau suprasti, naudosime įprastą stačiakampę koordinačių sistemą. Ant jo pastatykime plokštumą, kurioje visos spalvos turės vienodą fotometrinį ryškumą. Kaip prisimename, raudonos, žalios ir mėlynos pagrindinės spinduliuotės vienetiniai ryškumai CIE RGB sistemoje yra koreliuojami kaip 1: 4,5907: 0,0601, o norint grįžti prie fotometrinių vienetų, juos reikia paimti santykiu 1/1 iki 1/4,59 iki 1/0, 0601, tai yra 1:0,22:17, kuri suteiks mums spalvų plokštumą su tokiu pat fotometriniu ryškumu CIE RGB kolorimetrinėje sistemoje (plokštumos susikirtimo su B ašimi taškas yra už paveikslo ribų, 17 padėtyje):

Visos spalvos, kurių koordinatės yra šioje plokštumoje, turės tokį patį fotometrinį ryškumą. Jei lygiagrečią plokštumą nubraižome perpus žemesnę nei ankstesnė (0,5:0,11:8,5), gauname perpus mažesnio ryškumo spalvų padėtį:

Panašiai žemiau galite nubrėžti naują lygiagrečią plokštumą, kuri kirs koordinačių pradžią, kurioje bus visos nulinio ryškumo spalvos, o dar žemiau galite nubrėžti neigiamo ryškumo plokštumas. Tai gali atrodyti absurdiška, tačiau atminkite, kad dirbame su matematiniu trijų spalvų sistemos pavaizdavimu, kur visa tai įmanoma lygtyse, kurias naudosime.

Grįžkime prie plokščios rg diagramos, projektuodami į ją nulinio ryškumo plokštumą. Projekcija bus nulinio ryškumo linija - alikhne, kuri kerta koordinačių pradžią:

Alichne yra spalvingumo, kuris neturi ryškumo, o jei naudosite ant jo uždėtą spalvą spalvų išlyginimui (ne tikrą, maišant šviesos srautus, bet lygtyse, kur tokios spalvos galimos), tai neturės įtakos gautas mišinys. Jei ant alichnos padėsime dvi trijų spalvų sistemos spalvas, tai viso mišinio ryškumą lems tik viena likusi spalva.

Leiskite priminti, kad mes ieškome tokių trijų hipotetinių spalvų spalvų koordinačių, kurios gali suvienodinti visų realių spindulių spalvas nenaudojant neigiamų reikšmių (trikampis turi apimti visą lokusą) ir tuo pačiu naujoji sistema tiesiogiai įtraukti fotometrinį šviesumo standartą. Padėję dvi spalvas ant alichnės (pavadintos X ir Z) ir trečią virš lokuso (Y), išsprendžiame abi problemas:

Tikrų spalvų lokusas yra visiškai trikampyje, kurį riboja trys pasirinktos spalvos, o ryškumas visiškai perkeliamas į vieną iš trijų sistemos komponentų - Y. Priklausomai nuo kiekių normalizavimo ir spalvos pobūdžio. Išmatavimuose Y koordinatė gali išreikšti ryškumą tiesiogiai kandelomis vienam m 2, kai kurios sistemos (pvz., ekrano) maksimalaus ryškumo procentą, perdavimo procentą (pvz., skaidrūs pavyzdžiai, skaidrės) arba ryškumą, palyginti su tam tikru standartu. (matuojant atspindinčius pavyzdžius).

Pavertę gautą trikampį į stačiakampį, gauname daugeliui žinomą xy spalvingumo diagramą:

Reikia atsiminti, kad xy diagrama yra sistemos projekcija su pagrindiniais XYZ taškais į vieneto plokštumą, panašiai kaip rg diagrama ir RGB sistema. Ši diagrama leidžia patogiai iliustruoti įvairių spindulių spalvas, pavyzdžiui, įvairių prietaisų spalvų gamas. Diagrama turi vieną naudingą savybę: dviejų spindulių mišinio spalvingumo koordinatės bus griežtai ties linija, jungiančia šių dviejų spindulių taškus diagramoje. Todėl, pavyzdžiui, monitoriaus spalvų gama tokioje diagramoje bus trikampis.

Xy diagrama taip pat turi vieną trūkumą, kurį reikia atsiminti: vienodos juostos skirtingose ​​diagramos dalyse nereiškia to paties suvokiamo spalvų skirtumo. Tai iliustruoja dvi baltos linijos ankstesniame paveikslėlyje. Šių segmentų ilgiai atitinka to paties spalvos skirtumo pojūtį, tačiau segmentų ilgis skiriasi tris kartus.

