Osnova sodobne teorije barv je teorija Helmholtza in Heringa o tribarvnih barvnih občutkih. Trenutno sprejeta teorija barv temelji na treh zakonih dodajanja barv, ki jih je določil Grassmann.

V skladu s prvim zakonom lahko vsako barvo obravnavamo kot niz treh linearno neodvisnih barv, torej takih treh barv, od katerih nobene ni mogoče dobiti s seštevanjem drugih dveh.

Iz drugega zakona izhaja, da je celoten obseg barv neprekinjen, to pomeni, da ne more obstajati barva, ki ne bi bila sosednja drugim barvam. Z nenehnimi spremembami sevanja se lahko katera koli barva spremeni v drugo.

Tretji zakon dodajanja barv pravi, da je neka barva, ki jo dobimo z dodajanjem več komponent, odvisna samo od njihovih barv in ni odvisna od njihove spektralne sestave. Na podlagi tega zakona je mogoče isto barvo dobiti z različnimi kombinacijami drugih barv. Danes je splošno sprejeto, da vsako barvo obravnavamo kot kombinacijo modre, zelene in rdeče, ki so linearno neodvisne. Vendar pa po tretjem zakonu mešanja barv obstaja nešteto drugih kombinacij treh linearno neodvisnih barv.

Mednarodna komisija za osvetlitev (CIE) je sprejela barve monokromatskega sevanja z valovnimi dolžinami 700, 546,1 in 435,5 nm kot tri primarne barve, oz. R, G, B.

Če so te tri primarne barve razporejene v prostoru v obliki treh vektorjev, ki izhajajo iz ene točke, ki označujejo ustrezne enotske vektorje r, g, b, potem katera koli barva F, lahko izrazimo kot vektorsko vsoto:

F=Rr+Gg+Bb

Kje R, G, B - moduli barv sorazmerni s številom primarnih barv v nastali skupni barvi; ti moduli se imenujejo barvne koordinate.

Barvne koordinate enolično označujejo barvo, to pomeni, da človek ne čuti razlike v barvah, ki imajo enake koordinate. Vendar pa enake barvne koordinate ne pomenijo enake spektralne sestave. Vzorci, katerih barva je označena z različnimi spektri, vendar imajo enake barvne koordinate, se imenujejo metamerni. Zaznana barva obarvanega vzorca je odvisna od vira, v katerem je opazovan. Metamerni vzorci, ki so videti enake barve v svetlobi enega vira, so drugačni v svetlobi drugega.

Sistem, sprejet za izražanje barvnih merilnih podatkov, je X, Y, Z. V tem sistemu so tri primarne barve barve, ki v resnici ne obstajajo, ampak so linearno povezane z barvami R, G in IN.
Barva v sistemu XYZ je izražena kot vektorska vsota:

F=xx+Yy + Zz

Za razliko od sistema RGIN vse prave barve v sistemu XYZ imajo pozitivne koordinate. Svetlost primarnih barv X in l enaka nič, torej svetlost barve F lahko označimo samo z eno barvno koordinato Y,

Specifične koordinate spektralno čistih barv različnih valovnih dolžin (specifične barvne koordinate) so prikazane na sl.

Imenuje se razmerje med barvno koordinato in vsoto vseh treh koordinat barvna koordinata. Označene so koordinate barvnosti, ki ustrezajo barvnim koordinatam X, y,z

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

Očitno je, da:

X+ y +z=1

Očitno je tudi, da koordinate kromatičnosti ostanejo nespremenjene, če sorazmerno povečamo ali zmanjšamo vse barvne koordinate. Tako koordinate kromatičnosti enolično označujejo samo barva, vendar ne upoštevajo svetlost barve. Dejstvo, da je vsota vseh kromatičnih koordinat enaka ena, omogoča uporabo samo dveh koordinat za karakterizacijo kromatičnosti, kar posledično omogoča grafično predstavitev kromatičnosti v kartezičnih koordinatah.

Grafični prikaz kromatičnosti v koordinatah X, y se imenuje barvna karta (sl.).

Na barvnem grafu so narisane točke, ki ustrezajo spektralno čistim barvam. Nahajajo se na odprti krivini. Bela ustreza točki C s koordinatami kromatike X = 0,3101 in y = 0,3163. Konci krivulje so skrčeni s segmentom, na katerem so vijolični toni, ki jih v spektru ni. Valovna dolžina magenta tona je označena s številko s črto in je enaka valovni dolžini komplementarne barve, to je barve, ki se nahaja na točki v presečišču ravne črte, ki poteka skozi točko dane magenta barve in točka Z, s krivuljo spektralno čistih barv. Na segmentih, ki povezujejo točko bele barve s pikami na obodu diagrama se nahajajo barve istega barvnega tona.

Barvni ton (prevladujoča valovna dolžina) - to je valovna dolžina, ki ustreza maksimumu v odbojnem spektru vzorca (ali transmisijskem spektru prozornega vzorca) ali valovna dolžina monokromatskega sevanja, ki ga je treba dodati belemu, da dobimo določeno barvo.

Čistost barve (nasičenost) katere koli barve je opredeljen kot razmerje med svetlostjo monokromatske komponente in vsoto svetlosti monokromatske in bele komponente. Svetlost - to je vrednost, ki označuje količino svetlobe, ki se odbije od vzorca. Kot smo že omenili, je svetlost v tribarvnem sistemu vzeta kot vrednost barvnih koordinat Y.

Če na barvni karti vzamemo neko barvo in jo označimo s piko A, potem bo njegova skupna svetlost enaka YA, in svetlost monokromatske komponente, sorazmerna z relativno oddaljenostjo barve od bele točke, bo izražena z razmerjem: Yll2/(l1+l2).

Tako lahko barvo označimo na tri načine, pri čemer v vsakem primeru uporabimo tri količine za njeno karakterizacijo:

1) barvne koordinate X, Y, Z,

2) koordinate barvnosti X in pri v povezavi z barvno koordinato Y;

3) barvni ton l, barvna čistost R in svetlost Y.

Merjenje beline.
Eden glavnih pokazateljev belih pigmentov in polnil je njihova belina. belina imenujemo stopnja približevanja barve idealni beli. Idealno bela je površina, ki difuzno odbija vso svetlobo, ki vpada nanjo v celotnem vidnem območju spektra. Vendar pa lahko kot referenco vzamete drug prednostni beli vzorec.

Za ocenjevanje beline obstaja kar nekaj različnih spektrofotometričnih in kolorimetričnih metod. Najpogosteje se za oceno beline belih pigmentov uporabljajo vrednosti barvnih razlik med izmerjenim vzorcem in sprejetim standardom. Belina W se v tem primeru izračuna po formuli:

DE - popolna barvna razlika.

Ki se pojavijo pri delu s slikami, in številne druge teme, na primer na temo obdelave slik, tako ali drugače vplivajo na vprašanja barv in barvne reprodukcije. Toda na žalost večina teh člankov pojem barve in značilnosti njene reprodukcije opisuje zelo površno ali pa dela prenagljene zaključke ali celo napake. Število člankov in vprašanj na specializiranih forumih o praktični vidiki natančna barvna reprodukcija, pa tudi številni nepravilni poskusi odgovora na ta vprašanja tudi s strani izkušenih strokovnjakov, kaže, da se težave pri delu z barvo pojavljajo precej pogosto in je težko najti utemeljene in jasne odgovore nanje.

Nezadostno ali napačno znanje večine IT strokovnjakov o barvni reprodukciji je po mojem mnenju posledica dejstva, da se zelo malo časa porabi za študij teorije barv, saj so njene osnove varljivo preproste: ker so na mrežnici tri vrste stožcev, z mešanjem določenih treh barv lahko brez težav dobimo celotno mavrico barv, kar potrdijo RGB ali CMYK kontrole v kakšnem programu. Večini se to zdi dovolj in njihova želja po znanju na tem področju se konča. Toda procesi pridobivanja, ustvarjanja in reprodukcije slik vas pripravijo na številne nianse in možne težave, pri kateri bo pomagalo razumevanje teorije barv in procesov, na katerih temelji. Ta tema je namenjena zapolnitvi vrzeli v znanju na področju znanosti o barvah in bo uporabna za večino oblikovalcev, fotografov, programerjev in, upam, drugih strokovnjakov za IT.

Poskusite odgovoriti na naslednja vprašanja:

• zakaj fizika ne more definirati pojma barve?
• Katera od sedmih osnovnih enot SI temelji na lastnostih človeškega vidnega sistema?
• Katerega barvnega tona ni v spektru?
• Kako je bilo pred 90 leti mogoče izmeriti človekovo zaznavo barv?
• kje se uporabljajo barve, ki nimajo svetlosti?

Če vsaj na eno vprašanje niste našli odgovora, priporočam, da pogledate pod mačko, kjer najdete odgovore na vsa ta vprašanja.

Opredelitev pojma barve. Njegova dimenzija

Vsi vemo, da znanost ne more brez meritev in merskih enot, in znanost o barvah ni izjema. Zato bomo najprej poskušali opredeliti pojem barve in na podlagi te definicije poiskati načine za njeno merjenje.

Nihče ne bo presenečen, ko bo slišal, da barve zaznavamo s pomočjo oči, ki v ta namen zajemajo svetlobo sveta okoli nas. Svetloba je elektromagnetno sevanje v območju valovnih dolžin 390–740 nm (vidno očesu), zato poskusimo poiskati ključ do merjenja barve v lastnostih teh žarkov, ob predpostavki, da je barva značilnost svetlobe, ki je vstopila naše oči. To nikakor ni v nasprotju z našimi mislimi: svetloba, ki vstopi v oči, povzroči, da človek zazna barve.

Fizika pozna in zlahka izmeri takšne parametre svetlobe, kot sta moč in njena spektralna sestava (to je porazdelitev moči po valovnih dolžinah - spekter). Z merjenjem spektra odbite svetlobe, na primer od modre in rdeče površine, bomo videli, da smo na pravi poti: krivulje porazdelitve moči se bodo precej razlikovale, kar potrjuje našo domnevo, da je barva lastnost vidnega sevanja, saj te površine drugačna barva. Prva težava, ki nas čaka, je potreba po snemanju vsaj 35 numeričnih vrednosti spektra (območje vidne valovne dolžine 390–740 nm s korakom 10 nm) za opis ene barve. Preden sploh začnemo razmišljati o načinih za rešitev tega manjšega problema, ugotovimo, da se spektri nekaterih barvno enakih vzorcev obnašajo čudno (rdeči in zeleni graf):

Vidimo, da se spektri bistveno razlikujejo, kljub nedvomno enaki barvi vzorcev (v tem primeru - siva barva; taki dve radiaciji imenujemo metamerna). Na oblikovanje barvnega zaznavanja teh vzorcev vpliva samo svetloba, ki se od njih odbija (vpliv barve ozadja, stopnjo prilagojenosti očesa na osvetlitev in druge manjše dejavnike bomo tu izpustili), saj njen spektralni distribucija je vse, kar nam lahko dajo fizične meritve naših vzorcev. V tem primeru dve bistveno različni porazdelitvi spektra določata isto barvo.

Naj navedemo drugi primer problema spektralnega opisa barve. Vemo, da so žarki vsakega dela vidnega spektra za nas obarvani v določeni barvi: od modre v območju 400 nm, prek modre, zelene, rumene, oranžne do rdeče z valovno dolžino 650 nm in več. Rumena je nekje v območju 560-585 nm. Lahko pa izberemo takšno mešanico rdečega in zelenega sevanja, ki bo kljub popolni odsotnosti kakršnega koli sevanja v »rumenem« območju 560-585 nm zaznano kot rumeno.

Izkazalo se je, da nobena fizikalni parametri ne more pojasniti istovetnosti barve v prvi situaciji in prisotnosti rumene barve žarkov v drugi situaciji. Čudna situacija? Kje smo se zmotili?

Pri izvajanju eksperimenta z merjenjem spektrov smo domnevali, da je barva lastnost sevanja, vendar naši rezultati to ovržejo, saj so bili zunaj spektra različni žarki svetlobe, ki jih zaznavamo kot isto barvo. Če bi bila naša predpostavka pravilna, bi vsaka opazna sprememba krivulje spektra povzročila zaznano spremembo barve, ki je ne opazimo. Ker zdaj iščemo načine za merjenje barv in smo videli, da merjenju spektrov ne moremo reči merjenje barv, moramo iskati druge načine, na katere bo to izvedljivo.

Pravzaprav sta bila v prvem primeru izvedena dva poskusa: eden s spektrometrom, ki je rezultiral v dveh grafih, drugi pa vizualna primerjava vzorcev s strani osebe. Prvi način meri spektralna sestava luč, druga pa šibice Občutek v mislih človeka. Glede na to, da nam prva metoda ne ustreza, poskusimo za merjenje barve uporabiti osebo, pri čemer predpostavimo, da je barva občutek, ki ga človek doživi, ​​ko se na njegove oči nanaša svetloba. Toda kako izmeriti čustva osebe, razumeti kompleksnost in negotovost tega koncepta? Ne ponujajte elektrod v možgane ali encefalograma, ker tudi zdaj takšne metode ne zagotavljajo potrebne natančnosti za tako subtilen koncept, kot je barva. Še več, ta problem je bilo uspešno rešeno že v dvajsetih letih dvajsetega stoletja brez razpoložljivosti večine trenutnih tehnologij.

