8.1. Основы цветного зрения

Зрение человека. Цветовое восприятие и его особенности

Свет есть излучение с определенной длиной волны. Спектр видимого цвета - это излучение с длинами волн в диапазоне примерно от 400 до 700 нм.

Все излучения, лежащие за пределами этого диапазона, человеческим глазом уже не воспринимаются. В пределах видимого спектра излучения с разной длиной волны ин­терпретируются человеческим глазом как цвета. Таким образом, зная спектральный состав света, воспринятого глазом, можно легко определить цвет предмета. Однако обратный процесс не столь однозначен: зная цвет, можно предложить несколько вари­антов его спектрального состава.

Цвет излучений, длины волн которых расположены в диапазоне видимого света в определенных интервалах вокруг длины какого-либо монохроматического излучения, называются спектральными цветами. Излучения с длинами волн от 380 до 470 нм имеют фиолетовый и синий цвет, от 470 до 500 нм -- сине-зеленый, от 500 до 560 нм -- зеленый, от 560 до 590 нм -- желто-оранжевый, от 590 700 нм -- красный ( в более мелких участках этих интервалов цвет излучений соответствует различным оттенкам указанных цветов).

Если спектральный состав двух цветов одинаков, цвета называются изомерными. Ес­ли же излучения одного цвета имеют разный спектральный состав, то такие цвета на­зываются метамерными.

Человеческий глаз содержит два вида светочувствительных рецепторов - палочки и колбочки. Палочки обеспечивают черно-белое зрение и обладают очень высокой чув­ствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувстви­тельность гораздо ниже. Для палочек излучения с разной длиной волны отличаются только яркостью, поэтому в темноте, когда работают только палочки, человек не раз­личает цвета. С повышением освещенности палочки и колбочки начинают работать совместно. Существует три типа колбочек, чувствительных к свету с разной длиной волны. Упрощенно можно сказать, что первый тип воспринимает световые волны с длиной волны от 400 до 500 нм (условно "синюю" составляющую цвета), второй - от 500 до 600 нм (условно "зеленую" составляющую) и третий - от 600 до 700 нм (условно "красную" составляющую). В зависимости от того, цветовые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре цвета, те или иные группы колбочек возбуж­даются сильнее или слабее. Рецепторы передают сигналы мозгу, а мозг интерпрети­рует их как видение цвета. Исходя из этой особенности строения глаза, можно сделать вывод, что цвет трехмерен по самой природе цветового ощущения.

Глаз наиболее чувствителен к зеленым лучам, наименее - к синим. Экспери­ментально установлено, что среди излучений равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны около 555 нм. Относительная спектральная световая эффективность (обозначаемая буквой V) этого излучения принята за единицу. При этом спектральная чувствитель­ность зависит от внешней освещенности. В сумерках максимум спектральной световой эффективности сдвигается в сторону синих излучений, что вызвано разной спектраль­ной чувствительностью палочек и колбочек.

В отличие от объективного описания цветов в рамках колориметрической теории, субъективное восприятие цвета является сложной проблемой, и пока не предложены алгоритмы оценки визуально воспринимаемого цвета. Экспериментальные исследования показывают, что на визуально воспринимаемый цвет влияют следующие факторы:

• спектральный состав света, который излучается источником,

• спектральное распределение излучения, попадающего в глаз наблюдателя от всех объектов, находящихся в поле зрения,

• пространственное распределение и форма объектов,

• наличие цветовой памяти глаза (хроматическая адаптация) и др.

Количественная характеристика всех этих факторов является невыполнимой задачей. Экспериментально доказано, что восприятие цвета можно характеризовать тремя фак­торами: для источников света - светимостью, цветовым тоном и насыщенностью, для объектов - освещенностью, цветовым тоном и насыщенностью.

Светимость характеризуется интенсивностью излучаемого источником светового по­тока, а освещенность определяет долю отраженного или пропущенного объектом па­дающего света. Эти два понятия отражают одну и ту же характеристику цветового вос­приятия объекта - яркость. Цветовой тон - субъективно воспринимаемый признак цве­та, который позволяет отнести его по сходству к тому или иному спектральному или пурпурному¹ цвету. Пурпурные цвета не присутствуют в спектре, т.к. для их ощущения глаз должен воспринять излучения синей и красной составляющих. Для всех остальных цветов можно подобрать соответствующие им метамерные монохромные излучения, что невозможно для пурпура, по­этому переход от фиолетового к красному на цветовом круге логически обоснован - перекрывая области действия красного и синего излучений, мы получаем выдуманный пурпурный монохром. Пурпур обычно обозначают не суммой двух излучений, а длиной волны дополнительного ему монохромного голубого. Численно его определяют доминирующей длиной волны, т.е. дли­ной волны монохромного излучения, который в смеси с белым дает данный цвет (для пурпурных цветов задают длину волны дополнительного цвета, дающего белый цвет в смеси с данным).

