Стандартные источники

Для имитации различного освещения измерительные устройства используют стан­дартизованные источники излучения - D50, D65, D93, А, В, С, а также F2 или F8 (флюоресцентные лампы). Эти источники имеют определенные стандартизован­ные спектральные характеристики, установленные в 1931 г. международной ко­миссией по освещению (CIE):

• источник А — норма среднего искусственного света эквивалентна цветовой тем­пературе 2854°К, что соответствует излучению лампы накаливания;

• источник В — норма прямого солнечного света с цветовой температурой, близ­кой к 4800°К;

• источник С - норма рассеянного дневного света с температурой около 6500°К;

• источник D65 имеет температуру, почти равную 6500°К (применяется во всем мире, кроме Германии, где стандартным считается D50 с цветовой температу­рой 5000°К).

Источники В и С в действительности получают из источника А путем изменения спектральной характеристики последнего с помощью соответствующего фильтра.

5.2.2 Особенности восприятия цвета человеком

Световые волны, излучаемые или отражаемые объектом, собираются хрусталиком и через стекловидное тело проецируются на сетчатку (рис. 5.8). Там они возбуж­дают определенные нервные клетки, физиологическое назначение которых состоит в распознавании световых волн. В результате возбуждения в нервных клетках возникает электрический сигнал, который по зрительному нерву поступает в зри­тельный центр мозга, где с помощью пока еще до конца не понятных механизмов и возникает зрительное восприятие цвета.

Рис. 5.8. Схема функционирования человеческого глаза

На самой сетчатке можно выделить две области, которые называют желтым пят­ном и слепым пятном. На слепом пятне нервные пути сетчатки переходят в зри­тельный нерв. Поскольку в атом месте нервных клеток нет, то свет, попадающий на слепое пятно, не обнаруживается. На желтом пятне имеет место обратная кар­тина. Оно расположено по центру зрительной оси и содержит много зрительных клеток, чувствительных к цвету (колбочек; см. ниже). При хорошем освещении глаз обычно фокусирует падающий свет на желтом пятне. Наоборот, ночью силь­ной фокусировки приходится избегать, поскольку из-за низкой чувствительности колбочек зрительное восприятие значительно ослабляется.

Колбочки и палочки

За цветовое и яркостное восприятие человеческого глаза отвечают два различных типа нервных клеток (рецепторов), называемых соответственно колбочками и па­лочками.

Процесс функционирования палочек и колбочек не имеет принципиальных отли­чий. В обоих случаях происходит поглощение световых волн и по достижении опре­деленного порога вырабатывается нервный импульс. При этом оба вида нервных клеток реагируют на интенсивность падающего света. В чем же тогда проявляется их различие?

Палочки «отвечают» за черно-белое зрение, поскольку способны регистрировать только суммарную энергию света. Этот тип рецепторов равномерно распределен по сетчатке глаза и обладает очень высокой чувствительностью, примерно в 1000 раз превышающей чувствительность колбочек. Именно благодаря им обеспечивается возможность распознавания предметов в условиях плохой освещенности («ночью все кошки серы»).

Колбочки предназначены для распознавания цветовой информации. В отличие от палочек имеются три сорта колбочек, каждая из которых реагирует на определен­ный диапазон длин волн. Из экспериментальных дан­ных видно, что первый тип воспринимает световые волны с длинами волн в диапа­зоне 400-500 нм («синяя» составляющая спектра), второй — от 500 до 600 нм («зе­леная» составляющая спектра) и третий — от 600 до 700 («красная» составляющая спектра). В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее. Полученная с помощью зрительных рецепторов информация поступает в виде сигналов в мозг, который определяет, в каких соотношения возбуждены три вида колбочек, создавая на базе этого цветовое восприятие.

Таким образом, исходя из особенностей строения человеческого глаза можно сделать вывод, что цвет трехмерен по своей природе.

Рис. 5.9. Спектральная чувствительность различных типов колбочек

Принцип действия большинства технических устройств, предназначенных для обработки содержащейся в свете цветовой информации, также базируется на раздельном распознавании красной, зеленой и синей составляющих света.

Настало время разобраться с тем, как свойства палочек и колбочек влияют на чув­ствительность зрения к яркости света.

Спектральная чувствительность глаза к яркости

Как можно увидеть из рис. 5.9, области чувствительности различных типов колбочек значительно перекрываются. Поэтому, как правило, в процессе восприятия глазом падающего на него света возбуждаются все три сорта колбочек. А посколь­ку чувствительности разных типов колбочек отличаются очень сильно, то глаз че­ловека имеет неодинаковую чувствительность к разным длинам волн. Особенно хорошо воспринимается зеленый цвет, красный — несколько слабее, а чувствитель­ность к синему цвету чрезвычайно низка. В результате отдельные цветовые со­ставляющие цветного изображения вносят разный вклад в ощущение яркости.