Svetlost

Prvi problem, za rešitev katerega je postalo potrebno numerično izraziti vizualne občutke osebe, je bila naloga merjenja svetlosti svetlobnih virov. Merjenje moči sevanja svetilk (in sicer moči sevanja v džulih ali vatih in ne porabljene električne moči) ni odgovorilo na to vprašanje, ker, prvič, človek ne vidi sevanja z valovno dolžino manjšo od 380 in več. kot 780 nm, zato nobeno sevanje izven tega območja ne vpliva na svetlost vira. Drugič, kot smo že videli pri spektrih, je zaznavanje barve (in svetlosti) bolj zapleten proces kot preprosto določanje značilnosti svetlobe, ki vstopa v naše oči: človeški vid je bolj občutljiv na nekatera področja spektra in manj drugim. Na primer, zeleno sevanje je veliko svetlejše od modrega sevanja enake moči. Očitno je, da je za rešitev problema numeričnega izražanja svetlosti svetlobnih virov potrebno kvantificirati občutljivost človeškega vidnega sistema za vse posamezne valovne dolžine spektra, kar je nato mogoče uporabiti za izračun prispevka vsake valovne dolžine svetlobnega vira. vira do njegove skupne svetlosti. Tako kot zgoraj omenjeni problem z merjenjem barve se tudi ta nanaša na potrebo po merjenju občutka svetlosti osebe.

Možno je bilo izmeriti občutek svetlosti iz sevanj vsake valovne dolžine z vizualno primerjavo svetlosti sevanj z znanimi močmi osebe. To je povsem preprosto: z nadzorovanjem jakosti sevanja je potrebno izenačiti svetlost dveh monokromatskih (čim bolj ožjih spektrov) tokov, pri tem pa meriti njuni moči. Na primer, da bi izenačili svetlost monokromatskega sevanja z valovno dolžino 555 nm z močjo enega vata, je treba uporabiti dvovatno sevanje z valovno dolžino 512 nm. Se pravi naš vizualni sistem dvakrat bolj občutljiva na prvo sevanje. V praksi je bil za visoko natančnost rezultatov izveden bolj zapleten poskus, vendar to ne spremeni bistva povedanega (postopek je podrobno opisan v izvirnem znanstvenem delu iz leta 1923). Rezultat serije takšnih poskusov za celotno vidno območje je spektralna krivulja svetlobne učinkovitosti (lahko zasledite tudi ime "krivulja vidnosti"):

Valovne dolžine so narisane vzdolž osi X, relativna občutljivost človeškega vidnega sistema na ustrezno valovno dolžino pa je narisana vzdolž osi Y.

Če imate napravo z enako spektralno občutljivostjo, lahko enostavno določite svetlost želenih svetlobnih emisij na njej. Pod takšno krivuljo je občutljivost različnih fotometrov, luksmetrov in drugih naprav skrbno prilagojena, pri delu katerih je pomembno določiti svetlost, ki jo oseba zazna. Vendar je občutljivost takšnih naprav vedno le približek krivulji spektralne svetlobne učinkovitosti človeka, za natančnejše meritve svetlosti pa se uporablja spektralna porazdelitev svetlobnega vira, ki nas zanima.

Spektralno porazdelitev dobimo tako, da sevanje razdelimo na ozka spektralna območja in izmerimo moč vsakega od njih posebej. Svetlost našega vira lahko obravnavamo kot vsoto svetlosti vseh teh spektralnih območij in za to določimo svetlost vsakega od njih (formula za tiste, ki jih ne zanima branje mojih razlag na prste): mi pomnožimo izmerjeno moč z občutljivostjo našega vidnega sistema, ki ustreza tej valovni dolžini (osi Y in X prejšnji grafikon oz.). Če seštejemo svetilnosti vseh območij spektra, pridobljene na ta način, bomo dobili svetlost našega primarnega sevanja v fotometričnih enotah, ki dajejo natančno predstavo o zaznani svetlosti določenih predmetov. Ena od fotometričnih enot je vključena v osnovne enote SI - kandela, ki je določena s spektralno krivuljo svetlobnega izkoristka, to je na podlagi lastnosti človeškega vidnega sistema. Relativno krivuljo občutljivosti človeškega vidnega sistema je leta 1924 kot mednarodni standard sprejela Mednarodna komisija za osvetlitev (v sovjetski literaturi najdemo okrajšavo CIE) ali CIE - Commission Internationale de l "Éclairage.

CIE RGB sistem

Toda spektralna krivulja svetlobnega izkoristka nam daje predstavo le o svetlosti svetlobnega sevanja in lahko imenujemo njegove druge značilnosti, na primer nasičenost in odtenek, ki jih z njeno pomočjo ni mogoče izraziti. Glede na način merjenja svetlosti zdaj vemo, da lahko samo oseba neposredno "izmeri" barvo (ne pozabite, da je barva občutek) ali nek model njegove reakcije, kot je krivulja spektralne svetlobne učinkovitosti, ki vam omogoča, številčno izražajo občutke svetlosti. Recimo, da je za merjenje barve potrebno eksperimentalno s pomočjo osebe ustvariti po analogiji s krivuljo svetlobne učinkovitosti določen sistem, ki bo prikazal barvni odziv vidnega sistema na vse. možne možnosti spektralna porazdelitev svetlobe.

Ena lastnost svetlobnih žarkov je že dolgo znana (pravzaprav je to značilnost našega vidnega sistema): če zmešate dve raznobarvni radiaciji, lahko dobite barvo, ki bo popolnoma drugačna od prvotne. Na primer, kazanje na Beli seznam papir na eni točki zelene in rdeče svetlobe določenih moči, lahko dobite čisto rumeno liso brez primesi zelenih ali rdečih odtenkov. Z dodajanjem še tretjega sevanja, pri čemer se modra bolje prilega obstoječima dvema (ker je z mešanico rdeče in zelene nikakor ni mogoče dobiti), dobimo sistem, ki nam bo omogočil veliko barv.

Če nekaj testnega sevanja v taki napravi vizualno izenačimo, dobimo tri kazalnike: jakost rdečega, zelenega in modrega sevalca (kot na primer napetost, ki jo pripeljemo do sijalke). To pomeni, da smo s pomočjo naše naprave (imenovane vizualni kolorimeter), ki reproducira barve, in našega vidnega sistema uspeli dobiti številčne vrednosti barvo določenega sevanja, za kar smo stremeli. Ti trije pomeni se pogosto imenujejo barvne koordinate, ker jih je priročno predstaviti kot koordinate tridimenzionalnega prostora.

Podobne poskuse sta v dvajsetih letih prejšnjega stoletja neodvisno uspešno izvedla znanstvenika John Guild in David Wright. Kot glavna sevanja je Wright uporabil monokromatsko sevanje rdeče, zelene in modre rože z valovnimi dolžinami 650, 530 oziroma 460 nm, Guild pa je uporabil bolj kompleksno (nemonokromatsko) sevanje. Kljub bistvenim razlikam v uporabljeni opremi in dejstvu, da so bili podatki povprečeni le za 17 opazovalcev z normalnim vidom (10 za Wrighta in 7 za Guilda), so bili končni rezultati obeh raziskovalcev med seboj zelo blizu, kar kaže na visoko natančnost. meritev, ki so jih izvedli znanstveniki. Shematično je postopek merjenja prikazan na sliki:

Vklopljeno zgornji del zaslon je projicirala mešanico sevanja iz trije viri, na spodnjem pa - proučevano sevanje, udeleženec poskusa pa jih hkrati vidi skozi luknjo v zaklopu. Raziskovalec zastavi udeležencu nalogo, da izenači barvo med polji naprave, hkrati pa proučevano sevanje usmeri v spodnje polje. Udeleženec prilagaja moč treh sevanj, dokler mu ne uspe, raziskovalec pa beleži jakost treh virov.

V številnih primerih v takem poskusu ni mogoče izenačiti določenih monokromatskih sevanj: testno polje na kateremkoli položaju treh regulatorjev sevanja ostane bolj nasičeno od uporabljene mešanice. Ker pa je namen eksperimenta pridobivanje barvnih koordinat in ne njihova reprodukcija, so raziskovalci izbrali trik: enega glavnega sevanja naprave niso zmešali z drugima dvema, ampak so ga usmerili v nižje del zaslona, ​​to pomeni, da so ga zmešali s testnim sevanjem :

Nadalje se izenačitev izvede kot običajno, vendar se bo količina sevanja, ki je pomešana s preučevanim, štela za negativno. Tukaj lahko potegnemo analogijo s spremembo predznaka pri prenosu števila v drug del običajne enačbe: ker je vizualna enakost vzpostavljena med obema deloma zaslona kolorimetra, lahko njegov zgornji del obravnavamo kot en del enačbe in spodnji del kot drugi.

Oba raziskovalca sta opravila vizualne meritve vseh posameznih monokromatskih emisij v vidnem spektru. S preučevanjem lastnosti vidnega spektra na ta način so znanstveniki domnevali, da bi njihove rezultate lahko uporabili za opis katerega koli drugega sevanja. Znanstveniki so operirali z močmi treh neodvisnih sevanj in rezultat serije takih poskusov so tri krivulje in ne ena, kot je bilo narejeno pri izdelavi krivulje svetlobnega izkoristka.

Da bi ustvaril priročen in vsestranski sistem specifikacije barv, je odbor CIE izračunal povprečje merilnih podatkov Gild in Wright ter preračunal njune podatke za trio osnovnih sevanj z valovno dolžino 700, 546,1 in 435,8 nm (rdeča, zelena in modra, rdeča, zelena , modra - RGB). Poznavanje razmerja svetlosti glavnih sevanj takega povprečnega sistema, ki so potrebni za reprodukcijo bele barve (oziroma 1: 4,5907: 0,0601 za rdeče, zelene in modre žarke, kar je bilo ugotovljeno eksperimentalno z naknadnim ponovnim izračunom) in uporabo spektralne na krivulji učinkovitosti so člani CIE izračunali krivulje specifičnih barvnih koordinat, ki prikazujejo zahtevano število treh glavnih sevanj tega sistema za enačbo katerega koli monokromatskega sevanja z močjo enega vata:

Valovne dolžine so narisane vzdolž osi X, zahtevane količine treh sevanj, potrebnih za reprodukcijo barve, ki jo povzroča ustrezna valovna dolžina, pa so narisane vzdolž osi Y. Negativni odseki grafov ustrezajo tistim monokromatskim emisijam, ki jih ni mogoče reproducirati s tremi glavnimi emisijami, uporabljenimi v sistemu, in za njihovo specifikacijo je treba pri prilagajanju uporabiti zgoraj opisan trik.

Za izgradnjo takega sistema lahko izberemo katera koli druga tri sevanja (ne pozabimo, da nobeno od njih ne sme biti reproducirano z mešanico drugih dveh), kar nam bo dalo druge specifične krivulje. Reproducirajo se glavna sevanja, izbrana v sistemu CIE RGB velika številka spekter sevanja, njegove specifične krivulje pa so dobljene z veliko natančnostjo in standardizirane.

Krivulje določenih barvnih koordinat odpravljajo potrebo po uporabi okornega vizualnega kolorimetra, s svojo počasno metodo vizualnega prilagajanja za pridobivanje barvnih koordinat s pomočjo človeka in omogočajo izračun le-teh iz spektralne porazdelitve sevanja, ki se hitro in enostavno pridobijo z uporabo spektrometra. Takšna metoda je mogoča, ker je vsako sevanje mogoče predstaviti kot mešanico monokromatskih žarkov, katerih moči ustrezajo intenziteti ustrezne cone spektra tega sevanja.

Zdaj pa preverimo naša dva vzorca, pred katerima je fizika obupala, ki prikazujeta različne spektre za enobarvne objekte, z uporabo krivulj specifične koordinatne formule spektralne porazdelitve, tukaj pa so uporabljene tri krivulje). Rezultat bodo tri števila R, G in B, ki so barvne koordinate v sistemu CIE RGB, torej število treh sevanj tega sistema, katerih mešanica je barvno enaka merjenemu. Za naša dva vzorca bomo dobili tri enake vrednosti RGB, kar ustreza našemu enakemu zaznavanju barv in potrjuje našo domnevo, da je barva občutek in jo je mogoče izmeriti le s sodelovanjem našega vidnega sistema oziroma njegovega modela v obliki tri krivulje sistema CIE RGB ali katerega drugega, katerega specifične koordinate so znane (drug tak sistem, ki temelji na drugih primarnih barvah, bomo podrobneje obravnavali malo kasneje). Z uporabo kolorimetra CIE RGB za neposredno merjenje svetlobe, ki se odbije od vzorcev, torej z vizualno izenačitvijo barve mešanice treh sevanj sistema z barvo vsakega vzorca, bomo dobili iste tri RGB koordinate.

Opozoriti je treba, da je v kolorimetričnih sistemih običajno normalizirati količine osnovnega sevanja tako, da R=G=B=1 ustreza beli barvi, sprejeti v sistemu. Za sistem CIE RGB je ta bela barva barva hipotetičnega vira enake energije, ki enakomerno seva na vseh valovnih dolžinah vidnega spektra. Brez takšne normalizacije se sistem izkaže za neprijetnega, saj je svetlost modrega vira zelo majhna - 4,5907:0,0601 proti zeleni, na grafih pa bi se večina barv "držala" na modri osi diagrama. Z uvedbo takšne normalizacije (oziroma 1:4,5907:0,0601 za rdeče, zelene in modre žarke sistema) bomo prešli s fotometričnih na kolorimetrične enote, kar bo naredilo tak sistem bolj udoben.

Upoštevajte, da sistem CIE RGB ne temelji na nobeni teoriji. barvni vid, in krivulje določenih barvnih koordinat niso spektralna občutljivost tri vrstečepnice v človeški mrežnici, saj si jih pogosto napačno razlagajo. Takšen sistem zlahka opusti podatke o lastnostih pigmentov stožca mrežnice in brez kakršnih koli podatkov o najkompleksnejših procesov obdelavo vizualnih informacij v naših možganih. To govori o izjemni iznajdljivosti in daljnovidnosti znanstvenikov, ki so tak sistem ustvarili kljub zanemarljivim informacijam o lastnostih človekovega vidnega aparata v tistem času. Še več, sistem CIE RGB je temelj znanosti o barvah brez skoraj nobenih sprememb, kljub ogromnemu napredku znanosti v zadnjem času.