Apskaičiuokime gautos sistemos specifines spalvų koordinačių kreives, kurios rodo reikiamą trijų pagrindinių spalvų XYZ skaičių bet kurios monochrominės spinduliuotės, kurios galia yra vieno vato, lygčiai:

Matome, kad kreivėse nėra neigiamų atkarpų (kas buvo pastebėta RGB sistemoje), tai buvo vienas iš XYZ sistemos kūrimo tikslų. Taip pat y kreivė (rodyklė su brūkšneliu viršuje) visiškai sutampa su žmogaus regėjimo spektrinio šviesos efektyvumo kreive (ji buvo aptarta aukščiau aiškinant šviesos spinduliuotės ryškumo nustatymą), todėl Y reikšmė lemia spalvos ryškumas tiesiogiai – jis apskaičiuojamas taip pat, kaip ir fotometrinis ryškumas pagal tą pačią kreivę. Tai pasiekiama dedant kitas dvi sistemos spalvas nulinio skaisčio plokštumoje. Todėl 1931 m. kolorimetrinis standartas apima 1924 m. fotometrinį etaloną, todėl nereikia atlikti nereikalingų skaičiavimų ar matavimų.

Šios trys kreivės apibrėžia standartinį kolorimetrinį stebėtoją – standartą, naudojamą kolorimetriniam spektrinių matavimų aiškinimui ir kuriuo grindžiamas visas spalvų mokslas, beveik nepakitęs iki šiol. Nors XYZ Visual Colorimeter fiziškai negali egzistuoti, jo savybės leidžia labai tiksliai išmatuoti spalvas ir padeda daugeliui pramonės šakų atkurti ir perduoti spalvų informaciją nuspėjamai. Visi tolimesni spalvų mokslo pasiekimai paremti XYZ sistema, pavyzdžiui, pažįstama CIE L*a*b* sistema ir panašiai, taip pat naujausiomis CIECAM sistemomis, kuriose spalvų profilių konstravimui naudojamos modernios programos.

Rezultatai

1. Norint tiksliai dirbti su spalva, reikia ją išmatuoti, o tai taip pat būtina, kaip matuoti ilgį ar svorį.
2. Šviesos spinduliuotės suvokiamo ryškumo (vieno iš regėjimo pojūčio atributų) išmatuoti neįmanoma neatsižvelgiant į mūsų regėjimo sistemos ypatybes, kurios buvo sėkmingai ištirtos ir įtrauktos į visus fotometrinius dydžius (kandela, liumenas, liuksas) forma. jo spektrinio jautrumo kreivė.
3. Paprasčiausias tiriamos šviesos spektro matavimas pats savaime neatsako į klausimą apie jos spalvą, nes nesunku rasti skirtingus spektrus, kurie suvokiami kaip viena spalva. Skirtingi dydžiai, išreiškiantys tą patį parametrą (mūsų atveju spalvą), rodo šio nustatymo metodo nenuoseklumą.
4. Spalva yra šviesos (spalvos stimulo) suvokimo mūsų sąmonėje rezultatas, o ne fizinė šios spinduliuotės savybė, todėl šį pojūtį reikia kažkaip išmatuoti. Tačiau tiesioginis žmogaus pojūčių matavimas yra neįmanomas (arba buvo neįmanomas tuo metu, kai buvo sukurtos čia aprašytos kolorimetrinės sistemos).
5. Šios problemos buvo išvengta vizualiai (žmogaus dalyvavimu) išlyginus tiriamos spinduliuotės spalvą sumaišant tris spinduliuotes, kurių kiekiai mišinyje bus norima skaitine spalvos išraiška. Viena iš tokių trijų spindulių sistemų yra CIE RGB.
6. Eksperimentiškai išlyginus visas monochromatines spinduliuotes atskirai, naudojant tokią sistemą, gaunamos (paskaičiavus) specifinės šios sistemos koordinatės, kurios parodo reikalingus jos spinduliavimo kiekius, kad vieno vato galia išlygintų bet kokios monochrominės spinduliuotės spalvą.
7. Žinant konkrečias koordinates, galima apskaičiuoti tiriamos spinduliuotės spalvų koordinates pagal jos spektrinę sudėtį be asmens vizualinio spalvų išlyginimo.
8. Sistema CIE XYZ buvo sukurta matematinėmis CIE RGB sistemos transformacijomis ir remiasi tais pačiais principais – bet kurią spalvą galima tiksliai nurodyti trijų spindulių skaičiumi, kurių mišinį žmogus suvokia kaip identiškos spalvos. Pagrindinis skirtumas tarp XYZ sistemos yra tas, kad jos pagrindinių „spinduliacijų“ spalva egzistuoja tik kolorimetrinėse lygtyse, o jų gauti fiziškai neįmanoma.
9. Pagrindinė XYZ sistemos sukūrimo priežastis yra palengvinti skaičiavimus. Visų galimų šviesos spindulių spalvų ir spalvingumo koordinatės bus teigiamos. Be to, Y spalvos koordinatė tiesiogiai išreiškia fotometrinį stimulo ryškumą.

