5.2. Аддитивный синтез цвета. Особенности аддитивного синтеза. Способы получения основных цветов. Недостатки аддитивного синтеза. Область применения аддитивного синтеза.
Область применения аддитивного синтеза
Используется в основном в визуальных колориметрах(колориметр не может заменить спектрофотометр. Колориметр не "измеряет" цвет, а производит его сравнение (оценку) относительно некого образца цвета) и исследования цветового зрения. Большое развитие в последние годы приобрели цветное телевидение и цветные мониторы, в которых используются принципы аддитивного синтеза цвета.
Область использования: колориметрия, телефидение, отображение информации на различных типах мониторов.
Способы получения основных цветов
-Выделение из белого
- Использование монохроматического излучения
- Пропускание белого света через зональный светофильтр
Примером источников, дающих излучения нужных цветов, служат квантовые генераторы (лазеры), их излучение практически монохроматично. Другой пример – люминофоры монитора. Их излучения, наоборот, занимают достаточно широкие зоны спектра.
Примеры аддитивного смешения цветов:
Эффект получения нового цвета наблюдается не только простым сложением излучений, но и в ряде других случаев.
Например, известная из курса физики и лежавшая в прошлом веке в основе науки о цвете «вертушка» Максвелла – вращающийся диск, сектора которого окрашены в разные цвета. При вращении с достаточно большой скоростью наблюдатель видит новый цвет, равный сумме цветов окрашенных секторов. Сложение цветов в этом случае есть результат зрительной инерции.
Еще один пример. Если изображение состоит из штрихов или точек, размеры которых и расстояния между ними находятся за пределами разрешающей способности глаза, то изобра-жение имеет иной цвет, чем отдельные штрихи. Цвета излучений, отраженных от штрихов, складываются, что объясняется непроизвольным движением глаз, и, как следствие, происходит сложение последовательных образов.
Особенности аддитивного синтеза
Если для аддитивного синтеза используются лампы накаливания, то полосы пропускания экранирующих светофильтров должны занимать, по возможности, треть видимого спектра, т.е. синий – от 400 до 500; зеленый – от 500 до 600; красный – от 600 до 700 нм. Это обеспечит достаточную яркость изображения при мощностях электоропитания лампы порядка 100 Вт. На рис. 4.23 приведены примерные кривые таких светофильтров. Обратите внимание на тот факт, что принцип получения излучений, нужных для аддитивного синтеза, субтрактивный.
Аддитивный синтез основан на трехзональной теории цветового зрения. Как следует из рассмотрения анализа кривых основных возбуждений, всегда можно выбрать три излучения, одно из которых в наибольшей степени раздражает синечувствительные рецепторы, второе – зеленочувствительные и третье – красночувствительные. Смешивая эти излучения в различных комбинациях по мощности, можно вызвать множество цветовых ощущений.
Цвета излучений, используемых для синтеза, и сами эти излучения называются основными (причем под термином «основные» подразумеваются как основные цвета, так и основные из-
лучения). Получение заданного цвета путем смешения основных излучений называют аддитивным синтезом этого цвета.
Схема аддитивного синтеза цвета
Рассмотрим простой вариант аддитивного синтеза цвета с использованием трех проекторов и белого экрана (рис. 4.24). Основные излучения в этой схеме получаются субтрактивно с помощью синего, зеленого и красного светофильтров, закрывающих объективы проекторов. Для дозирования основных излучениий используются оптические клинья. На экране смешиваются световые пучки, пропускаемые светофильтрами и оптическими клиньями, в результате чего образуются заданные цвета. Мощности основных излучений, которые называются единичными, подбираются таким образом, чтобы с выведенными клиньями на экране получался белый цвет (ахроматический).
По оптическим плотностям полей дозирующих клиньев можно рассчитать количество основных излучениий, направленных на экран. Для этого надо пересчитать оптические плотности в коэффициенты пропускания. Затем, вспомнив, что коэффициент пропускания показывает, какая часть потока пропущена оптической средой, можно судить об относительных количествах смешанных основных.
Для расчета коэффициентов пропускания полей дозирующих клиньев воспользуемся формулой оптической плотности D = lg(1/t). Тогда t = 10–D.
Основные законы аддитивного синтеза
Законы аддитивного синтеза цвета были сформулированы математиком Г. Грасманом в 1853 г.
Первый закон (закон трехмерности): любой цвет однозначно выражается тремя другими, если они линейно независимы.
Линейная независимость заключается в том, что нельзя получить ни один из основных цветов смешением двух других.
Закон утверждает также возможность описания цвета с помощью «цветовых уравнений».
Второй закон (закон непрерывности): при непрерывном изменении излучения цвет изменяется непрерывно.
Из этого закона понятен основной принцип измерения цвета: не существует такого цвета, к которому невозможно подобрать бесконечно близкий.
Третий закон (закон аддитивности): цвет смеси излучений зависит только от их цветов, но не от спектрального состава.
Это очень важный закон для теории цвета, признающий аддитивность «цветовых уравнений» (т.е. возможность их сложения). А именно, если цвета нескольких излучений описаны
уравнениями, то цвет смеси излучений выражается суммой
этих уравнений. Так, если
Ц1 = R1R + G1G + B1B,
Ц2 = R2R + G2G + B2B,
.........................................
Цn = RnR + GnG + BnB,
то
Цсуммы= (R1 + R2 + … + Rn)R + (G1 + G2 +… + Gn)G + (B1 + B2 + … + Bn)B.
Цветовые уравнения
Для расчета коэффициентов пропускания полей дозирующих клиньев воспользуемся формулой оптической плотности:
D = lg(1/τ).