Upoštevati je treba tudi, da čeprav monitor uporablja tudi tri oddajnike za barvno reprodukcijo, tako kot sistem CIE RGB, vrednosti treh barvnih komponent (RGB) monitorja ne bodo natančno določale barve, ker različni monitorji različno reproducirajo barve z precej velik razpon. , poleg tega pa se glavne emisije monitorjev precej razlikujejo od glavnih emisij sistema CIE RGB. To pomeni, da vrednosti RGB monitorja ne smete jemati kot neke vrste absolutne barvne definicije.

Za boljše razumevanje je treba opozoriti, da ko rečemo "sevanje/vir/valovna dolžina/svetilka je zelena", v resnici mislimo, da "sevanje/vir/valovna dolžina/svetilka daje občutek Zelena barva". Vidno sevanje je samo dražljaj za naš vidni sistem, barva pa je posledica zaznave tega dražljaja in barvnih lastnosti ne bi smeli pripisovati elektromagnetnemu valovanju. Tako kot v zgornjem primeru se na primer pri mešanju rdečih in zelenih monokromatskih žarkov ne pojavijo valovi iz rumenega območja spektra, ampak njihovo mešanico zaznamo kot rumeno.

Nerealne barve. CIE XYZ sistem

Leta 1931 je bil na Trinity College Univerze v Cambridgeu (Velika Britanija) na rednem srečanju CIE sistem, ki temelji na podatkih Gild in Wright, sprejet kot mednarodni standard. Tudi skupina znanstvenikov, ki jo je vodil Američan Deane B. Judd, je, da ne bi čakali na naslednjo sejo odbora, ki bo šele leto dni pozneje, predlagala drug sistem specifikacije barv, katerega končni podatki so bili izračunana šele večer pred srečanjem. Predlagani sistem se je izkazal za tako priročnega in uspešnega, da ga je odbor sprejel brez resne razprave.

Da bi razumeli, na podlagi česa je bil tak sistem ustvarjen, je treba barvo predstaviti kot vektor, saj se dodajanje dveh ali več barv drži enakih pravil kot dodajanje vektorjev (to izhaja iz Grassmannovih zakonov). Na primer, rezultat mešanja rdečega in zelenega sevanja lahko predstavimo kot seštevek dveh vektorjev z dolžinami, ki sta sorazmerni s svetlostjo teh sevanj:

Svetlost zmesi bo enaka dolžini vektorja, dobljenega z dodatkom, barva pa bo odvisna od razmerja svetlosti uporabljenih sevanj. Bolj kot je razmerje v prid eni od osnovnih barv, bolj bo nastalo sevanje po barvi bližje temu sevanju:

Poskusimo na podoben način grafično prikazati mešanje barv v kolorimetru, uporabljenem za izdelavo kolorimetra CIE RGB. Kot se spomnite, uporablja tri sevanja rdeče, zelene in modre barve. Nobene barve tega trojčka ni mogoče dobiti z vsoto drugih dveh, zato bo treba vse možne mešanice teh sevanj predstaviti v tridimenzionalnem prostoru, kar pa nam ne preprečuje uporabe vektorskih lastnosti dodajanja barv v ta primer:

Risanje tridimenzionalnih diagramov ni vedno priročno, zato se pogosto uporablja poenostavljen graf, ki je projekcija vseh potrebnih barv na eno ravnino (označeno z modro) tridimenzionalnega diagrama:

Rezultat takšne projekcije barvnega vektorja bo točka na diagramu, katere osi bodo stranice trikotnika, ki jih določajo točke primarnih barv sistema CIE RGB:

Takšna točka bo imela koordinate v sistemu tega trikotnika v obliki razdalje od katerih koli dveh njegovih stranic (tretja koordinata je odveč, saj lahko vsako točko v trikotniku določimo z dvema razdaljama od oglišč ali stranic). Koordinate v takem trikotniku se imenujejo koordinate kromatičnosti in določajo barvne parametre, kot so odtenek (modra, cian, zelena itd.) In nasičenost (siva, bleda, nasičena itd.). Ker smo prešli s tridimenzionalnega na ploščati diagram, ne omogoča prikaza tretjega barvnega parametra - svetlosti, vendar bo v mnogih primerih dovolj že določitev samo barvne vrednosti.

Da ne bi prišlo do zmede, posebej poudarjamo, da koordinate barve- to je položaj konca barvnega vektorja v tridimenzionalnem sistemu in so označeni z velikimi črkami (npr. RGB, XYZ) in koordinatami barvnost- to je položaj barvne točke na ravni barvni karti in so označeni male črke(rg, xy) in sta dovolj dva.

Uporaba koordinatnega sistema, v katerem ni med osemi pravi kot ni vedno neprijetno, zato se v kolorimetriji tak sistem pogosteje uporablja od trije vektorji, katere enotska ravnina tvori pravokotni trikotnik. Njeni dve strani blizu pravega kota se uporabljata kot osi diagrama kromatičnosti:

Postavimo zdaj vse možne kromatičnosti na takšen diagram, katerega meja bo črta spektralno čistih sevanj s črto magenta kromatičnosti, pogosto imenovano lokus, ki omejuje področje realnih barv na diagramu (rdeča črta) :

Linija magenta kromatičnosti leži med kromatičnostmi sevanja skrajnega modrega in rdečega konca spektra. Vijoličaste barve ne moremo povezati z nobenim območjem spektra, tako kot z vsako drugo barvo, saj občutek vijoličaste nastane zaradi hkratnega delovanja modrih in rdečih žarkov na naš vidni sistem in ne le enega.

Pomemben del lokusa (v območju 380-546 nm) presega trikotnik, ki ga omejujejo kromatičnosti glavnih sevanj, to pomeni, da ima negativne koordinate kromatičnosti, ker tega dela spektralnih sevanj ni bilo mogoče izenačiti na kolorimeter CIE. To ustreza krivuljam določenih barvnih koordinat, v katerih ima isti del spektra negativne koordinate (v območju 380-440 nm so to majhne vrednosti, nevidne na grafu).

Prisotnost negativnih barvnih in kromatičnih koordinat je kolorimetrične izračune otežila: v 1920-ih in 1930-ih je bila večina izračunov opravljena z diapozitivom, količina izračunov v kolorimetričnih delih pa je precej velika.

Prejšnji diagram nam pokaže, da imajo vse pozitivne koordinate samo barve, ki ležijo znotraj trikotnika, ki tvorijo barvnosti osnovnih sevanj, uporabljenih v tem sistemu. Če bi geometrijsko mesto ležalo na sredini trikotnika, bi imele vse barve pozitivne koordinate, kar bi močno poenostavilo izračune. Popolnoma nemogoče pa je najti takšne tri točke na lokusu, ki bi ga lahko vključevale vase, zaradi njegove konveksne oblike. Kasneje so ugotovili, da je razlog za takšno obliko lokusa v posebnostih spektralne občutljivosti treh vrst stožcev v našem očesu, ki se med seboj prekrivajo in vsako sevanje vzbudi stožce, ki so odgovorni za drugo območje spektra. , ki zniža stopnjo nasičenosti barv.

Kaj pa, če presežemo lokus in uporabimo barve, ki jih ni mogoče reproducirati in videti, a katerih koordinate lahko zlahka uporabimo v enačbah skupaj s koordinatami pravih barv? Ker smo že prešli od poskusov k izračunom, nam nič ne preprečuje uporabe tako nerealnih barv, saj so ohranjene vse lastnosti barvnega mešanja! Uporabimo lahko poljubne tri barve, katerih trikotnik lahko vključuje geometrijsko mesto pravih barv, in zlahka narišemo veliko takšnih trojčkov neresničnih primarnih barv (priporočljivo bo, da se tak trikotnik sestavi čim tesneje okoli mesta, da bo manj nepotrebnih območij na diagramu):

S tolikšno svobodo pri izbiri pik novih osnovnih barv so se znanstveniki odločili iz tega izluščiti nekaj uporabnih možnosti za nov tribarvni sistem. Na primer, zmožnost določitve fotometrične svetlosti neposredno z ustvarjenim sistemom brez dodatnih izračunov ali meritev (v sistemu CIE RGB je treba izračunati svetlost), to je, da jo nekako združimo s fotometričnim standardom iz leta 1924.

Da bi upravičili izbiro tria novih barv (ne pozabite, da obstajajo samo v izračunih), ki so jih na koncu za to izbrali znanstveniki, se vrnimo k naši tridimenzionalni barvni koordinatni karti. Za jasnost in lažje razumevanje bomo uporabili običajni pravokotni koordinatni sistem. Nanj postavimo ravnino, na kateri bodo vse barve imele enako fotometrično svetlost. Kot se spomnite, so enote svetlosti rdečega, zelenega in modrega osnovnega sevanja v sistemu CIE RGB povezane kot 1: 4,5907: 0,0601, in da bi se vrnili k fotometričnim enotam, jih je treba vzeti v razmerju 1/1 od 1/4,59 do 1/0, 0601, to je 1:0,22:17, kar nam bo dalo ravnino barv z enako fotometrično svetlostjo v kolorimetričnem sistemu CIE RGB (točka presečišča ravnine z B- os je zunaj slike na položaju 17):

Vse barve, katerih koordinate so na tej ravnini, bodo imele enako fotometrično svetlost. Če porabite vzporedna ravnina dvakrat nižja od prejšnje (0,5:0,11:8,5), dobimo položaj barv s polovično svetlostjo:

Podobno lahko spodaj narišete novo vzporedno ravnino, ki seka izhodišče, na katero bodo postavljene vse barve z ničelno svetlostjo, še nižje pa lahko narišete celo ravnine negativne svetlosti. To se morda zdi absurdno, vendar ne pozabite, da delamo z matematično predstavitvijo tribarvnega sistema, kjer je vse to mogoče v enačbah, ki jih bomo uporabili.

Vrnimo se k ravnemu diagramu rg tako, da nanj projiciramo ravnino ničelne svetlosti. Projekcija bo linija ničelne svetlosti - alychna, ki prečka izvor:

Na alihnu so kromatičnosti, ki nimajo svetlosti, in če uporabite barvo, ki je na njej, v barvni enačbi (ne resnični, z mešanjem svetlobnih tokov, ampak v enačbah, kjer so takšne barve možne), to ne bo vplivalo na svetlost dobljene mešanice. Če na alihno položimo dve barvi tribarvnega sistema, potem bo svetlost celotne mešanice določena samo z eno preostalo barvo.

Naj vas spomnim, da iščemo barvne koordinate takšnih treh hipotetičnih barv, ki lahko izenačijo barve vseh realnih sevanj brez uporabe negativnih vrednosti (trikotnik mora vsebovati celotno mesto), hkrati pa bo novi sistem neposredno vključite fotometrični standard svetlosti. Z namestitvijo dveh barv na alihno (z imenom X in Z) in tretje nad lokusom (Y) rešimo oba problema:

Mesto realnih barv je v celoti v trikotniku, ki je omejen s tremi izbranimi barvami, svetlost pa je v celoti prešla na eno od treh komponent sistema - Y. Glede na normalizacijo vrednosti in Narava meritev lahko koordinata Y izraža svetlost neposredno v kandelah na m 2, odstotek največje svetlosti nekega sistema (na primer zaslona), odstotek prenosa (prozorni vzorci, na primer diapozitivi) ali svetlost glede na neki standard (pri merjenju odbojnih vzorcev).

Če nastali trikotnik pretvorimo v pravokotnik, dobimo diagram kromatičnosti xy, ki ga mnogi poznajo:

Ne smemo pozabiti, da je xy diagram projekcija sistema z glavnimi točkami XYZ na enotsko ravnino, podobno kot rg diagram in sistem RGB. Ta diagram vam omogoča priročno ponazoritev barvnosti različnih emisij, na primer barvne lestvice različnih naprav. Grafikon ima enega uporabna lastnina: koordinate kromatike mešanice dveh sevanj se nahajajo strogo na črti, ki povezuje točki teh dveh sevanj na diagramu. Zato bo barvna lestvica monitorja na primer v takšnem diagramu trikotnik.

Grafikon xy ima tudi eno pomanjkljivost, ki jo morate upoštevati: enake črte na različnih področjih grafikona ne pomenijo enake zaznane razlike v barvi. To ponazarjata dve beli črti na prejšnji sliki. Dolžine teh segmentov ustrezajo občutku enake barvne razlike, vendar se segmenti razlikujejo po dolžini za faktor tri.

Izračunajmo krivulje specifičnih barvnih koordinat nastalega sistema, ki prikazujejo zahtevano število treh osnovnih barv XYZ za enačbo poljubnega monokromatskega sevanja z močjo enega vata:

Vidimo, da v krivuljah ni negativnih odsekov (kar smo opazili pri sistemu RGB), kar je bil eden od ciljev izdelave sistema XYZ. Tudi krivulja y (y s pomišljajem na vrhu) popolnoma sovpada s krivuljo spektralne svetlobne učinkovitosti človeškega vida (o njej je bilo govora zgoraj pri razlagi definicije svetlosti svetlobnih emisij), tako da vrednost Y določa barvo svetlost neposredno - izračunana je na enak način kot fotometrična svetlost iz te iste krivulje. To dosežemo tako, da drugi dve barvi sistema postavimo na ravnino ničelne svetlosti. Zato kolorimetrični standard iz leta 1931 vključuje fotometrični standard iz leta 1924 in odpravlja nepotrebne izračune ali meritve.