На практике в качестве яркостной характеристики чувствительности глаза обычно используют кривую спектральной чувствительности (рис. 5.10). Для дневного освещения ее можно получить путем суммирования приведенных на рис. 5.10 спектральных составляющих трех типов колбочек с последующим нормированием полученной кривой (путем деления всех ее составляющих на максимальное значе­ние яркости). По существу этот график представляет собой не что иное, как КПД человеческого глаза. По графику можно легко оценить, какая часть попавшего в глаз света вносит наибольший вклад в формирование ощущения цвета. Так, для получения с помощью синего цвета такого же ощущения яркости, как от зеленого цвета, его реальная энергия должна быть в несколько раз выше.

Рис. 5.10. Кривые спектральной чувствительности глаза при различных условиях внешнего освещения: 1- в сумерках, 2 - при дневном освещении

При получении кривой спектральной чувствительности в качестве нормирующе­го коэффициента используется принятая за единицу спектральная эффективность желто-зеленого излучения с длиной волны 555 нм. Для отображения интенсивно­сти составляющей спектра используется обозначение V_ג.

При оценке яркостной чувствительности цвета следует учитывать, что свой вклад в ощущение яркости вносят как колбочки, так и палочки (рис. 5.11). А поскольку максимальная чувствительность палочек по сравнению с колбочками лежит в бо­лее коротковолновой области спектра (соответственно 500 нм против 555 нм), то именно этим фактором объясняется зависимость спектральной чувствительности от внешней освещенности.

Вклад палочек и колбочек в результирующее значение яркости определяется условиями освещенности. Так, в темноте работают только палочки. В сумерках в формировании яркостного восприятия участвуют и палочки, и кол­бочки, а при повышении уровня освещенности начинают доминировать палочки.

Рис. 5.11. Спектральная чувствительность палочек и колбочек

Это легко проверить на практике. Если вам приходилось встречать рассвет за рыбалкой на реке или озере, то вы можете вспомнить, что поначалу серый окружающий фон с восходом солнца понемногу расцвечивается в цветовые тона.

В результате проведения многочисленных психологических тестов наряду с тео­ретическими исследованиями было установлено, что для большинства людей ощу­щение яркости при восприятии цветных изображений определяется на 71,5% зе­леной составляющей, 21 % — красной и 7,2% — синей. Таким образом, если известны зеленая, синяя и красная составляющие источника цвета, то воспринимаемая на­шим глазом результирующая яркость такого источника может быть определена по формуле:

Яркость = 0,715160 × зеленый + 0,212671 × красный + 0,072169 × синий.

Существуют и другие выражения для определения яркости.

Для стандарта в области NTSC телевидения:

Яркость = 0,59 × зеленый + О J ×красный + 0,11 ×синий.

Спектральная чувствительность наблюдателя

Спектральная чувствительность определяет диапазон принимаемых наблюдателем или приемником цветов. На рис. 5.12 представлена спектральная чувствитель­ность глаза. Левее синей области частот — ультрафиолетовые волны, правее крас­ной — инфракрасные волны. Наилучшую чувствительность глаз имеет в районе 555 нм (зеленый цвет). На спектральную чувствительность влияют качество источ­ника света, а также различия в цветах фона и в углах обзора.

Рис. 5.12. Спектральная чувчтвительность глаза

Роль фона легко понять, так как его цвет воспринимается теми же чувствительными органами, что и цвет объекта.

От углов обзора (углов, под которыми наблюдается данный объект) зависит ин­тенсивность отражаемого света (для отражающих поверхностей), а также появ­ление теней и различие в интенсивности излучения (для излучающих поверхно­стей). Прямое излучение является более сильным, чем излучение под углами.

Путем измерения спектральной чувствительности наблюдателя (или принимающего устройства) мы регистрируем его способность воспринимать свет с различ­ными длинами волн.

5.3 Цветовой и динамический диапазоны

Для эффективной организации передачи информации между различными устрой­ствами, входящими в состав издательских систем, важно понимать разницу между цветовым и динамическим диапазонами.

Цветовой диапазон — диапазон цветов, которые могут восприниматься или вос­производиться наблюдателем или приемным устройством.

Динамический диапазон характеризует различие между наиболее светлым и наи­более темным элементами в изображении или в поле зрения.

Человеческое зрение имеет широчайший цветовой и динамический диапазон. Глаз человека способен различать градации миллионных долей яркости.

Компьютерные устройства имеют сравнительно узкие цветовой и динамический диапазоны. Кроме того, имеются различия в характеристиках разных устройств. Например, цветовые и динамические диапазоны сканеров и мониторов шире, чем соответствующие диапазоны принтеров.

В совокупности цветовой и динамический диапазоны определяют область воспри­нимаемых нами цветов и области цветов (цветовое пространство), в которых ра­ботают устройства ввода, вывода и обработки изображений. Для представления этих областей используются два способа:

1. В виде различных цветовых моделей.

2. С помощью набора цветов (палитр), доступных в системах соответствия цве­тов. Для каждой из таких систем - DIC, DuPont®, FOCOLTONE®, PANTO-NE®, TOYO и TRUMATCH®, — определены специальные цвета, которые можно выбирать по каталогам образцов. За исключением плашечных цветов палитры PANTONE®, эти системы подстановки цветов связываются с цвето­выми моделями. Системы DIC и TOYO базируются на совместном использо­вании основных цветов и специальных красителей.