Išvada

Artimiausios IT specialistams veiklos sritys, kurios remiasi šiame straipsnyje aprašytais principais ir sistemomis, yra vaizdo apdorojimas ir jų atgaminimas įvairiais būdais: nuo fotografijos iki web dizaino ir spausdinimo. Spalvų valdymo sistemos tiesiogiai naudoja kolorimetrines sistemas ir spalvų matavimus, kad nuspėjamai atkurtų spalvas įvairiais būdais. Tačiau ši tema jau nepatenka į šio straipsnio taikymo sritį, nes čia paliečiami pagrindiniai spalvų teorijos aspektai, o ne spalvų atkūrimas.

Ši tema nepretenduoja pateikti išsamios ir išsamios informacijos apie iškeltą temą, o yra tik „vaizdelis, skirtas atkreipti dėmesį“ IT specialistams, iš kurių daugelis tiesiog privalo suprasti spalvų mokslo pagrindus. Kad būtų lengviau suprasti, daugelis dalykų čia yra supaprastinti arba pateikti praeityje, todėl pateikiame šaltinių sąrašą, kuris bus įdomus tiems, kurie nori iš arčiau susipažinti su spalvų teorija (visas knygas rasite internetas):
fotometrija Pridėti žymų

Spalvos suvokimas priklauso nuo fizines savybesšviesos, tai yra elektromagnetinės energijos, iš jos sąveikos su fizinėmis medžiagomis, taip pat nuo jų interpretacijos žmogaus regos sistema. Ši problema yra labai plati, sudėtinga ir įdomi. Apžvelgsime svarbiausias sąvokas, su spalvomis susijusių fizikinių reiškinių pagrindus, spalvų vaizdavimo sistemas ir transformacijas tarp jų.

Žmogaus regėjimo sistema elektromagnetinę energiją, kurios bangos ilgis yra nuo 400 iki 700 nm, suvokia kaip matomą šviesą (1 nm = 10 -9 m). Šviesa gaunama arba tiesiogiai iš šaltinio, pavyzdžiui, lemputės, arba netiesiogiai atspindint arba lūžtant nuo objekto paviršiaus.

Šaltinis arba objektas yra achromatinis, jei stebimoje šviesoje yra maždaug vienodi visų matomų bangų ilgiai. Achromatinis šaltinis atrodo baltas, o atsispindėjusi arba lūžusi achromatinė šviesa atrodo balta, juoda arba pilka. Objektai, kurie achromatiškai atspindi daugiau nei 80 % baltos spalvos šaltinio šviesos, atrodo balti, o mažiau nei 3 % – juodi. Tarpinės vertės sukuria skirtingus pilkos spalvos atspalvius. Patogu atsižvelgti į atspindėtos šviesos intensyvumą diapazone nuo 0 iki 1, kur 0 atitinka juodą, 1 – baltą, o tarpines – pilką.