Насыщенность – признак цвета, выражающий степень его отличия от белого цвета той же яркости. Численно она характеризуется чистотой цвета Р, определяемой отношением яркости доминирующего спектрального цвета к полной яркости смеси. По определению насыщенность максимальна для спектральных и пурпурных цветов (Р=1) минимальна - для белого цвета (Р=0).

Цветовой тон и насыщенность изображения достаточно просто можно оценить с использованием диаграммы цветности.

Для практического использования диаграммы цветности важно знать пороги цветоразличения, т.е. минимальные изменения цветности, различаемые глазом человека. Как показали измерения Мак-Адама и Райта, связь между порогом цветоразличения и изображающим его расстоянием на диаграмме x, у существенно нелинейна - она изменяется до 30 раз от одного края диаграммы к другому.

В 1960 г. МКО приняла диаграмму uv, на которой различие цветовых порогов существенно меньшее. Переход от координат х,у к координатам u,v осуществляется линейным преобразованием

,

Использование диаграммы цветности МКО - 1960 позволяет получить более надеж­ные данные для установления параметров воспроизводимых на экране приемного уст­ройства цветных изображений.

Усредненный порог цветоразличения установлен равным 0,0038 единиц шкал u, v (порог Мак-Адама). При этом участком неразличимых на глаз цветностей на диаграмме uv считается кружок с диаметром, равным одному порогу.

Пользуясь этим определением порога цветоразличения, можно подсчитать, что на площади цветового треугольника может быть размещено порядка 3900 кругов диамет­ром, равным порогу Мак-Адама.

Вдоль линии спектральных цветов укладывается около 300 порогов Мак-Адама, а вдоль линии пурпурных цветов - 130. Вдоль периметра же цветового треугольника размещается лишь 256 цветовых тонов. Все приведенные числа в силу зависимости цветовых порогов от цветности, яркости, содержания изображения и условий наблю­дения могут рассматриваться лишь как ориентировочные, но, тем не менее, представ­ляют большой практический интерес и могут быть использованы для повышения эф­фективности кодирования цветных изображений.

Также экспериментально показано, что отмечается маскирование цветных относитель­но мелких деталей как яркостной составляющей фона изображения, так и цветовой компонентой. Что касается временного восприятия цвета, то известно, что вариации цветности менее заметны, чем вариации яркости. Наиболее заметны изменения зеле­ного цвета, затем - красного, и наименее всего - синего.

Физические принципы формирования оттенков

В компьютерной графике имеется два типа цветных объектов - самосветящиеся, излучающие объекты, такие как экраны ЭЛТ, плазменные панели, матрицы светодиодов и т.п. и несамосветящиеся объекты, отражающие или преломляющие падающий на них свет, такие как, например, оттиски на бумаге, светофильтры и т.п.

Для самосветящихся объектов используется аддитивное формирование оттенков, когда требуемый цвет формируется за счет смешения трех основных оттенков цветов. В этом случае удобно использование модели смешения RGB (Red, Green, Blue - красный, зеленый, синий).

Для несамосветящихся объектов используется субтрактивное формирование оттенков, основанное на вычитании из падающего света определенных длин волн. В этом случае удобно использование модели смешения CMY (Cyan, Magenta, Yellow - голубой, пурпурный, желтый).

Эти модели смешения показаны на рис. 8.1. На рис. 8.1.а показаны результаты смешения цветов в аддитивной модели для трех самосветящихся площадок чистых цветов (красного, зеленого и синего) и результаты их смешения - площадки 1-4. На рис. 8.1.б показаны результаты смешения цветов в субтрактивной модели для трех несамосветящихся площадок чистых цветов (голубого, пурпурного и желтого) и результаты их смешения - площадки 5-8.

Рис. 8.1. Модели смешения цветов

Цвета одной модели являются дополнительными к цветам другой модели. Дополнительный цвет - цвет, дополняющий данный до белого. Дополнительный для красного - голубой (зеленый+синий), дополнительный для зеленого - пурпурный (красный+синий), дополнительный для синего - желтый (красный+зеленый) и т.д.

Пример субтрактивного формирования оттенков показан на рис. 8.2. При освещении падающим белым светом в слое голубой краски из спектра белого цвета поглощается красная часть, затем из оставшегося света в слое пурпурной краски поглощается зеленая часть спектра, отраженный от поверхности бумаги свет еще раз подвергается поглощению и в результате мы видим синий цвет.

Рис. 8.2. Цвет несамосветящегося объекта