Современные графические пакеты оперируют большим количеством специфиче­ских терминов, включающих определение цветовые, цвет. Перечислим их:

· цветовые модели;

· цветовые палитры, которые в свою очередь подразделяются на плашечные цветовые палитры и основные цветовые палитры;

· системы соответствия цветов;

· системы управления цветами.

Их обилие и внешняя схожесть могут смутить не только новичка в области обра­ботки компьютерных изображений. Далее будет дано последовательное разъяснения смысла и назначения этих терминов.

Для характеристики цвета используются следующие атрибуты.

1. Цветовой тон. Его можно определить преобладающей длиной волны в спектре излучения. Цветовой тон позволяет отличать один цвет от другого — например, зеленый от красного, желтого и других.

2. Яркость. Определяется энергией, интенсивностью светового излучения. Выражает количество воспринимаемого света.

3. Насыщенность или чистота тона. Выражается долей присутствия белого цвета. В идеально чистом цвете примесь белого отсутствует. Если, например, к чистому красному

цвету добавить в определенной пропорции белый цвет (у художников это называется "разбелом"), то получится светлый бледно-красный цвет.

Укачанные три атрибута позволяют описать все цвета и оттенки. То, что атрибутов именно три, является одним из проявлений трехмерных свойств цвета. Далее мы увидим, что имеются и другие трехмерные системы описания цвета.

Мы попытались объяснить цвет с помощью длин волн и спектра. Как оказывается, это неполное представление о цвете, а вообще говоря, оно неправильное. Во-первых, глаз челове­ка - это не спектрометр. Зрительная система человека, скорее всего, регистрирует на длину волны и спектр, а формирует ощущения другим способом. Во-вторых, без учета особенно­стей человеческого восприятия невозможно объяснить смешение цветов. Например, белый цвет действительно можно представить равномерным спектром смеси бесконечного множе­ства монохроматических цветов. Однако тот же белый цвет можно создать смесью всего двух специально подобранных монохроматических цветов (такие цвета называются взаим­но дополнительными), Во всяком случае, человек воспринимает эту смесь как белый цвет. А можно получить белый цвет, смешав три нам более монохроматических излучений. Излу­чения, различные по спектру, но дающие один и тот же цвет, называются метамерными.

Необходимо также уточнить, что понимается под цветовым тоном. Рассмотрим два при­мера спектра (рис. 5.13).

Рис. 5.13. Спектры: а - в сплошном спектре имеется явное преобладание одной составляющей: б - в дискретном спектре две составляющие с одинаковой интенсивностью

Анализ спектра, изображенного на рис. 5.13 (a), позволяет утверждать, что излучение имеет светло-зеленый цвет, поскольку четко выделяется одна спектральная линия на фоне равномерного спектра белого. А какой цвет (цветовой тон) cooтвeтствует спектру варианта (б)? Здесь нельзя в спектре преобладающую составляющую, поскольку присутствуют красная и зеленая линии одинаковой интенсивности. По законам смешения цветов, это может дать оттенок желтого цвета — однако в спектре нет соответствующей линии монохроматического желтого. Поэтому, под цветовым тоном следует понимать цвет монохроматического излучения, соответствующего суммарному цвету смеси. Впрочем, как именно соответствующего" — это также требует уточнения.

Наука, которая изучает цвет и его измерения, называется колориметрией. Она описывает общие закономерности цветового восприятия света человеком. Одними из основных законов колориметрии являются законы смешивания цветов. Эти законы в наиболее полном виде были сформулированы в 1853 году немецким математиком Германом Грассманом.

1. Цвет - трехмерен, для его описания необходимы три компонента. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно-независимых совокупностей из трех цветов.

Другими словами, для любого заданного цвета (Ц) можно записать такое цветовое уравнение, которое выражает линейную зависимость цветов:

Ц=к₁Ц₁+ к₂Ц₂ + к₃Ц₃,

где Ц₁, Ц₂ ,Ц₃ - некоторые базисные, линейно-независимые цвета, коэффициенты к₁, к₂ и к₃ указывают количество соответствующего смешиваемого цвета, Линейная независимость цветоа Ц₁, Ц₂, Ц₃ означает, что ни один из них не может быть выражен взвешен ной суммой (линейной комбинацией) двух других. Первый закон можно трактовать и в более широком смысле, а именно, в смысле трехмерности цвета. Необязательно для описания цвета использовать смесь других цветом можно применять и другие компоненты, но их обязательно должно быть три.

2. Если в смеси трех цветовых компонентов один меняется непрерывно, в то время как два других остаются постоянными, цвет смеси также изменяете непрерывно.

3. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонентов и не зависит от их спектральных составов. Смысл третьего закона становится более понятным, если учесть, что один и тот же цвет (в том числе и цвет смешиваемых компонентов) может быть получен разными способами. Например, смешиваемый компонент может быть получен, в свою очередь, смешиванием других компонентов.

На теоретической базе этих законов существуют все современные цветовые модели.