Te tri krivulje določajo standardni kolorimetrični opazovalec - standard, ki se uporablja pri kolorimetrični interpretaciji spektralnih meritev in je skoraj nespremenjen vse do danes podprl vso znanost o barvah. Čeprav vizualni kolorimeter XYZ fizično ne more obstajati, njegove lastnosti omogočajo zelo natančne barvne meritve in mnogim industrijam pomagajo pri predvidljivi reprodukciji in sporočanju barvnih informacij. Vsi nadaljnji dosežki v znanosti o barvah temeljijo na sistemu XYZ, na primer sistemu CIE L * a * b *, ki ga mnogi poznajo in podobno, kot tudi najnovejši sistemi CIECAM, ki uporabljajo sodobne programe za profiliranje barv.

Rezultati

1. Natančno delo z barvo zahteva njeno merjenje, ki je enako potrebno kot merjenje dolžine ali teže.
2. Merjenje zaznane svetlosti (enega od atributov vidnega občutka) svetlobnih emisij je nemogoče brez upoštevanja značilnosti našega vidnega sistema, ki so bile uspešno raziskane in vključene v vse fotometrične količine (kandela, lumen, luks) v obliki krivulje njegove spektralne občutljivosti.
3. Preprosta meritev spektra preiskovane svetlobe sama po sebi ne daje odgovora na vprašanje o njeni barvi, saj je enostavno najti različne spektre, ki jih zaznavamo kot eno barvo. Različne količine, ki izražajo isti parameter (barvo, v našem primeru) kažejo na neuspešnost takšnega načina določanja.
4. Barva je posledica zaznave svetlobe (barvni dražljaj) v naših mislih in ne fizična lastnost tega sevanja, zato je treba ta občutek na nek način izmeriti. Toda neposredno merjenje človeških občutkov ni mogoče (ali pa ni bilo mogoče v času nastanka tukaj opisanih kolorimetričnih sistemov).
5. Temu problemu smo se izognili z vizualnim (s sodelovanjem osebe) izenačevanjem barve proučevanega sevanja z mešanjem treh sevanj, katerih količine v mešanici bodo želeni numerični izraz barve. Eden od sistemov takih treh sevanj je CIE RGB.
6. Ko s pomočjo takega sistema eksperimentalno izenačijo vsa monokromatska sevanja posebej, dobijo (po nekaj izračunih) specifične koordinate tega sistema, ki kažejo zahtevane količine njegovih sevanj za barvno enačbo katerega koli monokromatskega sevanja z močjo ena vat.
7. Če poznamo specifične koordinate, je mogoče izračunati barvne koordinate proučevanega sevanja iz njegove spektralne sestave brez vizualne izravnave barv s strani osebe.
8. Sistem CIE XYZ je bil ustvarjen z matematičnimi preobrazbami sistema CIE RGB in temelji na enakih principih - katero koli barvo je mogoče natančno določiti s številom treh sevanj, katerih mešanico človek zazna kot enake barve. Glavna razlika sistema XYZ je, da barva njegovih glavnih "emisij" obstaja samo v kolorimetričnih enačbah in jih je fizično nemogoče dobiti.
9. Glavni razlog za ustvarjanje sistema XYZ je olajšanje izračunov. Barvne in kromatične koordinate vseh možnih svetlobnih emisij bodo pozitivne. Poleg tega barvna koordinata Y neposredno izraža fotometrično svetlost dražljaja.

Zaključek

Informatikom najbližja področja, ki temeljijo na principih in sistemih, opisanih v tem članku, so obdelava slik in njihova reprodukcija na različne načine: od fotografije do spletnega oblikovanja in tiskanja. Sistemi za upravljanje barv delujejo neposredno s kolorimetričnimi sistemi in rezultati meritev barv, kar omogoča predvidljivo barvno reprodukcijo na različne načine. Toda ta tema že presega obseg tega članka, saj so tu prizadeti temeljni vidiki teorije barv in ne barvne reprodukcije.

Ta tema se ne pretvarja, da daje izčrpne in popolne informacije o obravnavani temi, ampak je le "slika, ki pritegne pozornost" za IT strokovnjake, od katerih so mnogi preprosto dolžni razumeti osnove barvne znanosti. Za lažje razumevanje je veliko tukaj poenostavljeno ali navedeno mimogrede, zato podajam seznam virov, ki bodo zanimivi za tiste, ki se želijo podrobneje seznaniti s teorijo barv (vse knjige lahko najdete v omrežju):
kandela fotometrija Add tags

stran 1

Kromatične koordinate označujejo dano barvo. Svetlobe naslikanega predmeta pa te koordinate ne določajo. Če na primer podvojimo ordinate spektralne odbojne krivulje, ki označuje katero koli barvno površino, se ustrezno povečajo barvne koordinate X, Y, Z. Toda barvne koordinate x, y, z ostanejo nespremenjene.

Kromatične koordinate se štejejo od strani trikotnika, ki leži nasproti oglišča, v katerem je primarna barva, ki ustreza tej koordinati.

Z-kromatična koordinata običajno ni navedena.

Koordinate kromatičnosti določajo določeno barvo v ravnini prečnega prereza barvnega prostora.

Koordinati barvnosti (koeficienti tribarvnice) x in y tvorita kartezični koordinatni sistem.

Skozi to najdemo koordinate barvnosti D v sistemu XYZ.

Koordinate kromatike svetlobnih signalov, opažene v dejanskih pogojih, niso določene le s spektralnimi značilnostmi svetlobnih virov in filtrov, uporabljenih v dani svetlobno-signalni napravi ali signalni napravi, temveč tudi ob upoštevanju možnih sprememb spektralnih značilnosti atmosferskega plasti, skozi katere prehaja sevanje, ki prenaša svetlobni signal. Pri signalnih številkah je poleg tega treba upoštevati spremembe v koordinatah kromatičnosti, ko te številke opazujemo pod majhnimi koti.

Zato imajo koordinate kromatičnosti in specifične koordinate v tem sistemu samo pozitivne vrednosti, kar poenostavlja barvne izračune.

Izrazimo koordinate kromatičnosti k, z, s (2 - 72) z relativnimi izkoristki kanalov ke, ze, ce.

Koordinate kromatičnosti je mogoče izmeriti z univerzalnim fotoelektričnim kolorimetrom, razvitim na VNISI. Znotraj kolorimetrične glave slednjega sta selenska fotocelica in dva rotacijska diska. Vsak disk ima pet lukenj. Tri luknje prvega diska (ta služi za merjenje kromatičnih koordinat) so prekrite s filtri x, y, z, četrta je prosta, peta pa prekrita z zaslonom. Zaslon se uporablja za prekrivanje fotocelice pri preverjanju ničle galvanometra, na katerega je fotocelica priključena. Z uvedbo filtra se opravijo vse meritve svetlobe. Drugi disk je namenjen merjenju barvne temperature vira. Tri luknje tega diska so prekrite z rdečim, zelenim in modrim svetlobnim filtrom, ena je prosta, ena pa prekrita z mrežo.

In koordinate kromatičnosti r, g b spektralnih barv so prikazane z grafičnimi mešalnimi krivuljami. Če primarne barve R, G, B res obstajajo, potem imajo mešalne krivulje za posamezne odseke negativne vrednosti spektra, saj vsota dveh ali treh osnovnih barv daje barvo, ki je manj nasičena od spektralnih barv, kot je navedeno zgoraj. Kot primarne barve lahko izberete pogojne, ne prave, vendar primerne za izračun primarne barve, tako da mešalne krivulje v celotnem spektru nimajo negativnih vrednosti. Te krivulje se imenujejo sumacijske krivulje osnovnih vzbujanja.

Ki se pojavijo pri delu s slikami, in številne druge teme, na primer na temo obdelave slik, tako ali drugače vplivajo na vprašanja barv in barvne reprodukcije. Toda na žalost večina teh člankov pojem barve in značilnosti njene reprodukcije opisuje zelo površno ali pa dela prenagljene zaključke ali celo napake. Število člankov in vprašanj na specializiranih forumih o praktičnih vidikih natančne barvne reprodukcije, pa tudi številni nepravilni poskusi odgovora na ta vprašanja tudi s strani izkušenih strokovnjakov, kaže, da se težave pri delu z barvami pojavljajo precej pogosto in da je treba najti utemeljene in jasne odgovori nanje težki.

Nezadostno ali napačno znanje večine IT strokovnjakov o barvni reprodukciji je po mojem mnenju posledica dejstva, da se zelo malo časa porabi za študij teorije barv, saj so njene osnove varljivo preproste: ker so na mrežnici tri vrste stožcev, z mešanjem določenih treh barv lahko brez težav dobimo celotno mavrico barv, kar potrdijo RGB ali CMYK kontrole v kakšnem programu. Večini se to zdi dovolj in njihova želja po znanju na tem področju se konča. Toda procesi pridobivanja, ustvarjanja in reprodukcije slik vas pripravijo na številne nianse in možne težave, ki jih bo razumevanje teorije barv in procesov, na katerih temelji, pomagalo rešiti. Ta tema je namenjena zapolnitvi vrzeli v znanju na področju znanosti o barvah in bo uporabna za večino oblikovalcev, fotografov, programerjev in, upam, drugih strokovnjakov za IT.

Poskusite odgovoriti na naslednja vprašanja:

• zakaj fizika ne more definirati pojma barve?
• Katera od sedmih osnovnih enot SI temelji na lastnostih človeškega vidnega sistema?
• Katerega barvnega tona ni v spektru?
• Kako je bilo pred 90 leti mogoče izmeriti človekovo zaznavo barv?
• kje se uporabljajo barve, ki nimajo svetlosti?

Če vsaj na eno vprašanje niste našli odgovora, priporočam, da pogledate pod mačko, kjer najdete odgovore na vsa ta vprašanja.

Opredelitev pojma barve. Njegova dimenzija

Vsi vemo, da znanost ne more brez meritev in merskih enot, in znanost o barvah ni izjema. Zato bomo najprej poskušali opredeliti pojem barve in na podlagi te definicije poiskati načine za njeno merjenje.

Nihče ne bo presenečen, ko bo slišal, da barve zaznavamo s pomočjo oči, ki v ta namen zajemajo svetlobo sveta okoli nas. Svetloba je elektromagnetno sevanje v območju valovnih dolžin 390–740 nm (vidno očesu), zato poskusimo poiskati ključ do merjenja barve v lastnostih teh žarkov, ob predpostavki, da je barva značilnost svetlobe, ki je vstopila naše oči. To nikakor ni v nasprotju z našimi mislimi: svetloba, ki vstopi v oči, povzroči, da človek zazna barve.

Fizika pozna in zlahka izmeri takšne parametre svetlobe, kot sta moč in njena spektralna sestava (to je porazdelitev moči po valovnih dolžinah - spekter). Z merjenjem spektra odbite svetlobe, na primer od modre in rdeče površine, bomo videli, da smo na pravi poti: krivulje porazdelitve moči se bodo precej razlikovale, kar potrjuje našo domnevo, da je barva lastnost vidnega sevanja, saj te površine so različnih barv. Prva težava, ki nas čaka, je potreba po snemanju vsaj 35 numeričnih vrednosti spektra (območje vidne valovne dolžine 390–740 nm s korakom 10 nm) za opis ene barve. Preden sploh začnemo razmišljati o načinih za rešitev tega manjšega problema, ugotovimo, da se spektri nekaterih barvno enakih vzorcev obnašajo čudno (rdeči in zeleni graf):

Vidimo, da se spektra bistveno razlikujeta, kljub nedvoumno enaki barvi vzorcev (v tem primeru sivi; taki dve radiaciji imenujemo metamerna). Na oblikovanje barvnega zaznavanja teh vzorcev vpliva samo svetloba, ki se od njih odbija (vpliv barve ozadja, stopnjo prilagojenosti očesa na osvetlitev in druge manjše dejavnike bomo tu izpustili), saj njen spektralni distribucija je vse, kar nam lahko dajo fizične meritve naših vzorcev. V tem primeru dve bistveno različni porazdelitvi spektra določata isto barvo.

Naj navedemo drugi primer problema spektralnega opisa barve. Vemo, da so žarki vsakega dela vidnega spektra za nas obarvani v določeni barvi: od modre v območju 400 nm, prek modre, zelene, rumene, oranžne do rdeče z valovno dolžino 650 nm in več. Rumena je nekje v območju 560-585 nm. Lahko pa izberemo takšno mešanico rdečega in zelenega sevanja, ki bo kljub popolni odsotnosti kakršnega koli sevanja v »rumenem« območju 560-585 nm zaznano kot rumeno.

Izkazalo se je, da noben fizikalni parameter ne more razložiti istovetnosti barve v prvi situaciji in prisotnosti rumene barve žarkov v drugi situaciji. Čudna situacija? Kje smo se zmotili?

Pri izvajanju eksperimenta z merjenjem spektrov smo domnevali, da je barva lastnost sevanja, vendar naši rezultati to ovržejo, saj so bili zunaj spektra različni žarki svetlobe, ki jih zaznavamo kot isto barvo. Če bi bila naša predpostavka pravilna, bi vsaka opazna sprememba krivulje spektra povzročila zaznano spremembo barve, ki je ne opazimo. Ker zdaj iščemo načine za merjenje barv in smo videli, da merjenju spektrov ne moremo reči merjenje barv, moramo iskati druge načine, na katere bo to izvedljivo.