Jei suvokiamoje šviesoje yra savavališkai nevienodo dydžio bangos ilgių, tada ji vadinama chromatine (pagrindinė reikšmė yra žodžiai „suvokiama“ ir „savavališka“). Kai kurie chromatinių spalvų mišiniai gali būti suvokiami kaip achromatinės spalvos). Jei bangos ilgiai sukoncentruoti ties viršutinis kraštas matomas spektras, šviesa atrodo raudona arba rausva, tai yra, dominuojantis bangos ilgis yra raudonoje matomo spektro srityje. Jei bangos ilgiai yra sutelkti apatinėje matomo spektro dalyje, tada šviesa atrodo mėlyna arba melsva, tai yra, dominuojantis bangos ilgis yra mėlynoje spektro dalyje. Tačiau pati tam tikro bangos ilgio elektromagnetinė energija neturi jokios spalvos. Spalvos pojūtis atsiranda dėl fizinių reiškinių transformacijos žmogaus akyje ir smegenyse. Objekto spalva priklauso nuo šviesos šaltinio bangų ilgių pasiskirstymo ir nuo objekto fizinių savybių. Objektas atrodo spalvotas, jei jis atspindi arba praleidžia šviesą tik siaurame bangų ilgių diapazone ir sugeria visus kitus. Kai krintančios ir atsispindėjusios arba sklindančios šviesos spalvos sąveikauja, gali atsirasti netikėčiausių rezultatų. Pavyzdžiui, kai žalia šviesa atsispindi nuo balto objekto, tiek šviesa, tiek objektas atrodo žaliai, tačiau jei žalia šviesa apšviečiama raudoną objektą, ji atrodys juoda, nes nuo jo visiškai neatsispindi šviesa.

Nors sunku atskirti šviesumą nuo ryškumo, šviesumas paprastai laikomas nešviečiančių arba atspindinčių objektų savybe ir svyruoja nuo juodos iki baltos spalvos, o ryškumas yra savaime šviečiančių ar spinduliuojančių objektų savybė ir svyruoja nuo silpno iki aukštas.

Objekto šviesumas ar ryškumas priklauso nuo santykinio akies jautrumo skirtingiems bangos ilgiams. Matyti, kad dienos šviesoje akies jautrumas didžiausias esant maždaug 550 nm bangos ilgiui, o spektro matomo diapazono pakraščiuose smarkiai krenta. Kreivė vadinama akies spektrinio jautrumo funkcija. Tai šviesos energijos arba intensyvumo matas, atsižvelgiant į akies savybes.

Psichofiziologinį šviesos atvaizdavimą lemia spalvos tonas, sodrumas ir šviesumas. Atspalvis leidžia atskirti spalvas, o sodrumas lemia slopinimo (skiedimo) laipsnį. šios spalvos baltas. Grynajai spalvai jis yra 100% ir mažėja, kai pridedama baltos spalvos. Achromatinės spalvos sodrumas yra 0%, o jos šviesumas lygus šios šviesos intensyvumui.

Psichofiziniai atspalvio, sodrumo ir šviesumo atitikmenys yra dominuojantis bangos ilgis, grynumas ir ryškumas. Vieno bangos ilgio elektromagnetinė energija matomame spektre sukuria monochromatinę spalvą. Rodo monochromatinės šviesos, kurios bangos ilgis 525 nm, energijos pasiskirstymą ir balta šviesa kurių energija E 2 ir vienas dominuojantis bangos ilgis 525 nm su energija E 1 . Spalva nustatoma pagal dominuojantį bangos ilgį, o grynumą lemia E 1 ir E 2 santykis. E 2 vertė yra laipsnis, kuriuo gryna spalva, kurios bangos ilgis 525 nm, praskiedžiama balta spalva: jei E 2 artėja prie nulio, tada spalvos grynumas artėja prie 100%, o jei E 2 artėja prie E 1, tada šviesa tampa artima balta, o jo grynumas linkęs nulį. Ryškumas yra proporcingas šviesos energijai ir laikomas intensyvumu ploto vienetui.

Dažniausiai būna ne grynos monochromatinės spalvos, o jų mišiniai. Trijų komponentų šviesos teorija remiasi prielaida, kad centrinėje tinklainės dalyje yra trijų tipų spalvoms jautrūs kūgiai. Pirmasis suvokia bangos ilgius, esančius matomo spektro viduryje, tai yra, žalią; antrieji bangos ilgiai viršutiniame matomo spektro gale, tai yra, raudoni; trečiosios trumposios apatinės spektro dalies bangos, tai yra mėlynos. Santykinis akies jautrumas () yra didžiausias žaliai ir minimalus mėlynai. Jei visi trys kūgių tipai yra veikiami vienodo energetinio ryškumo lygio (energijos per laiko vienetą), tada šviesa atrodo balta. Natūrali balta šviesa apima visus matomo spektro bangos ilgius; tačiau baltos šviesos pojūtį galima gauti sumaišius bet kurias tris spalvas, jei nė viena iš jų nėra linijinis kitų dviejų spalvų derinys. Tai įmanoma dėka fiziologinės savybės akis, kurioje yra trijų tipų kūgiai. Šios trys spalvos vadinamos pagrindinėmis.

