C13 Особенности восприятия, измерения и воспроизведения цвета излучения

Заргарьянц Г.С., Михайлов О.М., АНО НТЦСЭ «ИСЭП», г. С-Петербург

Скачать доклад в .pdf | Читать комментарии и вопросы

Широкое использование цвета в жизни и технике потребовало решения ряда практических и теоретических задач. На первом этапе развития учения о цвете  довольствовались чисто субъективными методами сравнения и оценки.  В дальнейшем эти методы перестали удовлетворять требованиям жизни и стали непригодными при развитии точных наук, особенно при внедрении электронно-вычислительных машин, известных нам как компьютеры.

В  результате возникла наука о цвете, с каждым годом всё глубже и шире проникающая в разнообразные отрасли знаний. Эта наука получила название цветоведение, которое объединяет в себе восприятие, колориметрию, т.е. измерение цвета, и воспроизведение цвета. При этом объединяются данные о цвете, изучаемые физикой, психофизикой и психологией. Физика даёт возможность познать законы распространения, отражения, поглощения и рассеяния излучений, возбуждающих нервную систему сетчатки глаза. Психофизика рассматривает процессы, происходящие в сетчатке глаза. Психология изучает законы, управляющие чувственным восприятием в целом, передаваемым по нервным окончаниям (нейронам) в мозг человека. При этом связываются ощущение цвета с ощущениями, поступающими по другим каналам информации.

В глазу происходит трёхкратное преобразование энергии: преобразование падающей энергии в химическую энергию распада молекул светочувствительного вещества; преобразование химической энергии распада молекул в электрическую энергию волокон зрительных нервов, связывающих глаз с мозгом; преобразование энергии движения электронов  в энергию биологических процессов зрительного ощущения. Отсюда возникает двойственность терминологии цвета: воспринимаемый цвет как свойство зрительного восприятия и цвет психофизический - определение цветового стимула с помощью экспериментально установленных значений величин. Цвет может быть вычислен и измерен независимо от каких-либо визуальных наблюдений и, следовательно, на полученное значение цвета и цветности не повлияют ни индивидуальные особенности наблюдателя, ни состояние адаптации его зрения.

Измерение цвета осуществляется при определённых условиях в соответствии с законами аддитивного и субтрактивного (вычитается цвет поглощённого излучения) сложения цветов. Определение характеристик цвета осуществляется в стандартной колориметрической системе XYZ (рис. 1а) и в системах RGB и КЗФ со своими тетраэдрами цветов и основными цветами. Иногда удобнее производить действие с цветами в почти равноконтрастном графике (рис. 1б) Конкретная форма расположения цветов в цветовом аффинном пространстве зависит от выбора направления и длины векторов, изображающих основные цвета системы.


    а)                                                                                                                              б)

Рисунок 1. Цветное изображение графика цветности   x, y  МКО 1931г. (а) и равноконтрастный прямоугольный график цветности  u′, v′ МКО 1976 г.(б)

Существуют два принципиально различных объективных способов измерения цвета: спектрофотометрический метод и метод интегральной колориметрии. Низшая метрика цвета - это чисто физическая наука колориметрия. Высшая метрика цвета тесно связана с ощущениями и  восприятием цвета и более запутана.

При цветовосприятии, основанном на ощущениях, излучение сначала взаимодействует со средой и, неся в себе свойства среды, поступает в глаз. Затем происходит раздражение рецепторов сетчатки и первичное формирование цвета, информация в виде цветового кода передаётся в мозг. И, наконец, в мозгу осуществляется логическая обработка сигналов и восприятие объекта, возникают ощущения зрительного образа, ощущения цвета, ощущения других органов чувств. Задачи, стоящие перед глазом и мозгом, совершенно отличны от задач фотометрии и колориметрии, равно как и от задач цветовоспроизведения. Недопустимо оценку лучистой мощности проводить по зрительному ощущению. Многим кажется, что глаза продуцируют в мозгу картины. Тогда потребовался бы другой глаз, который рассматривал бы эти картины, но это абсурд. Определённая структура нервной деятельности воспроизводит предмет, и для мозга эта структура возбуждения и есть этот предмет. Никакой внутренней картины не возникает.

Особенно следует остановиться на таких трёх количественных сторонах восприятия цвета как цветовой тон, насыщенность и яркость в сочетании с цветностью, которые весьма не однозначны.