Pravzaprav sta bila v prvem primeru izvedena dva poskusa: eden s spektrometrom, ki je rezultiral v dveh grafih, drugi pa vizualna primerjava vzorcev s strani osebe. Prvi način meri spektralna sestava luč, druga pa šibice Občutek v mislih človeka. Glede na to, da nam prva metoda ne ustreza, poskusimo za merjenje barve uporabiti osebo, pri čemer predpostavimo, da je barva občutek, ki ga človek doživi, ​​ko se na njegove oči nanaša svetloba. Toda kako izmeriti čustva osebe, razumeti kompleksnost in negotovost tega koncepta? Ne ponujajte elektrod v možgane ali encefalograma, ker tudi zdaj takšne metode ne zagotavljajo potrebne natančnosti za tako subtilen koncept, kot je barva. Še več, ta problem je bil uspešno rešen že v dvajsetih letih dvajsetega stoletja brez razpoložljivosti večine trenutnih tehnologij.

Svetlost

Prvi problem, za rešitev katerega je postalo potrebno numerično izraziti vizualne občutke osebe, je bila naloga merjenja svetlosti svetlobnih virov. Merjenje moči sevanja svetilk (in sicer moči sevanja v džulih ali vatih in ne porabljene električne moči) ni odgovorilo na to vprašanje, ker, prvič, človek ne vidi sevanja z valovno dolžino manjšo od 380 in več. kot 780 nm, zato nobeno sevanje izven tega območja ne vpliva na svetlost vira. Drugič, kot smo že videli pri spektrih, je zaznavanje barve (in svetlosti) bolj zapleten proces kot preprosto določanje značilnosti svetlobe, ki vstopa v naše oči: človeški vid je bolj občutljiv na nekatera področja spektra in manj drugim. Na primer, zeleno sevanje je veliko svetlejše od modrega sevanja enake moči. Očitno je, da je za rešitev problema numeričnega izražanja svetlosti svetlobnih virov potrebno kvantificirati občutljivost človeškega vidnega sistema za vse posamezne valovne dolžine spektra, kar je nato mogoče uporabiti za izračun prispevka vsake valovne dolžine svetlobnega vira. vira do njegove skupne svetlosti. Tako kot zgoraj omenjeni problem z merjenjem barve se tudi ta nanaša na potrebo po merjenju občutka svetlosti osebe.

Možno je bilo izmeriti občutek svetlosti iz sevanj vsake valovne dolžine z vizualno primerjavo svetlosti sevanj z znanimi močmi osebe. To je povsem preprosto: z nadzorovanjem jakosti sevanja je potrebno izenačiti svetlost dveh monokromatskih (čim bolj ožjih spektrov) tokov, pri tem pa meriti njuni moči. Na primer, da bi izenačili svetlost monokromatskega sevanja z valovno dolžino 555 nm z močjo enega vata, je treba uporabiti dvovatno sevanje z valovno dolžino 512 nm. To pomeni, da je naš vidni sistem dvakrat bolj občutljiv na prvo sevanje. V praksi je bil za visoko natančnost rezultatov izveden bolj zapleten poskus, vendar to ne spremeni bistva povedanega (postopek je podrobno opisan v izvirnem znanstvenem delu iz leta 1923). Rezultat serije takšnih poskusov za celotno vidno območje je spektralna krivulja svetlobne učinkovitosti (lahko zasledite tudi ime "krivulja vidnosti"):

Valovne dolžine so narisane vzdolž osi X, relativna občutljivost človeškega vidnega sistema na ustrezno valovno dolžino pa je narisana vzdolž osi Y.

Če imate napravo z enako spektralno občutljivostjo, lahko enostavno določite svetlost želenih svetlobnih emisij na njej. Pod takšno krivuljo je občutljivost različnih fotometrov, luksmetrov in drugih naprav skrbno prilagojena, pri delu katerih je pomembno določiti svetlost, ki jo oseba zazna. Vendar je občutljivost takšnih naprav vedno le približek krivulji spektralne svetlobne učinkovitosti človeka, za natančnejše meritve svetlosti pa se uporablja spektralna porazdelitev svetlobnega vira, ki nas zanima.

Spektralno porazdelitev dobimo tako, da sevanje razdelimo na ozka spektralna območja in izmerimo moč vsakega od njih posebej. Svetlost našega vira lahko obravnavamo kot vsoto svetlosti vseh teh spektralnih območij in za to določimo svetlost vsakega od njih (formula za tiste, ki jih ne zanima branje mojih razlag na prste): mi pomnožimo izmerjeno moč z občutljivostjo našega vidnega sistema, ki ustreza tej valovni dolžini (osi y oziroma x prejšnjega grafa). Če seštejemo svetilnosti vseh območij spektra, pridobljene na ta način, bomo dobili svetlost našega primarnega sevanja v fotometričnih enotah, ki dajejo natančno predstavo o zaznani svetlosti določenih predmetov. Ena od fotometričnih enot je vključena v osnovne enote SI - kandela, ki je določena s spektralno krivuljo svetlobnega izkoristka, to je na podlagi lastnosti človeškega vidnega sistema. Relativno krivuljo občutljivosti človeškega vidnega sistema je leta 1924 kot mednarodni standard sprejela Mednarodna komisija za osvetlitev (v sovjetski literaturi najdemo okrajšavo CIE) ali CIE - Commission Internationale de l "Éclairage.

CIE RGB sistem

Toda spektralna krivulja svetlobnega izkoristka nam daje predstavo le o svetlosti svetlobnega sevanja in lahko imenujemo njegove druge značilnosti, na primer nasičenost in odtenek, ki jih z njeno pomočjo ni mogoče izraziti. Glede na način merjenja svetlosti zdaj vemo, da lahko samo oseba neposredno "izmeri" barvo (ne pozabite, da je barva občutek) ali nek model njegove reakcije, kot je krivulja spektralne svetlobne učinkovitosti, ki vam omogoča, številčno izražajo občutke svetlosti. Recimo, da je za merjenje barve potrebno eksperimentalno s pomočjo osebe ustvariti po analogiji s krivuljo svetlobne učinkovitosti določen sistem, ki bo prikazal barvni odziv vidnega sistema na vse možne možnosti spektralne porazdelitve. svetlobe.

Ena lastnost svetlobnih žarkov je že dolgo znana (pravzaprav je to značilnost našega vidnega sistema): če zmešate dve raznobarvni radiaciji, lahko dobite barvo, ki bo popolnoma drugačna od prvotne. Na primer, če usmerite zeleno in rdečo svetlobo določenih moči na bel list papirja na eni točki, lahko dobite čisto rumeno liso brez primesi zelenih ali rdečih odtenkov. Z dodajanjem še tretjega sevanja, pri čemer se modra bolje prilega obstoječima dvema (ker je z mešanico rdeče in zelene nikakor ni mogoče dobiti), dobimo sistem, ki nam bo omogočil veliko barv.

Če nekaj testnega sevanja v taki napravi vizualno izenačimo, dobimo tri kazalnike: jakost rdečega, zelenega in modrega sevalca (kot na primer napetost, ki jo pripeljemo do sijalke). To pomeni, da smo s pomočjo naše naprave (imenovane vizualni kolorimeter), ki reproducira barve, in našega vizualnega sistema uspeli pridobiti številčne vrednosti za barvo določenega sevanja, za kar smo stremeli. Ti trije pomeni se pogosto imenujejo barvne koordinate, ker jih je priročno predstaviti kot koordinate tridimenzionalnega prostora.

Podobne poskuse sta v dvajsetih letih prejšnjega stoletja neodvisno uspešno izvedla znanstvenika John Guild in David Wright. Wright je kot glavna sevanja uporabil monokromatsko sevanje rdeče, zelene in modre barve z valovno dolžino 650, 530 oziroma 460 nm, medtem ko je Guild uporabil kompleksnejša (nemonokromatska) sevanja. Kljub bistvenim razlikam v uporabljeni opremi in dejstvu, da so bili podatki povprečeni le za 17 opazovalcev z normalnim vidom (10 za Wrighta in 7 za Guilda), so bili končni rezultati obeh raziskovalcev med seboj zelo blizu, kar kaže na visoko natančnost. meritev, ki so jih izvedli znanstveniki. Shematično je postopek merjenja prikazan na sliki:

Na zgornji del zaslona se projicira mešanica sevanja treh virov, na spodnji pa proučevana sevanja, ki jih udeleženec poskusa hkrati vidi skozi luknjo v zavesi. Raziskovalec zastavi udeležencu nalogo, da izenači barvo med polji naprave, hkrati pa proučevano sevanje usmeri v spodnje polje. Udeleženec prilagaja moč treh sevanj, dokler mu ne uspe, raziskovalec pa beleži jakost treh virov.

V številnih primerih v takem poskusu ni mogoče izenačiti določenih monokromatskih sevanj: testno polje na kateremkoli položaju treh regulatorjev sevanja ostane bolj nasičeno od uporabljene mešanice. Ker pa je namen eksperimenta pridobivanje barvnih koordinat in ne njihova reprodukcija, so raziskovalci izbrali trik: enega glavnega sevanja naprave niso zmešali z drugima dvema, ampak so ga usmerili v nižje del zaslona, ​​to pomeni, da so ga zmešali s testnim sevanjem :

Nadalje se izenačitev izvede kot običajno, vendar se bo količina sevanja, ki je pomešana s preučevanim, štela za negativno. Tukaj lahko potegnemo analogijo s spremembo predznaka pri prenosu števila v drug del običajne enačbe: ker je vizualna enakost vzpostavljena med obema deloma zaslona kolorimetra, lahko njegov zgornji del obravnavamo kot en del enačbe in spodnji del kot drugi.

Oba raziskovalca sta opravila vizualne meritve vseh posameznih monokromatskih emisij v vidnem spektru. S preučevanjem lastnosti vidnega spektra na ta način so znanstveniki domnevali, da bi njihove rezultate lahko uporabili za opis katerega koli drugega sevanja. Znanstveniki so operirali z močmi treh neodvisnih sevanj in rezultat serije takih poskusov so tri krivulje in ne ena, kot je bilo narejeno pri izdelavi krivulje svetlobnega izkoristka.

Da bi ustvaril priročen in vsestranski sistem specifikacije barv, je odbor CIE izračunal povprečje merilnih podatkov Gild in Wright ter preračunal njune podatke za trio osnovnih sevanj z valovno dolžino 700, 546,1 in 435,8 nm (rdeča, zelena in modra, rdeča, zelena , modra - RGB). Poznavanje razmerja svetlosti glavnih sevanj takega povprečnega sistema, ki so potrebni za reprodukcijo bele barve (oziroma 1: 4,5907: 0,0601 za rdeče, zelene in modre žarke, kar je bilo ugotovljeno eksperimentalno z naknadnim ponovnim izračunom) in uporabo spektralne na krivulji učinkovitosti so člani CIE izračunali krivulje specifičnih barvnih koordinat, ki prikazujejo zahtevano število treh glavnih sevanj tega sistema za enačbo katerega koli monokromatskega sevanja z močjo enega vata:

Valovne dolžine so narisane vzdolž osi X, zahtevane količine treh sevanj, potrebnih za reprodukcijo barve, ki jo povzroča ustrezna valovna dolžina, pa so narisane vzdolž osi Y. Negativni odseki grafov ustrezajo tistim monokromatskim emisijam, ki jih ni mogoče reproducirati s tremi glavnimi emisijami, uporabljenimi v sistemu, in za njihovo specifikacijo je treba pri prilagajanju uporabiti zgoraj opisan trik.

Za izgradnjo takega sistema lahko izberemo katera koli druga tri sevanja (ne pozabimo, da nobeno od njih ne sme biti reproducirano z mešanico drugih dveh), kar nam bo dalo druge specifične krivulje. Glavna sevanja, izbrana v sistemu CIE RGB, reproducirajo veliko število spektralnih sevanj, njegove specifične krivulje pa so pridobljene z visoko natančnostjo in standardizirane.

Krivulje določenih barvnih koordinat odpravljajo potrebo po uporabi okornega vizualnega kolorimetra, s svojo počasno metodo vizualnega prilagajanja za pridobivanje barvnih koordinat s pomočjo človeka in omogočajo izračun le-teh iz spektralne porazdelitve sevanja, ki se hitro in enostavno pridobijo z uporabo spektrometra. Takšna metoda je mogoča, ker je vsako sevanje mogoče predstaviti kot mešanico monokromatskih žarkov, katerih moči ustrezajo intenziteti ustrezne cone spektra tega sevanja.

Zdaj pa preverimo naša dva vzorca, pred katerima je fizika obupala, ki prikazujeta različne spektre za enobarvne objekte, z uporabo krivulj specifične koordinatne formule spektralne porazdelitve, tukaj pa so uporabljene tri krivulje). Rezultat bodo tri števila R, G in B, ki so barvne koordinate v sistemu CIE RGB, torej število treh sevanj tega sistema, katerih mešanica je barvno enaka merjenemu. Za naša dva vzorca bomo dobili tri enake vrednosti RGB, kar ustreza našemu enakemu zaznavanju barv in potrjuje našo domnevo, da je barva občutek in jo je mogoče izmeriti le s sodelovanjem našega vidnega sistema oziroma njegovega modela v obliki tri krivulje sistema CIE RGB ali katerega drugega, katerega specifične koordinate so znane (drug tak sistem, ki temelji na drugih primarnih barvah, bomo podrobneje obravnavali malo kasneje). Z uporabo kolorimetra CIE RGB za neposredno merjenje svetlobe, ki se odbije od vzorcev, torej z vizualno izenačitvijo barve mešanice treh sevanj sistema z barvo vsakega vzorca, bomo dobili iste tri RGB koordinate.