Kompiuterinėje grafikoje naudojamos dvi pagrindinių spalvų maišymo sistemos: priedinė raudona, žalia, mėlyna (RGB) ir atimama žalsvai mėlyna, rausvai raudona, geltona (CMY) (). Vienos sistemos spalvos papildo kitą: žalsvai mėlyna iki raudonos, rausvai žalios, geltonos iki mėlynos. Papildoma spalva yra skirtumas tarp baltos ir nurodytos spalvos: žydra yra balta minus raudona, rausvai raudona yra balta ir žalia, geltona yra balta ir mėlyna. Nors raudona gali būti laikoma žalsvai mėlynos spalvos papildymu, tradiciškai raudona, žalia ir mėlyna yra laikomos pagrindinėmis spalvomis, o žydra, rausvai raudona, geltona – jas papildo. Įdomu tai, kad vaivorykštės ar prizmės spektre nėra violetinės spalvos, tai yra, ją generuoja žmogaus regėjimo sistema.

Atspindintiems paviršiams, tokiems kaip spausdinimo dažai, plėvelės ir nešviečiantys ekranai, naudojama atiminė CMY sistema. Atimančiose sistemose papildomos spalvos bangos ilgiai atimami iš balto spektro. Pavyzdžiui, kai šviesa atsispindi arba perduodama per purpurinį objektą, žalioji spektro dalis sugeriama. Jei gautą šviesą atspindi arba laužia geltonas objektas, mėlyna spektro dalis sugeriama ir lieka tik raudona spalva. Kai ji atsispindi arba lūžta mėlyname objekte, spalva tampa juoda, nes pašalinamas visas matomas spektras. Šiuo principu veikia nuotraukų filtrai.

RGB priedų spalvų sistema yra naudinga šviečiantiems paviršiams, tokiems kaip CRT ekranai ar spalvotos lempos. Pakanka atlikti labai paprastą eksperimentą, kad įsitikintumėte, jog beveik visų matomo spektro spalvų lygties (sudėties) minimalus spalvų skaičius yra trys. Leiskite savavališkai monochromatinei atskaitos šviesai nukristi ant tam tikro fono. Stebėtojas bando eksperimentiškai suvienodinti fono spalvą, sodrumą ir fono šviesumą šalia kontrolinės šviesos, naudodamas monochromatinius skirtingo intensyvumo šviesos srautus. Jei naudojama tik viena instrumentinė (išlyginamoji) spalva, jos bangos ilgis turi būti toks pat kaip etaloninės. Vieno vienspalvio instrumentinio šviesos srauto pagalba galima išlyginti tik vieną spalvą. Tačiau jei neatsižvelgsite į etaloninės šviesos atspalvį ir sodrumą, spalvas galite išlyginti šviesumu. Ši procedūra vadinama fotometrija.

Tokiu būdu sukuriamos vienspalvės spalvotų vaizdų reprodukcijos. Jei stebėtojas turi du monochromatinius šaltinius, jis gali išlyginti didesnį kontrolinių mėginių skaičių, bet ne visus. Pridėjus trečią instrumentinę spalvą, galima gauti beveik visus valdymo variantus, su sąlyga, kad šios trys spalvos yra plačiai paskirstytos visame spektre ir nė viena iš jų nėra linijinis kitų derinys, tai yra, kad tai yra pagrindinės spalvos. Geras pasirinkimas kai pirmoji spalva yra ilgų bangų ilgių spektro srityje (raudona), antroji - vidutinio bangos ilgio (žalia) ir trečioji - su trumpesniais bangos ilgiais (mėlyna). Šių trijų spalvų derinimas, norint išlyginti monochromatinę etaloninę spalvą, matematiškai išreiškiamas kaip C = rR + gG + bB, kur etaloninės šviesos C spalva; R, G, B raudonos, žalios ir mėlynos spalvos instrumentinės šviesos srautai; r, g, b santykiniai šviesos srautų R, G, B kiekiai, kurių reikšmės svyruoja nuo 0 iki 1.