Цветовой тон позволяет установить общее между ощущением цвета, модифицированного образцом, и цветом спектрального излучения. Вызывает цветовое ощущение электромагнитное излучение с длинами волн 380 … 760 нм. В этом спектре различают восемь основных тонов: красный, оранжевый, жёлтый, жёлто-зелёный, зелёный, голубой, синий и фиолетовый. Число вообще различимых цветовых тонов по данным разных авторов колеблется от 130 до 200. Минимально разрешимый интервал длин волн составляет 1 нм вблизи длины волны 589 нм,   он увеличивается от 5 нм на длине волны 405 нм до 22 нм на длине волны 680 нм.

Наибольшая насыщенность («чистота» в колориметрии) у спектральных излучений, а у ахроматических цветов она равна нулю. Значения размеров порогов по чистоте для различных цветовых тонов, считая от белой цветности до различной спектральной,  изменяется  от  0,04  на  краях   видимого  спектра  до  0,20 на длине волны 570 нм.  Число могущих быть замеченными пороговых изменений цветности при увеличении чистоты цвета от 0 до 1 составляет соответственно 25 и 5.

Изменение порога чувствительности (рис. 2) при меняющейся цветности и постоянной яркости характеризуется верхней кривой, изменение порога чувствительности при меняющейся яркости и постоянной цветности - нижней кривой. Видно, что при уменьшении освещённости сетчатки число порогов увеличивается не одинаково для яркости (2 порога) и для цветности (19 порогов).

Рисунок  2. Изменение порога чувствительности глаза при изменении цвета и яркости

На рис. 2 по оси абсцисс отложена освещённость в троландах [Td], а по оси ординат - относительные значения порогов (за единицу приняты   пороги,   наблюдаемые    при больших    освещённостях сетчатки, 104  троландов).

Светлота объекта (W) как характеристика ощущения цвета определяется яркостью этого объекта (L) и связана с ней через логарифмическую зависимость (W = k∙lgL). Это означает, что при увеличении яркости на один порядок светлота изменяется на одну единицу, при изменении  L на два порядка  W  изменяется на две единицы.

Воспроизведение  цвета  основано  на  определении  прежде всего разности цветов, т. е. на различии ощущений. Поэтому  ни разность цветовых координат, ни, тем более, разность каких-либо иных физических характеристик сравниваемых излучений не могут  дать ответа на вопрос: какова же правильная мера различия между цветами. Следует помнить о разнице между цветом как физической величиной и ощущением цвета, которое характеризуется разными по форме и длинам осей эллипсами цветоразличения на стандартном графике x, y (рис. 3).  Никакая проективная трансформация диаграммы МКО не может превратить эллипсы в круги, а, следовательно, отпадает смысл построения какой либо новой диаграммы. Тем не менее, в цветовоспроизведения применяют цветовые пространства L*u*v* и L*a*b* (рис. 4). Подобные пространства не пригодны для  сложения цветов и других колориметрических операций. Удивляться этому не приходится: связать физику с психологией - явно нелегкая задача. Рассматривать глаз как единый приёмник со своими особыми свойствами нельзя.

Рисунок 3. Эллипсы цветоразличения. 1976 г. L*a*b* Рисунок 4. Пространство МКО

В современных условиях для воспроизведения цвета необходимо совершенствовать контроль и управление цветом, особенно с развитием цифровой обработки изображений в фотографии, печати, кино, ТВ и полиграфии. В докладе указываются пути развития цветовоспроизведения на основе системы управления цветом - Color Management Systems (CMS), разработанной Международным цветовым консорциумом - International Color Consortium (ICC). Работа CMS состоит в том, чтобы в каждом устройстве, участвующем в воспроизведении цвета и имеющем свой цветовой профиль, при вводе изображения преобразовать его координаты цвета в аппаратно-независимое цветовое пространство. Им может быть пространство МКО 1976 г. L*a*b* или пространство, описываемое стандартной колориметрической системой МКО 1931 г. XYZ. При выводе изображения происходит обратное преобразование. Несовпадение цветовых охватов некоторых устройств может быть значительным, и поэтому некоторые цвета воспроизводить с помощью CMS невозможно. В таких случаях эти цвета заменяются другими, которые воспроизводятся данным устройством и должны вызывать у наблюдателя схожие цветовые ощущения.

Тематика:

Возможность добавлять комментарии отключена в связи с окончанием конференции.

 

Российская светотехническая интернет-конференция, 2009 г.
© Межрегиональное светотехническое общество
© Коллектив авторов
22 queries. 0.128 seconds.