Opozoriti je treba, da je v kolorimetričnih sistemih običajno normalizirati količine osnovnega sevanja tako, da R=G=B=1 ustreza beli barvi, sprejeti v sistemu. Za sistem CIE RGB je ta bela barva barva hipotetičnega vira enake energije, ki enakomerno seva na vseh valovnih dolžinah vidnega spektra. Brez takšne normalizacije se sistem izkaže za neprijetnega, saj je svetlost modrega vira zelo majhna - 4,5907:0,0601 proti zeleni, na grafih pa bi se večina barv "držala" na modri osi diagrama. Z uvedbo takšne normalizacije (oziroma 1:4,5907:0,0601 za rdeče, zelene in modre žarke sistema) bomo prešli s fotometričnih na kolorimetrične enote, kar bo naredilo tak sistem bolj udoben.

Opozoriti je treba, da sistem CIE RGB ne temelji na nobeni teoriji barvnega vida in da krivulje specifičnih barvnih koordinat niso spektralna občutljivost treh vrst človeških retinalnih stožcev, saj se pogosto napačno razlagajo. Takšen sistem zlahka opusti podatke o lastnostih pigmentov stožca mrežnice in brez podatkov o najkompleksnejših procesih obdelave vizualnih informacij v naših možganih. To govori o izjemni iznajdljivosti in daljnovidnosti znanstvenikov, ki so tak sistem ustvarili kljub zanemarljivim informacijam o lastnostih človekovega vidnega aparata v tistem času. Še več, sistem CIE RGB je temelj znanosti o barvah brez skoraj nobenih sprememb, kljub ogromnemu napredku znanosti v zadnjem času.

Upoštevati je treba tudi, da čeprav monitor uporablja tudi tri oddajnike za barvno reprodukcijo, tako kot sistem CIE RGB, vrednosti treh barvnih komponent (RGB) monitorja ne bodo natančno določale barve, ker različni monitorji različno reproducirajo barve z precej velik razpon. , poleg tega pa se glavne emisije monitorjev precej razlikujejo od glavnih emisij sistema CIE RGB. To pomeni, da vrednosti RGB monitorja ne smete jemati kot neke vrste absolutne barvne definicije.

Za boljše razumevanje je treba opozoriti, da ko rečemo "sevanje/vir/valovna dolžina/svetilka je zelena", v resnici mislimo, da "sevanje/vir/valovna dolžina/svetilka daje občutek Zelena barva". Vidno sevanje je samo dražljaj za naš vidni sistem, barva pa je posledica zaznave tega dražljaja in barvnih lastnosti ne bi smeli pripisovati elektromagnetnemu valovanju. Tako kot v zgornjem primeru se na primer pri mešanju rdečih in zelenih monokromatskih žarkov ne pojavijo valovi iz rumenega območja spektra, ampak njihovo mešanico zaznamo kot rumeno.

Nerealne barve. CIE XYZ sistem

Leta 1931 je bil na Trinity College Univerze v Cambridgeu (Velika Britanija) na rednem srečanju CIE sistem, ki temelji na podatkih Gild in Wright, sprejet kot mednarodni standard. Tudi skupina znanstvenikov, ki jo je vodil Američan Deane B. Judd, je, da ne bi čakali na naslednjo sejo odbora, ki bo šele leto dni pozneje, predlagala drug sistem specifikacije barv, katerega končni podatki so bili izračunana šele večer pred srečanjem. Predlagani sistem se je izkazal za tako priročnega in uspešnega, da ga je odbor sprejel brez resne razprave.

Da bi razumeli, na podlagi česa je bil tak sistem ustvarjen, je treba barvo predstaviti kot vektor, saj se dodajanje dveh ali več barv drži enakih pravil kot dodajanje vektorjev (to izhaja iz Grassmannovih zakonov). Na primer, rezultat mešanja rdečega in zelenega sevanja lahko predstavimo kot seštevek dveh vektorjev z dolžinami, ki sta sorazmerni s svetlostjo teh sevanj:

Svetlost zmesi bo enaka dolžini vektorja, dobljenega z dodatkom, barva pa bo odvisna od razmerja svetlosti uporabljenih sevanj. Bolj kot je razmerje v prid eni od osnovnih barv, bolj bo nastalo sevanje po barvi bližje temu sevanju:

Poskusimo na podoben način grafično prikazati mešanje barv v kolorimetru, uporabljenem za izdelavo kolorimetra CIE RGB. Kot se spomnite, uporablja tri sevanja rdeče, zelene in modre. Nobene barve tega trojčka ni mogoče dobiti z vsoto drugih dveh, zato bo treba vse možne mešanice teh sevanj predstaviti v tridimenzionalnem prostoru, kar pa nam ne preprečuje uporabe vektorskih lastnosti dodajanja barv v ta primer:

Risanje tridimenzionalnih diagramov ni vedno priročno, zato se pogosto uporablja poenostavljen graf, ki je projekcija vseh potrebnih barv na eno ravnino (označeno z modro) tridimenzionalnega diagrama:

Rezultat takšne projekcije barvnega vektorja bo točka na diagramu, katere osi bodo stranice trikotnika, ki jih določajo točke primarnih barv sistema CIE RGB:

Takšna točka bo imela koordinate v sistemu tega trikotnika v obliki razdalje od katerih koli dveh njegovih stranic (tretja koordinata je odveč, saj lahko vsako točko v trikotniku določimo z dvema razdaljama od oglišč ali stranic). Koordinate v takem trikotniku se imenujejo koordinate kromatičnosti in določajo barvne parametre, kot so odtenek (modra, cian, zelena itd.) In nasičenost (siva, bleda, nasičena itd.). Ker smo prešli s tridimenzionalnega na ploščati diagram, ne omogoča prikaza tretjega barvnega parametra - svetlosti, vendar bo v mnogih primerih dovolj že določitev samo barvne vrednosti.

Da ne bi prišlo do zmede, posebej poudarjamo, da koordinate barve- to je položaj konca barvnega vektorja v tridimenzionalnem sistemu in so označeni z velikimi črkami (npr. RGB, XYZ) in koordinatami barvnost- to je položaj barvne točke na ploščatem barvnem diagramu, označujemo pa jih z malimi črkami (rg, xy) in zadostujeta dve.

Uporaba koordinatnega sistema, v katerem med osmi ni pravega kota, ni vedno neprijetna, zato se v kolorimetriji pogosteje uporablja tak sistem treh vektorjev, katerih enotska ravnina tvori pravi trikotnik. Njeni dve strani blizu pravega kota se uporabljata kot osi diagrama kromatičnosti:

Postavimo zdaj vse možne kromatičnosti na takšen diagram, katerega meja bo črta spektralno čistih sevanj s črto magenta kromatičnosti, pogosto imenovano lokus, ki omejuje področje realnih barv na diagramu (rdeča črta) :

Linija magenta kromatičnosti leži med kromatičnostmi sevanja skrajnega modrega in rdečega konca spektra. Vijoličaste barve ne moremo povezati z nobenim območjem spektra, tako kot z vsako drugo barvo, saj občutek vijoličaste nastane zaradi hkratnega delovanja modrih in rdečih žarkov na naš vidni sistem in ne le enega.

Pomemben del lokusa (v območju 380-546 nm) presega trikotnik, ki ga omejujejo kromatičnosti glavnih sevanj, to pomeni, da ima negativne koordinate kromatičnosti, ker tega dela spektralnih sevanj ni bilo mogoče izenačiti na kolorimeter CIE. To ustreza krivuljam določenih barvnih koordinat, v katerih ima isti del spektra negativne koordinate (v območju 380-440 nm so to majhne vrednosti, nevidne na grafu).

Prisotnost negativnih barvnih in kromatičnih koordinat je kolorimetrične izračune otežila: v 1920-ih in 1930-ih je bila večina izračunov opravljena z diapozitivom, količina izračunov v kolorimetričnih delih pa je precej velika.

Prejšnji diagram nam pokaže, da imajo vse pozitivne koordinate samo barve, ki ležijo znotraj trikotnika, ki tvorijo barvnosti osnovnih sevanj, uporabljenih v tem sistemu. Če bi geometrijsko mesto ležalo na sredini trikotnika, bi imele vse barve pozitivne koordinate, kar bi močno poenostavilo izračune. Popolnoma nemogoče pa je najti takšne tri točke na lokusu, ki bi ga lahko vključevale vase, zaradi njegove konveksne oblike. Kasneje so ugotovili, da je razlog za takšno obliko lokusa v posebnostih spektralne občutljivosti treh vrst stožcev v našem očesu, ki se med seboj prekrivajo in vsako sevanje vzbudi stožce, ki so odgovorni za drugo območje spektra. , ki zniža stopnjo nasičenosti barv.

Kaj pa, če presežemo lokus in uporabimo barve, ki jih ni mogoče reproducirati in videti, a katerih koordinate lahko zlahka uporabimo v enačbah skupaj s koordinatami pravih barv? Ker smo že prešli od poskusov k izračunom, nam nič ne preprečuje uporabe tako nerealnih barv, saj so ohranjene vse lastnosti barvnega mešanja! Uporabimo lahko poljubne tri barve, katerih trikotnik lahko vključuje geometrijsko mesto pravih barv, in zlahka narišemo veliko takšnih trojčkov neresničnih primarnih barv (priporočljivo bo, da se tak trikotnik sestavi čim tesneje okoli mesta, da bo manj nepotrebnih območij na diagramu):

S tolikšno svobodo pri izbiri pik novih osnovnih barv so se znanstveniki odločili iz tega izluščiti nekaj uporabnih možnosti za nov tribarvni sistem. Na primer, zmožnost določitve fotometrične svetlosti neposredno z ustvarjenim sistemom brez dodatnih izračunov ali meritev (v sistemu CIE RGB je treba izračunati svetlost), to je, da jo nekako združimo s fotometričnim standardom iz leta 1924.

Da bi upravičili izbiro tria novih barv (ne pozabite, da obstajajo samo v izračunih), ki so jih na koncu za to izbrali znanstveniki, se vrnimo k naši tridimenzionalni barvni koordinatni karti. Za jasnost in lažje razumevanje bomo uporabili običajni pravokotni koordinatni sistem. Nanj postavimo ravnino, na kateri bodo vse barve imele enako fotometrično svetlost. Kot se spomnite, so enote svetlosti rdečega, zelenega in modrega osnovnega sevanja v sistemu CIE RGB povezane kot 1: 4,5907: 0,0601, in da bi se vrnili k fotometričnim enotam, jih je treba vzeti v razmerju 1/1 od 1/4,59 do 1/0, 0601, to je 1:0,22:17, kar nam bo dalo ravnino barv z enako fotometrično svetlostjo v kolorimetričnem sistemu CIE RGB (točka presečišča ravnine z B- os je zunaj slike na položaju 17):

Vse barve, katerih koordinate so na tej ravnini, bodo imele enako fotometrično svetlost. Če vzporedno ravnino narišemo dvakrat nižje od prejšnje (0,5:0,11:8,5), dobimo položaj barv s polovično svetlostjo:

Podobno lahko spodaj narišete novo vzporedno ravnino, ki seka izhodišče, na katero bodo postavljene vse barve z ničelno svetlostjo, še nižje pa lahko narišete celo ravnine negativne svetlosti. To se morda zdi absurdno, vendar ne pozabite, da delamo z matematično predstavitvijo tribarvnega sistema, kjer je vse to mogoče v enačbah, ki jih bomo uporabili.

Vrnimo se k ravnemu diagramu rg tako, da nanj projiciramo ravnino ničelne svetlosti. Projekcija bo linija ničelne svetlosti - alychna, ki prečka izvor:

Na alihnu so kromatičnosti, ki nimajo svetlosti, in če uporabite barvo, ki je na njej, v barvni enačbi (ne resnični, z mešanjem svetlobnih tokov, ampak v enačbah, kjer so takšne barve možne), to ne bo vplivalo na svetlost dobljene mešanice. Če na alihno položimo dve barvi tribarvnega sistema, potem bo svetlost celotne mešanice določena samo z eno preostalo barvo.

Naj vas spomnim, da iščemo barvne koordinate takšnih treh hipotetičnih barv, ki lahko izenačijo barve vseh realnih sevanj brez uporabe negativnih vrednosti (trikotnik mora vsebovati celotno mesto), hkrati pa bo novi sistem neposredno vključite fotometrični standard svetlosti. Z namestitvijo dveh barv na alihno (z imenom X in Z) in tretje nad lokusom (Y) rešimo oba problema:

Mesto realnih barv je v celoti v trikotniku, ki je omejen s tremi izbranimi barvami, svetlost pa je v celoti prešla na eno od treh komponent sistema - Y. Glede na normalizacijo vrednosti in Narava meritev lahko koordinata Y izraža svetlost neposredno v kandelah na m 2, odstotek največje svetlosti nekega sistema (na primer zaslona), odstotek prenosa (prozorni vzorci, na primer diapozitivi) ali svetlost glede na neki standard (pri merjenju odbojnih vzorcev).

Če nastali trikotnik pretvorimo v pravokotnik, dobimo diagram kromatičnosti xy, ki ga mnogi poznajo:

Ne smemo pozabiti, da je xy diagram projekcija sistema z glavnimi točkami XYZ na enotsko ravnino, podobno kot rg diagram in sistem RGB. Ta diagram vam omogoča priročno ponazoritev barvnosti različnih emisij, na primer barvne lestvice različnih naprav. Diagram ima eno uporabno lastnost: koordinate kromatičnosti mešanice dveh sevanj se nahajajo strogo na črti, ki povezuje točki teh dveh sevanj na diagramu. Zato bo barvna lestvica monitorja na primer v takšnem diagramu trikotnik.