Tačiau pridėjus tris pagrindines spalvas visos pamatinės spalvos neišlyginamos. Pavyzdžiui, kad gautų mėlynai žalią spalvą, stebėtojas sujungia mėlyną ir žalią šviesą, tačiau jų suma atrodo šviesesnė nei mėginys. Jei pridėsite raudonos spalvos, kad būtų tamsesnė, rezultatas bus šviesesnis, nes šviesos energijos sumuojasi. Tai suteikia stebėtojui idėją: pridėkite raudonos šviesos į mėginį, kad jis būtų lengvesnis. Ši prielaida iš tikrųjų veikia, ir išlyginimas baigtas. Matematiškai raudonos šviesos pridėjimas prie kontrolinės lemputės atitinka jos atėmimą iš kitų dviejų išlyginamųjų šviesos srautų. Žinoma, tai fiziškai neįmanoma, nes neigiamo šviesos intensyvumo nėra. Matematiškai tai parašyta kaip C + rR = gG + bB arba C = -rR + gG + bB.

Spalvų lygties funkcijos r, g, b parodytos monochromatiniams šviesos srautams, kurių bangos ilgiai 436, 546 ir 700 nm. Jų pagalba galite išlyginti visus matomo spektro bangos ilgius. Atminkite, kad visuose bangos ilgiuose, išskyrus maždaug 700 nm, viena iš funkcijų visada yra neigiama. Tai atitinka prietaiso lemputės pridėjimą prie kontrolinės lemputės. Kolorimetrija tiria šias funkcijas.

Stebėtojas taip pat pastebi, kad padvigubėjus etaloninės šviesos intensyvumui, kiekvienos instrumentinės šviesos intensyvumas taip pat padvigubėja, tai yra 2C = 2rR + 2gG + 2bB. Galiausiai paaiškėja, kad ta pati atskaitos šviesa išlyginama dviem Skirtingi keliai, o r, g ir b reikšmės gali būti nevienodos. Dviejų skirtingų r, g ir b rinkinių instrumentinės spalvos vadinamos viena kitos metamerais. Techniškai tai reiškia, kad etaloninė šviesa gali būti suderinta su skirtingais sudėtiniais šaltiniais su nevienodu spektro energijos pasiskirstymu. Rodomi du labai skirtingi spektrinio atspindžio pasiskirstymai, kurie sukuria tą pačią vidutinio pilkumo spalvą.

Eksperimentų rezultatai apibendrinti Grassmanno dėsniuose:

• akis reaguoja į tris skirtingus dirgiklius, o tai patvirtina spalvos trimatį pobūdį. Stimulais galima laikyti, pavyzdžiui, dominuojančią bangos ilgį (spalvinį foną), grynumą (sotumą) ir ryškumą (šviesumą) arba raudoną, žalią ir mėlyną spalvas;
• keturios spalvos visada yra tiesiškai priklausomos, ty cC = rR + gG + bB, kur c, r, g, b<>0. Todėl dviejų spalvų (cC) 1 ir (cC) 2 mišinio lygybė galioja (cC) 1 + (cC) 2 = (rR) 1 + (rR) 2 + (gG) 1 + (gG) ) 2 - (bB) 1 + (bB) 2 . Jei spalva C 1 lygi spalvai C, o spalva C 2 lygi spalvai C, tai spalva C 1 lygi spalvai C 2 nepriklausomai nuo energijos spektrų C, C 1, C 2 struktūros;
• Jei trijų spalvų mišinyje viena nuolat kinta, o kitos išlieka pastovios, tai mišinio spalva keisis nuolat, tai yra, trimatė spalvų erdvė yra ištisinė.

Iš tokių eksperimentų žinoma, kad regėjimo sistema gali atskirti maždaug 350 000 spalvų. Jei spalvos skiriasi tik tonais, tai mėlynai geltonoje spektro dalyje spalvos, kurių dominuojantys bangų ilgiai skiriasi 1 nm, o spektro pakraščiuose skiriasi 10 nm. Aiškiai matomi maždaug 128 spalvų tonai. Jei keičiasi tik sodrumas, regos sistema nebepajėgia atskirti daugelio spalvų. Yra 16 geltonos ir 23 raudonai violetinės sodrumo laipsnių.

Trimatis šviesos pobūdis leidžia kiekvieno dirgiklio vertę susieti su stačiakampe sistemos ašimi (). Taip sukuriama trijų komponentų spalvų erdvė. Bet kuri spalva C gali būti pavaizduota kaip vektorius su komponentais rR, gG ir bB. Išsamus trimatės spalvų erdvės aprašymas pateiktas Meyerio darbe. Vektoriaus C susikirtimas su vieneto plokštuma suteikia jo raudonos, žalios ir mėlynos komponentų santykinius svorius. Tai vadinamos spalvingumo reikšmėmis arba koordinatėmis: r" = r/(r + g + b), g" = g/(r + g + b), b" = b/(r + g + b).