Тогда
τ = 10–D. (4.3)
Как видно из рис. 4.24, у синего проектора плотность дозирующего клина равна 0,6, тогда τ = 10–0,6 = 0,25, у зеленого –τ = 10–0,3 = 0,5, а у красного – τ = 10–1,3 = 0,05. Иными словами, с помощью клиньев, зная соотношения основных излучений – 0,05 R, 0,5 G, 0,25 B, получим достаточно насыщенный зелено-голубой цвет. Это можно записать в виде уравнения, где слева буквой Ц обозначим цвет, а справа запишем сумму световых, окрашенных пучков в относительных единицах:
Ц = 0,05R + 0,5G + 0,25B.
Таким образом, для нашего конкретного случая выбора основных, получим уравнение цвета. Количества основных, необходимые для аддитивного синтеза некоторого цвета, называются его цветовыми координатами и обозначаются R, G, B. Количества основных могут иметь числа больше единицы, если величины нормировать к 100%.
В общем виде уравнение можно записать как
Ц =RR + GG + BB, (4.4)
где R, G, B – основные излучения; R, G, B – цветовые коорди-
наты этих основных, а RR, GG, BB – члены уравнения (4.4), называемые цветовыми составляющими цвета. Это каноническая форма уравнения, т.е. порядок расположения членов уравнения всегда один и тот же: красный, зеленый, синий. Словесно уравнение (4.4) читается так: в результате сложения R, G, B единиц основных R, G, B получается цвет, тождественный цвету Ц. Цвет, записанный в виде уравнения, может быть оценен численно по цветовому тону и насыщенности.
Как отмечалось в разд. 4.1.5, наименьший член уравнения цвета оказывает влияние на ахроматическую составляющую цвета, два других – на цветовой тон, все три – на насыщенность. Выразим эти утверждения в виде формул. Обозначим цветовые координаты через а1, а2, а3, где а1 – наибольшая ко- ордината, а3 – наименьшая, тогда уравнение (4.4) примет вид
Ц = а1R + а2G + а3B. (4.5)
В соответствии с нашими рассуждениями уравнение можно рассматривать как сумму двух уравнений:
Ц = (а1 – а3) R + (а2 – а3) G, (4.6)
Ц = а3R + а3G + а3B.
Причем первое выражает насыщенный хроматический цвет, второе – ахроматический.
Еще раз напомним, что наименьшая координата определяет ахроматическую составляющую цвета, а разности координат (а1 – а3) и (а2 – а3) – хроматическую. В этом случае цветовой тон можно выразить показателем цветового тона kц.т.:
Отношение показывает, во сколько раз преобладающая координата вносит больший вклад в ощущение цветового тона, чем средняя. Если средняя координата равна наибольшей, то
цвет является дополнительным к основному, определяемому наименьшей координатой (kц.т. = 1). В случае, если средняя координата равна наименьшей, показатель цветового тона становится бесконечно большим. Это означает, что цветовой тон соответствует основному, определяемому наибольшей координатой.
Насыщенность также можно выразить показателем насыщенности kн:
Из этого выражения следует, что показатель насыщенности – это доля хроматической компоненты в цвете.
Не все насыщенные цвета могут быть воспроизведены смешением излучений, взятых из спектра. Например, оранжевые, голубые, часть пурпурных и т.д. Для получения этих цветов требуются раздражения только двух видов, но, как видно из
кривых основных возбуждений (см. рис. 4.8), возникают раздражения и в других зонах спектра. Например, насыщенный голубой – это сине-зеленый цвет, т.е. должны быть возбуждены только синие и зеленые рецепторы. На деле возбуждаются и красные рецепторы, цвет теряет насыщенность. Колориметристы для измерения такого цвета нашли выход. К насыщенному голубому цвету добавляют красное излучение до тех пор, пока цвет измеряемый не уравняется с синтезируемым.
Тогда уравнение (4.4) примет вид
Ц + RR = GG + BB.
Или в каноническом виде
Ц = −RR + GG + BB. (4.9)
Это значит, что цветовое уравнение в общем случае может иметь отрицательные цветовые составляющие, а цвета – отрицательные координаты.
Недостатки аддитивного синтеза
Любой естественный цвет можно разложить на красную, зеленую и синюю составляющие и измерить их интенсивность. А вот обратное действие, то есть синтез, реализуется далеко не всегда. Экспериментально и теоретически доказано, что диапазон цветов модели RGB уже, чем видимый спектр. Чтобы получить часть спектра, лежащую между синим и зеленым цветами, требуются излучатели с отрицательной интенсивностью красного цвета, которых, конечно же, в природе не существует.
Диапазон воспроизводимых цветов модели или устройства называется цветовым охватом. Одним из серьезных недостатков аддитивной модели является ее узкий цветовой охват.
Еще одним недостатком модели следует считать аппаратную зависимость. Теоретически все выглядит очень привлекательно. Пусть цвет задан значениями интенсивностей базовых цветов, например, R=204, G=230, B=171 (светло-салатовый). Кажется, что этот набор цветовых координат однозначно определяет светло-салатовый цвет на любом устройстве, которое работает по принципу сложения базовых цветов. В действительности все обстоит намного сложнее. Цвет, воспроизводимый устройством, зависит от множества внешних факторов, часто не поддающихся учету. Экраны дисплеев покрываются люминофорами, которые отличаются по химическому и спектральному составу. Мониторы одной марки могут иметь разную степень износа и условия освещения. Даже один и тот же монитор по разному синтезирует цвета в прогретом состоянии и сразу после включения.
За счет калибровки устройств и использования систем управления цветом можно попытаться сблизить цветовые характеристики различных устройств.