Grafikon xy ima tudi eno pomanjkljivost, ki jo morate upoštevati: enake črte na različnih področjih grafikona ne pomenijo enake zaznane razlike v barvi. To ponazarjata dve beli črti na prejšnji sliki. Dolžine teh segmentov ustrezajo občutku enake barvne razlike, vendar se segmenti razlikujejo po dolžini za faktor tri.

Izračunajmo krivulje specifičnih barvnih koordinat nastalega sistema, ki prikazujejo zahtevano število treh osnovnih barv XYZ za enačbo poljubnega monokromatskega sevanja z močjo enega vata:

Vidimo, da v krivuljah ni negativnih odsekov (kar smo opazili pri sistemu RGB), kar je bil eden od ciljev izdelave sistema XYZ. Tudi krivulja y (y s pomišljajem na vrhu) popolnoma sovpada s krivuljo spektralne svetlobne učinkovitosti človeškega vida (o njej je bilo govora zgoraj pri razlagi definicije svetlosti svetlobnih emisij), tako da vrednost Y določa barvo svetlost neposredno - izračunana je na enak način kot fotometrična svetlost iz te iste krivulje. To dosežemo tako, da drugi dve barvi sistema postavimo na ravnino ničelne svetlosti. Zato kolorimetrični standard iz leta 1931 vključuje fotometrični standard iz leta 1924 in odpravlja nepotrebne izračune ali meritve.

Te tri krivulje določajo standardni kolorimetrični opazovalec - standard, ki se uporablja pri kolorimetrični interpretaciji spektralnih meritev in je skoraj nespremenjen vse do danes podprl vso znanost o barvah. Čeprav vizualni kolorimeter XYZ fizično ne more obstajati, njegove lastnosti omogočajo zelo natančne barvne meritve in mnogim industrijam pomagajo pri predvidljivi reprodukciji in sporočanju barvnih informacij. Ves nadaljnji napredek barvne znanosti temelji na sistemu XYZ, na primer znani sistem CIE L * a * b * in podobni, pa tudi najnovejši sistemi CIECAM, ki uporabljajo sodobne programe za profiliranje barv.

Rezultati

1. Natančno delo z barvo zahteva njeno merjenje, ki je enako potrebno kot merjenje dolžine ali teže.
2. Merjenje zaznane svetlosti (enega od atributov vidnega občutka) svetlobnih emisij je nemogoče brez upoštevanja značilnosti našega vidnega sistema, ki so bile uspešno raziskane in vključene v vse fotometrične količine (kandela, lumen, luks) v obliki krivulje njegove spektralne občutljivosti.
3. Preprosta meritev spektra preiskovane svetlobe sama po sebi ne daje odgovora na vprašanje o njeni barvi, saj je enostavno najti različne spektre, ki jih zaznavamo kot eno barvo. Različne količine, ki izražajo isti parameter (barvo, v našem primeru) kažejo na neuspešnost takšnega načina določanja.
4. Barva je posledica zaznave svetlobe (barvni dražljaj) v naših mislih in ne fizična lastnost tega sevanja, zato je treba ta občutek na nek način izmeriti. Toda neposredno merjenje človeških občutkov ni mogoče (ali pa ni bilo mogoče v času nastanka tukaj opisanih kolorimetričnih sistemov).
5. Temu problemu smo se izognili z vizualnim (s sodelovanjem osebe) izenačevanjem barve proučevanega sevanja z mešanjem treh sevanj, katerih količine v mešanici bodo želeni numerični izraz barve. Eden od sistemov takih treh sevanj je CIE RGB.
6. Ko s pomočjo takega sistema eksperimentalno izenačijo vsa monokromatska sevanja posebej, dobijo (po nekaj izračunih) specifične koordinate tega sistema, ki kažejo zahtevane količine njegovih sevanj za barvno enačbo katerega koli monokromatskega sevanja z močjo ena vat.
7. Če poznamo specifične koordinate, je mogoče izračunati barvne koordinate proučevanega sevanja iz njegove spektralne sestave brez vizualne izravnave barv s strani osebe.
8. Sistem CIE XYZ je bil ustvarjen z matematičnimi preobrazbami sistema CIE RGB in temelji na enakih principih - katero koli barvo je mogoče natančno določiti s številom treh sevanj, katerih mešanico človek zazna kot enake barve. Glavna razlika sistema XYZ je, da barva njegovih glavnih "emisij" obstaja samo v kolorimetričnih enačbah in jih je fizično nemogoče dobiti.
9. Glavni razlog za ustvarjanje sistema XYZ je olajšanje izračunov. Barvne in kromatične koordinate vseh možnih svetlobnih emisij bodo pozitivne. Poleg tega barvna koordinata Y neposredno izraža fotometrično svetlost dražljaja.

Zaključek

Informatikom najbližja področja, ki temeljijo na principih in sistemih, opisanih v tem članku, so obdelava slik in njihova reprodukcija na različne načine: od fotografije do spletnega oblikovanja in tiskanja. Sistemi za upravljanje barv delujejo neposredno s kolorimetričnimi sistemi in rezultati meritev barv, kar omogoča predvidljivo barvno reprodukcijo na različne načine. Toda ta tema že presega obseg tega članka, saj so tu prizadeti temeljni vidiki teorije barv in ne barvne reprodukcije.

Ta tema se ne pretvarja, da daje izčrpne in popolne informacije o obravnavani temi, ampak je le "slika, ki pritegne pozornost" za IT strokovnjake, od katerih so mnogi preprosto dolžni razumeti osnove barvne znanosti. Za lažje razumevanje je veliko tukaj poenostavljeno ali navedeno mimogrede, zato podajam seznam virov, ki bodo zanimivi za tiste, ki se želijo podrobneje seznaniti s teorijo barv (vse knjige lahko najdete v omrežju):
fotometrija Dodaj oznake

Barvno zaznavanje je odvisno od fizične lastnosti svetlobe, to je elektromagnetne energije, iz njene interakcije s fizikalnimi snovmi, pa tudi iz njihove interpretacije s človeškim vidnim sistemom. Ta problem je izjemno širok, kompleksen in zanimiv. Upoštevali bomo najpomembnejše pojme, osnove barvno povezanih fizikalnih pojavov, sisteme barvne predstavitve in transformacije med njimi.

Človeški vidni sistem zaznava elektromagnetno energijo z valovno dolžino od 400 do 700 nm kot vidno svetlobo (1 nm = 10 -9 m). Svetlobo sprejema bodisi neposredno od vira, kot je žarnica, bodisi posredno z odbojem od površine predmeta ali lomom v njem.

Vir ali predmet je akromatičen, če opazovana svetloba vsebuje vse vidne valovne dolžine v približno enakih količinah. Akromatični vir je videti bel, odbita ali lomljena akromatska svetloba pa bela, črna ali siva. Predmeti, ki akromatično odbijajo več kot 80 % svetlobe belega vira, so videti beli, manj kot 3 % pa so videti črni. Vmesne vrednosti dajejo različne odtenke sive. Priročno je upoštevati intenzivnost odbite svetlobe v območju od 0 do 1, kjer 0 ustreza črni, 1 beli, vmesne vrednosti pa sivi.

Če zaznana svetloba vsebuje valovne dolžine v poljubno neenakih količinah, potem se imenuje kromatska (besedi "zaznana" in "poljubna" imata glavni pomen). Nekatere mešanice kromatičnih barv lahko zaznamo kot akromatične barve). Če so valovne dolžine koncentrirane pri zgornji rob vidnega spektra, potem je svetloba videti rdeča ali rdečkasta, kar pomeni, da je prevladujoča valovna dolžina v rdečem območju vidnega spektra. Če so valovne dolžine koncentrirane v spodnjem delu vidnega spektra, je svetloba videti modra ali modrikasta, kar pomeni, da je prevladujoča valovna dolžina v modrem delu spektra. Vendar elektromagnetna energija določene valovne dolžine sama po sebi nima nobene barve. Občutek barve nastane kot posledica transformacije fizičnih pojavov v človeškem očesu in možganih. Barva predmeta je odvisna od porazdelitve valovne dolžine vira svetlobe in od fizikalnih lastnosti predmeta. Predmet je videti obarvan, če odbija ali prepušča svetlobo le v ozkem območju valovnih dolžin in absorbira vse ostale. Ko barve vpadne in odbite ali prepuščene svetlobe medsebojno delujejo, lahko dobimo najbolj nepričakovane rezultate. Na primer, ko se zelena svetloba odbije od belega predmeta, sta svetloba in predmet videti zelena, in če je rdeč predmet osvetljen z zeleno svetlobo, potem bo črn, saj se svetloba od njega sploh ne odbija.

Čeprav je težko razlikovati med lahkotnostjo in svetilnostjo, se svetlost na splošno šteje za lastnost nesvetlečih ali odsevnih predmetov in sega od črne do bele, medtem ko je svetilnost lastnost samosvetlečih ali sevalnih predmetov in sega od nizke do visoka.

Svetlost ali svetlost predmeta je odvisna od relativne občutljivosti očesa na različne valovne dolžine. Vidimo, da je pri dnevni svetlobi občutljivost očesa največja pri valovni dolžini okoli 550 nm, na robovih vidnega območja spektra pa močno upade. Krivulja na se imenuje funkcija spektralne občutljivosti očesa. Je merilo svetlobne energije ali jakosti, pri čemer se upoštevajo lastnosti očesa.

Psihofiziološko predstavitev svetlobe določajo barvni toni, nasičenost in svetlost. Odtenek vam omogoča razlikovanje barv, nasičenost pa določa stopnjo oslabitve (razredčenja) dano barvo v beli barvi. Za čisto barvo je 100 % in se zmanjša z dodajanjem bele barve. Nasičenost akromatične barve je 0%, njena svetlost pa je enaka intenzivnosti te svetlobe.

Psihofizični ekvivalenti odtenka, nasičenosti in svetlosti so prevladujoča valovna dolžina, jasnost in svetlost. Elektromagnetna energija ene valovne dolžine v vidnem spektru proizvaja monokromatsko barvo. Energijska porazdelitev monokromatske svetlobe z valovno dolžino 525 nm je prikazana na sliki, na za bela svetloba z energijo E 2 in eno prevladujočo valovno dolžino 525 nm z energijo E 1 . Barva je določena s prevladujočo valovno dolžino, čistost pa z razmerjem E 1 in E 2. Vrednost E 2 je stopnja razredčitve čiste barve z valovno dolžino 525 nm z belo: če se E 2 približa nič, se čistost barve približa 100 %, in če se E 2 približa E 1, potem svetloba postane blizu bele in njegova čistost se nagiba k ničli. Svetlost je sorazmerna z energijo svetlobe in se šteje kot intenzivnost na enoto površine.

Običajno ne gre za čiste monokromatske barve, temveč za njihove mešanice. Trikomponentna teorija svetlobe temelji na predpostavki, da so v osrednjem delu mrežnice tri vrste barvno občutljivih stožcev. Prvi zaznava valovne dolžine, ki ležijo v sredini vidnega spektra, to je zeleno; druga je valovna dolžina na zgornjem koncu vidnega spektra, to je rdeča; tretji kratki valovi spodnjega dela spektra, torej modri. Relativna občutljivost očesa () je največja za zeleno in najmanjša za modro. Če so vse tri vrste stožcev izpostavljene enaki ravni energijske svetlosti (energije na časovno enoto), potem je svetloba videti bela. Naravna bela svetloba vsebuje vse valovne dolžine vidnega spektra; vendar pa lahko občutek bele svetlobe dobimo z mešanjem poljubnih treh barv, če nobena od njih ni linearna kombinacija drugih dveh. To je mogoče zahvaljujoč fiziološke značilnosti oko, ki vsebuje tri vrste stožcev. Te tri barve imenujemo primarne.

V računalniški grafiki se uporabljata dva osnovna sistema mešanja barv: aditivna rdeča, zelena, modra (RGB) in subtraktivna cian, magenta, rumena (CMY) (). Barve enega sistema so komplementarne drugemu: cian do rdeče, magenta do zelene, rumene do modre. Komplementarna barva je razlika med belo in dano barvo: cian je bela minus rdeča, magenta je bela minus zelena, rumena je bela minus modra. Čeprav se rdeča lahko šteje za komplementarno cianu, tradicionalno rdeča, zelena in modra veljajo za primarne barve, cian, magenta in rumena pa so njihove dopolnitve. Zanimivo je, da v spektru mavrice ali prizme ni vijolične barve, to pomeni, da jo ustvari človeški vidni sistem.

Za odsevne površine, kot so tiskarske barve, filmi in nesvetleči zasloni, se uporablja subtraktivni sistem CMY. V subtraktivnih sistemih se valovne dolžine komplementarne barve odštejejo od belega spektra. Na primer, ko se svetloba odbija ali prenaša skozi magenta predmet, se zeleni del spektra absorbira. Če se nastala svetloba odbije ali lomi v rumenem predmetu, se modri del spektra absorbira in ostane samo rdeča barva. Ko se odbije ali lomi v modrem predmetu, barva postane črna, saj s tem izključi celoten vidni spekter. Tako delujejo foto filtri.

Aditivni barvni sistem RGB je uporaben za svetleče površine, kot so zasloni CRT ali barvne svetilke. Dovolj je izvesti zelo preprost poskus, da se prepričate, da je najmanjše število barv za enačbo (sestavo) skoraj vseh barv vidnega spektra tri. Pustimo, da na neko ozadje pade poljubna monokromatska preskusna svetloba. Opazovalec skuša eksperimentalno izenačiti z ozadjem ob kontrolni luči njegovo barvno ozadje, nasičenost in svetlost s pomočjo monokromatskih svetlobnih tokov različnih jakosti. Če se uporablja samo ena instrumentalna (izenačevalna) barva, mora biti njena valovna dolžina enaka valovni dolžini kontrolne. S pomočjo enega monokromatskega instrumentalnega svetlobnega toka je mogoče izenačiti samo eno barvo. Če pa ne upoštevate odtenka in nasičenosti testne svetlobe, lahko barve izenačite s svetlobo. Ta postopek se imenuje fotometrija.