Vadinasi, r" + g" + b" = 1. Projektuodami vieneto plokštumą, gauname spalvų grafiką (). Ji aiškiai parodo dviejų spalvų funkcinį ryšį ir netiesiogiai ryšį su trečiąja, pavyzdžiui b" = 1 - r" - g". Jei spalvų reguliavimo funkcijos () perkeltos į trimatę erdvę, rezultatas nebus visiškai teigiamas oktantas. Projekcijoje į plokštumą taip pat bus neigiamų verčių, o tai apsunkina matematinius skaičiavimus.

1931 metais Anglijoje įvyko Tarptautinės apšvietimo komisijos (ICE) (Commission International de l'Eclairage) posėdis, kuriame buvo aptariami tarptautiniai spalvų apibrėžimo ir matavimo standartai.Dvimatis spalvų grafikas ICE 1931 ir trijų akių atsako funkcijų rinkinys, kuris pašalina neigiamas reikšmes ir yra patogesnis apdorojimui. Pagrindinės CIE spalvos gaunamos iš standartinių akių atsako funkcijų ().

Hipotetinės pagrindinės CIE spalvos yra žymimos X, Y, Z. Iš tikrųjų jie neegzistuoja, nes be neigiamos dalies negali atitikti tikrosios fizinės šviesos. XYZ trikampis buvo pasirinktas taip, kad apimtų visą matomą spektrą. CIE spalvingumo koordinatės yra: x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z), z = Z/(X + Y + Z) ir x + y + z = 1 ( * ). Projektuojant XYZ trikampį į xy plokštumą, gaunamas CIE spalvų grafikas. X ir y spalvingumo koordinatės rodo santykinį trijų XYZ pagrindinių spalvų kiekį, reikalingą bet kokiai spalvai sukurti. Tačiau jie nenurodo gaunamos spalvos ryškumo (intensyvumo). Ryškumas nustatomas pagal Y koordinatę, o X ir Z sureguliuojami pagal atitinkamą skalę. Taikant šį susitarimą, (x, y, Y) apibrėžia ir spalvingumą, ir šviesumą. Atvirkštinis spalvingumo koordinačių konvertavimas į XYZ spalvų koordinates yra: X = x * (Y/y), Y = Y, Z = (1 - x - y) * (Y/y) (**).

Grupė nusprendė orientuoti XYZ trikampį taip, kad vienodi hipotetinių pirminių XYZ spalvų kiekiai būtų balti.

1931 m. CIE spalvų diagrama parodyta . Kontūras, panašus į sparną, yra geometrinis visų matomų bangos ilgių taškų lokusas, tai yra spektrinių spalvų linija. Kontūro skaičiai atitinka bangos ilgį tam tikrame taške. Raudona yra apatiniame dešiniajame kampe, žalia – viršuje, o mėlyna – apatiniame kairiajame grafiko kampe. Atkarpa, jungianti kreivės galus, vadinama purpurine linija. Kreivė kontūro viduje atitinka visiškai juodo kūno spalvą kaitinant nuo 1000 o K iki begalybės. Taškinė linija rodo temperatūrą, taip pat kryptis, kuriomis akis mažiausiai gali pastebėti spalvos pokyčius. Baltoji atskaitos taškas yra lygus energijos taškas E(x = 0,333, y = 0,333) ir standartiniai MKO šaltiniai A(0,448, 0,408), B(0,349, 0,352), C(0,310, 0,316), D 6500 (0,313, 0,329). A šaltinis yra maždaug šilta dujomis užpildytos volframo kaitinamosios lempos spalva, esant 2856 o K temperatūrai. Ji yra daug „raudonesnė“ nei kitos. Šaltinis B atitinka saulės šviesą vidurdienį, o C – vidurdienio apšvietimą su apsiniaukusiu dangumi. Nacionalinis televizijos standartų komitetas (NTSC) šaltinį C pripažino balta etalonine spalva. Šaltinis D 6500, atitinkantis juodo kūno spinduliuotę esant 6504 o K, yra šiek tiek žalesnis. Jis naudojamas kaip pamatinė balta spalva daugelyje televizorių monitorių.