Na ta način nastanejo monokromatske reprodukcije barvnih slik. Če ima opazovalec na razpolago dva monokromatska vira, potem lahko izenači več kontrolnih vzorcev, ne pa vseh. Z dodajanjem tretje instrumentalne barve lahko dobimo skoraj vse kontrolne variante, pod pogojem, da so te tri barve dovolj široko porazdeljene po spektru in nobena od njih ni linearna kombinacija drugih, torej da so primarne barve. Dobra izbira ko prva barva leži v območju spektra z dolgimi valovnimi dolžinami (rdeča), druga s srednjimi (zelena) in tretja s krajšimi valovnimi dolžinami (modra). Združevanje teh treh barv za izenačitev monokromatske preskusne barve je matematično izraženo kot C = rR + gG + bB, kjer je C barva preskusne svetlobe; R, G, B rdeči, zeleni in modri instrumentalni tokovi svetlobe; r, g, b relativne količine svetlobnih tokov R, G, B z vrednostmi od 0 do 1.

Vendar z dodajanjem treh osnovnih barv ni mogoče izenačiti vseh kontrolnih barv. Na primer, da bi dobil modro-zeleno barvo, opazovalec združi modre in zelene tokove svetlobe, vendar je njihova vsota videti svetlejša od vzorca. Če dodamo rdečo, da postane temnejša, bo rezultat svetlejši, ker se svetlobne energije seštevajo. To opazovalca pripelje do ideje: vzorcu dodati rdečo svetlobo, da bo svetlejši. Ta predpostavka resnično deluje in prilagoditev je končana. Matematično gledano dodajanje rdeče svetlobe kontrolniku ustreza odštevanju od drugih dveh izenačevalnih svetlobnih tokov. Seveda je to fizično nemogoče, saj ni negativne jakosti svetlobe. Matematično je to zapisano kot C + rR = gG + bB ali C = -rR + gG + bB.

Funkcije r, g, b so prikazane v barvnih enačbah za monokromatske svetlobne tokove z valovno dolžino 436, 546 in 700 nm. Z njihovo pomočjo lahko izenačite vse valovne dolžine vidnega spektra. Upoštevajte, da je pri vseh valovnih dolžinah, razen okoli 700 nm, ena od funkcij vedno negativna. To ustreza dodajanju instrumentalne luči k kontrolni luči. Kolorimetrija preučuje te funkcije.

Opazovalec tudi opazi, da se s podvojitvijo jakosti preskusne svetlobe podvoji tudi jakost vsakega instrumentalnega svetlobnega toka, tj. 2C = 2rR + 2gG + 2bB. Na koncu se izkaže, da je ista kontrolna lučka izenačena z dvema različne poti, in vrednosti r, g in b morda niso enake. Instrumentalne barve za dva različna niza r, g in b se imenujejo metameri drug drugega. Tehnično to pomeni, da lahko kontrolno svetlobo izenačimo z različnimi sestavljenimi viri z različnimi spektralnimi porazdelitvami energije. Slika prikazuje dve zelo različni spektralni odbojni porazdelitvi, ki proizvajata isto srednje sivo barvo.

Rezultati izvedenih poskusov so povzeti v Grassmannovih zakonih:

• oko se odziva na tri različne dražljaje, kar potrjuje tridimenzionalnost barve. Kot dražljaje lahko štejemo na primer prevladujočo valovno dolžino (barvno ozadje), čistost (nasičenost) in svetlost (svetlost) ali rdečo, zeleno in modro;
• štiri barve so vedno linearno odvisne, tj. cC = rR + gG + bB kjer je c, r, g, b<>0. Zato za mešanico dveh barv (cC) 1 in (cC) 2 velja enakost (cC) 1 + (cC) 2 = (rR) 1 + (rR) 2 + (gG) 1 + (gG) 2 - (bB) 1 + (bB) 2 . Če je barva C 1 enaka barvi C in barva C 2 enaka barvi C, potem je barva C 1 enaka barvi C 2 ne glede na strukturo energijskih spektrov C, C 1 , C 2 ;
• če se v mešanici treh barv ena nenehno spreminja, druge pa ostajajo nespremenjene, potem se bo barva mešanice nenehno spreminjala, to pomeni, da je tridimenzionalni barvni prostor neprekinjen.

Iz poskusov, kot je ta, je znano, da je vidni sistem sposoben razlikovati približno 350.000 barv. Če se barve razlikujejo le v tonih, potem se v modro-rumenem delu spektra razlikujejo barve, v katerih se prevladujoče valovne dolžine razlikujejo za 1 nm, na robovih spektra pa za 10 nm. Približno 128 barvnih tonov je jasno ločljivih. Če se spremeni samo nasičenost, potem vidni sistem ne more razlikovati toliko barv. Obstaja 16 stopinj nasičenosti za rumeno in 23 stopinj za rdeče-vijolično.

Tridimenzionalna narava svetlobe omogoča prikaz vrednosti vsakega od dražljajev na osi ortogonalnega sistema (). Posledica tega je trikomponentni barvni prostor. Vsako barvo C lahko predstavimo kot vektor s komponentami rR, gG in bB. Podroben opis tridimenzionalnega barvnega prostora je podan v delu Meyerja. Presek vektorja C z enotsko ravnino daje relativne teže njegovih rdečih, zelenih in modrih komponent. Imenujejo se barvne vrednosti ali koordinate: r" = r/(r + g + b), g" = g/(r + g + b), b" = b/(r + g + b).

Zato je r" + g" + b" = 1. S projiciranjem enotske ravnine dobimo barvni graf (). Eksplicitno prikazuje funkcionalno povezavo dveh barv in implicitno povezavo s tretjo, na primer b "= 1 - r" - g ". Če se funkcije prilagajanja barve () prenesejo v tridimenzionalni prostor, rezultat ne bo v celoti v pozitivnem oktantu. V projekciji na ravnino bodo tudi negativne vrednosti, kar oteži matematične izračune.

Leta 1931 je v Angliji potekalo srečanje Mednarodne komisije za osvetlitev (CIE) (Commission International de l "Eclairage), na katerem so razpravljali o mednarodnih standardih za definicijo in merjenje barv. Dvodimenzionalna barvna karta CIE 1931 1931 in nabor treh funkcij očesne reakcije, ki omogoča izključitev negativnih vrednosti in je bolj primeren za obdelavo. Glavne barve CIE so pridobljene iz standardnih funkcij očesne reakcije ().

Hipotetične primarne barve CIE so označene z X, Y, Z. Pravzaprav ne obstajajo, saj brez negativnega dela ne morejo ustrezati resnični fizični svetlobi. Trikotnik XYZ je bil izbran tako, da vključuje celoten vidni spekter. Koordinate kromatičnosti CIE so: x = X/(X + Y + Z), y = Y/(X + Y + Z), z = Z/(X + Y + Z) in x + y + z = 1 ( * ). Ko trikotnik XYZ projiciramo na ravnino xy, dobimo barvni izris CIE. Koordinati kromatike x in y sta relativni količini treh osnovnih barv XYZ, potrebnih za sestavo katere koli barve. Ne nastavljajo pa svetlosti (intenzivnosti) nastale barve. Svetlost določa koordinata Y, X in Z pa sta izbrana v ustreznem merilu. S to konvencijo (x, y, y) definira barvnost in svetilnost. Obratna transformacija koordinat kromatičnosti v barvne koordinate XYZ je: X = x * (Y/y), Y = Y, Z = (1 - x - y) * (Y/y) (**).

Komisija se je odločila, da bo trikotnik XYZ usmerila tako, da enaka količina hipotetičnih primarnih XYZ sešteje belo.

Barvna karta CIE iz leta 1931 je prikazana v. Kontura, ki spominja na krilo, je geometrijsko mesto točk vseh vidnih valovnih dolžin, to je črta spektralne kromatičnosti. Številke na konturi ustrezajo valovni dolžini na dani točki. Rdeča je v spodnjem desnem kotu, zelena na vrhu in modra v spodnjem levem kotu grafa. Segment, ki povezuje konca krivulje, se imenuje črta magenta kromatičnosti. Krivulja znotraj konture ustreza barvi popolnoma črnega telesa pri segrevanju od 1000 o K do neskončnosti. Črtkana črta označuje temperaturo, pa tudi smeri, po katerih oko najslabše razločuje barvne spremembe. Referenčna bela je točka enakih energij E(x = 0,333, y = 0,333), standardni viri CIE pa A(0,448, 0,408), B(0,349, 0,352), C(0,310, 0,316), D 6500 (0,313, 0,329) ). Vir A se približa topli barvi žarnice z volframovo nitko, polnjene s plinom, pri 2856 o K. Je veliko "bolj rdeča" od drugih. Vir B ustreza sončni svetlobi opoldne, C pa opoldanski osvetlitvi z oblačnostjo. Odbor za nacionalne televizijske standarde (NTSC) sprejme vir C kot referenčno belo barvo. Vir D 6500, ki ustreza sevanju črnega telesa pri 6504 o K, je nekoliko bolj zelen. Uporablja se kot referenčna bela barva v številnih televizijskih monitorjih.

Kot lahko vidite, je barvna karta zelo priročna. Če želite dobiti dodatno barvo, morate nadaljevati črto, ki poteka skozi dano barvo in referenčno belo, dokler se ne preseka z drugo stranjo krivulje. Na primer, komplementarna rdeče-oranžni barvi C 4 (l = 610 nm) je modro-zelena barva C 5 (l = 491 nm). Ob dodajanju v določenem razmerju barve in njenega dopolnila dobimo belo. Da bi našli prevladujočo valovno dolžino barve, je treba nadaljevati ravno črto, ki poteka skozi referenčno belo in dano barvo, dokler se ne preseka s črto spektralne kromatičnosti. Na primer, prevladujoča valovna dolžina barve C 6 je 570 nm, to je rumeno-zelena. Če črta prečka linijo magenta kromatičnosti, potem ta barva nima dominantne valovne dolžine v vidnem delu spektra. V tem primeru je definirana kot dodatna dominantna valovna dolžina z indeksom "c", to pomeni, da se ravna črta nadaljuje od barve skozi referenčno belo v nasprotni smeri. Na primer, prevladujoča valovna dolžina barve C 7 je 500 nm.

Čiste ali popolnoma (100%) nasičene barve ležijo na črti spektralne kromatičnosti. Referenčna bela se šteje za popolnoma razredčeno, kar pomeni, da je njena čistost 0%. Za izračun čistosti vmesnih barv morate najti razmerje med razdaljo od referenčne bele do dane barve in razdaljo od referenčne bele do črte spektralne ali magenta kromatičnosti. Na primer, čistost barve C 6 ni enaka a/(a + b), C 7 pa je enaka c/(c + d).

Kromatične koordinate CIE za mešanico dveh barv se določijo v skladu z Grassmannovimi zakoni z dodajanjem primarnih barv. Mešanica barv C 1 (x 1, y 1, z 1) in C 2 (x 2, y 2, z 2) je C 12 = (x 1 + x 2) + (y 1 + y 2) + ( z 1 +z2).

Z uporabo zgornjih enačb (*) in (**) in vnosom oznak T 1 \u003d Y 1 /y 1, T 2 \u003d Y 2 /y 2 dobimo barvne koordinate mešanice: x 12 \u003d ( x 1 T 1 + x 2 T 2 )/(T 1 + T 2), y 12 = (y 1 T 1 + y 2 T 2)/(T 1 + T 2), Y 12 = Y 1 + Y 2 . Na ta način lahko dodamo več barv, če mešanici zaporedno dodajamo nove barve.

Graf prikazuje barvnost CIE z imeni običajnih zaznanih barv. V napisih z malimi črkami v skrajšanih imenih barv ustreza pripona "-ovat", na primer yG je rumenkasto- zelena (rumena ish-zelena). Vsaka barva na svojem območju spremeni nasičenost ali čistost od skoraj nič blizu vira (pastelne barve) do polne (sočne) blizu črte spektralne kromatičnosti. Opazite, kako zelene barve zavzemajo skoraj celoten vrh grafa, medtem ko so rdeče in modre barve združene na dnu magenta barvne črte. Zato enake površine in razdalje na grafu ne ustrezajo enakim zaznavnim razlikam. Da bi odpravili to pomanjkljivost, je bilo predlaganih več transformacij tega grafa.

Barvna televizija, kino, večbarvno tiskanje itd. ne pokrivajo celotnega razpona ali obsega barv v vidnem spektru. Barvna lestvica, ki jo je mogoče reproducirati v aditivnem sistemu, je trikotnik na ploskvi CIE z oglišči v primarnih barvah RGB. Vsako barvo znotraj trikotnika je mogoče dobiti iz primarnih barv. Tabela in prikazuje barvni razpon za primarne barve RGB na tipičnem monitorju CRT in v standardu NTSC. Za primerjavo je prikazan tudi subtraktivni barvni sistem CMY, reduciran na koordinate CIE, ki se uporablja v barvnem kinu. Upoštevajte, da njegova pokritost ni trikotna in da je širša kot pri barvnem monitorju; to pomeni, da nekaterih barv, pridobljenih na filmu, ni mogoče reproducirati na televizijskem zaslonu. Poleg tega so prikazane glavne barve CIE XYZ, ki ležijo na liniji spektralne kromatičnosti: rdeča 700 nm, zelena 543,1 nm, modra 435,8 nm. Z njihovo pomočjo so bile pridobljene izravnalne funkcije na .