Kaip matote, spalvų schema yra labai patogi. Norėdami gauti papildomą spalvą, turite tęsti tiesią liniją, einanti per šią spalvą ir atskaitos baltą, kol ji susikirs su kita kreivės puse. Pavyzdžiui, raudonai oranžinę C 4 spalvą (l = 610 nm) papildo mėlynai žalia C 5 spalva (l = 491 nm). Kai spalva ir jos papildymas pridedamas tam tikra proporcija, rezultatas yra baltas. Norint rasti dominuojantį spalvos bangos ilgį, reikia tęsti tiesią liniją, einanti per atskaitos baltą spalvą ir nurodytą spalvą, kol ji susikerta su spektro spalvingumo linija. Pavyzdžiui, dominuojantis C 6 spalvos bangos ilgis yra 570 nm, o tai yra geltonai žalia. Jei tiesi linija kerta rausvai raudoną spalvingumo liniją, tai ši spalva neturi dominuojančio bangos ilgio matomoje spektro dalyje. Šiuo atveju jis apibrėžiamas kaip papildomas dominuojantis bangos ilgis su indeksu „c“, tai yra, tiesi linija tęsiasi nuo spalvos per atskaitos baltą priešinga kryptimi. Pavyzdžiui, dominuojantis C 7 spalvos bangos ilgis yra 500 nm.

Grynos arba visiškai (100%) prisotintos spalvos yra ant spektrinio spalvingumo linijos. Etaloninė balta spalva laikoma visiškai atskiesta, tai reiškia, kad jos grynumas yra 0%. Norėdami apskaičiuoti tarpinių spalvų grynumą, turite rasti atstumo nuo etaloninės baltos spalvos iki nurodytos spalvos ir atstumo nuo etaloninės baltos iki spektrinės arba rausvai raudonos spalvos linijos santykį. Pavyzdžiui, C 6 spalvos grynumas lygus a/(a + b), o C 7 lygus c/(c + d).

Dviejų spalvų mišinio CIE spalvingumo koordinatės nustatomos pagal Grassmanno dėsnius, pridedant pagrindines spalvas. C 1 (x 1 , y 1 , z 1 ) ir C 2 (x 2 , y 2 , z 2 ) spalvų mišinys yra C 12 = (x 1 + x 2) + (y 1 + y 2) + ( z 1 + z 2).

Naudodami aukščiau pateiktas lygtis (*) ir (**) ir įvedę žymėjimus T 1 = Y 1 /y 1, T 2 = Y 2 /y 2, gauname mišinio spalvų koordinates: x 12 = (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. Tokiu būdu galite pridėti daugiau spalvų, jei iš eilės į mišinį įtrauksite naujų spalvų.

Rodomas CIE spalvingumo grafikas su įprastų suvokiamų spalvų pavadinimais. Mažosiomis raidėmis užrašuose sutrumpinti spalvų pavadinimai atitinka galūnę „-ovat“, pavyzdžiui, yG yra gelsvos spalvos- žalia (geltona ish-žalias). Kiekviena spalva savo srityje keičia sodrumą arba grynumą nuo beveik nulio šalia šaltinio (pastelinė spalva) iki pilno (turtingo) šalia spektrinio spalvingumo linijos. Atkreipkite dėmesį, kad žali atspalviai užima beveik visą grafiko viršų, o raudoni ir mėlyni yra susitelkę purpurinės spalvos spalvingumo linijos apačioje. Todėl vienodi plotai ir atstumai grafike neatitinka vienodų suvokimo skirtumų. Siekiant ištaisyti šį trūkumą, buvo pasiūlytos kelios šio grafiko transformacijos.

Spalvota televizija, filmai, daugiaspalvė spauda ir kt. neapima viso matomo spektro spalvų diapazono ar gamos. Spalvų gama, kurią galima atkurti priedų sistemoje, yra trikampis CIE grafike, kurio viršūnės yra pagrindinėse RGB spalvose. Bet kurią spalvą trikampio viduje galima gauti iš pagrindinių spalvų. Lentelėje parodyta įprasto CRT monitoriaus ir NTSC standarto pagrindinių RGB spalvų spalvų gama. Palyginimui taip pat parodyta atimtinė CMY spalvų sistema, sumažinta iki CIE koordinačių, kuri naudojama spalvotame kine. Atkreipkite dėmesį, kad jo aprėptis nėra trikampė ir platesnė nei spalvoto monitoriaus; tai yra, kai kurių spalvų, sukurtų filme, negalima atkurti televizijos ekrane. Be to, parodytos pagrindinės CIE XYZ spalvos, esančios spektrinio spalvingumo linijoje: raudona 700 nm, žalia 543,1 nm, mėlyna 435,8 nm. Jų pagalba buvo gautos išlyginimo funkcijos.