Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Цветоведение телевизионных систем. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 23 / 163 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

1.4. Особенности восприятия цвета

цветовых ощущений при воздействии на него различных по спектральному составу излучений. В подтверждение своих теоретических исследований Д. Максвелл в 1861 году одним из первых получил цветовую фотографию, синтезированную из трех цветоделенных изображений.

А. Кениг и Дитеричи (Германия) в 1892 году экспериментально определили кривые спектральной чувствительности разновидностей колбочек (кривые основных возбуждений). Более детальное исследование вопросов спектральной чувствительности глаза были проведены в 1935 году русскими физиологами Н.Т. Федоровым и В.И. Федоровым (рис. 1.8). Масштабы представленных на рис. 1.8 кривых спектральной чувствительности выбраны такими, чтобы для белого цвета площади, ограниченные кривыми, были бы равны, так как ощущение белого цвета возникает при возбуждении всех трех разновидностей колбочек.

Таким образом, анализ воздействующего на глаз излучения тремя типами колбочек с различной спектральной чувствительностью и последующий синтез результатов их возбуждений зрительными участками коры головного мозга вызывает ощущение большого числа цветовых оттенков окружающих нас предметов. Важной особенностью нашего цветового зрения является то, что глаз воспринимает яркость предметов путем суммирования ощущений, полученных тремя рецепторами, а цветность воспринимается как отношение этих ощущений.

Три разновидности колбочек получили название L-, M- и S-рецепторов, что отражает их суть, так как эти обозначения даны в соответствии с длинноволновой (Long-wavelength), средневолновой (Middle-wavelength) и коротковолновой (Short-wavelength) чувствительностями колбочек. Причем кривые спектральной чувствительности трех типов колбочек частично накладываются друг на друга. Очень часто различные группы колбочек обозначаются символами основных цветов RGB или . Колбочек L- и M-типов гораздо больше, чем S-рецепторов, причем L-колбочек примерно вдвое больше, чем М-разновидности. Количественное соотношение L:M:S колбочек примерно равно 12:6:1.

Рис. 1.8. Кривые спектральной чувствительности различных групп колбочек

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

  

559 498 424   

Первый из дополнительных цветов

Второй из дополнительных цветов

Красный

Голубой

Оранжевый

Голубой

Желтый

Синий или голубой

Желто-зеленый

Пурпурный

Зеленый

Пурпурный

Голубой

Красный или пурпурный

Синий

Желтый

Фиолетовый

Желто-зеленый

Итак, зрительный аппарат человека является трехстимульным анализатором. В животном мире известны четырех- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, так что цвета, воспринимаемые человеком, например, одинаковыми, животными могут различаться как разные.

Цвета, дающие при смешении белое, называются взаимно дополнительными по отношению к этому белому цвету. Например, для желтого цвета дополнительным является синий цвет, для оранжевого – голубой, для зеленого – пурпурный. Установить длины волн дополнительных цветов можно по следующему уравнению, полученному опытным путем:

где 1 – длина волны одного цвета в нм; 2 – длина волны дополнительного цвета в нм.

В природе существует бесчисленное количество пар дополнительных цветов, в том числе и спектральных. Для большей наглядности в табл. 1.3 указаны названия нескольких пар взаимно дополнительных цветов.

При восприятии цветных изображений существенную роль играет цве- товой контраст – различия в восприятии одного цвета перед другим. Цветовой контраст зависит от условий наблюдения, изменения которых могут вызвать усиление или ослабление восприятия данного цвета. Различают три вида цветового контраста: одновременный, бинокулярный и последовательный.

Одновременный цветовой контраст проявляется в том, что восприятие данного цвета может изменяться (по яркости, цветовому тону и насыщенности) при изменении соседствующего с ним цвета (фона).

С некоторым приближением можно считать, что цвет изменяется в сторону наибольшего удаления (по шкале цветов) от цвета фона: например, желтое поле на красном фоне кажется слегка зеленоватым, а на синем – более насыщенным желтым. Цветовой контраст наиболее сильно проявляется на

границе раздела двух цветных полей. Это явление называется краевым контрастом.

Т а б л иц а 1.3

Названия взаимно дополнительных цветов

1.4. Особенности восприятия цвета

Бинокулярный контраст заключается в том, что, возбуждая сетчатку одного глаза каким-либо цветом, можно вызвать восприятие контрастного к нему цветового ощущения в другом глазу (например, синее – желтое; красное – голубое).

Последовательный цветовой контраст проявляется в том, что при пе- реводе глаза с одного цвета на другой, цвет последнего будет отличаться от истинного, а при переводе на белое поле последнее будет окрашиваться в дополнительный цвет. Последовательный контраст проявляется при достаточно долгом предъявлении цветов. Хотя явления цветового контраста трудно учесть при построении технических систем воспроизведения цветных изображений, их все же следует иметь в виду в некоторых конкретных ситуациях, например, при создании театральных костюмов, декораций.

Одно из основных свойств зрительного анализатора – адаптация зрения, которая обеспечивает опознание предметов по цвету при вариациях условий освещения и рассматривания в весьма широких пределах. Вместе с тем при изменении спектрального состава освещения, визуально воспринимаемые различия между одними цветами усиливаются, а между другими ослабевают. Например, при желтоватом освещении, создаваемом лампами накаливания, синие и зеленые цвета различаются хуже, чем красные и оранжевые, а при синеватом освещении в пасмурную погоду, наоборот, хуже различаются красные и оранжевые цвета. При слабом освещении все цвета различаются хуже и воспринимаются менее насыщенными («эффект сумеречного зрения»). При очень сильном освещении цвета воспринимаются тоже менее насыщенными и «разбеленными». Эти особенности зрительного восприятия широко используются в изобразительном искусстве для создания иллюзии того или иного освещения.

1.4.2. Законы аддитивного смешения цветов

В полиграфии, телевидении и технологии репродукционных процессов цвет играет важную роль в качестве параметра, характеризующего качество воспроизводимых изображений. При этом в современной технологии многоцветной репродукции используются как аддитивный, так и субтрактивный синтез цвета. Формирование яркостной составляющей с помощью сложения (смешения) отдельных излучений называется аддитивным синтезом цвета, сопровождающимся увеличением светлоты. В случае субтрактивного синтеза цвета осуществляется вычитание из светового потока части его спектральных составляющих с помощью цветных светофильтров, образующих избирательным поглощением света. Субтрактивный синтез сопровождается уменьшением наблюдаемой светлоты. Особо следует отметить, что в телевидении используется только аддитивный способ суммирования цветов.

Исходя из трехкомпонентности цветового зрения, немецкий математик Г. Грассман в 1852 году установил, что для однозначного определения (ха-

рактеристики) любого цвета необходимо и достаточно иметь три соот-

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

F r R g G b B

  

  

ветственно выбранных основных (первичных) цвета, так что в результате

их аддитивной смеси в соответствующих пропорциях может быть получен

цвет, эквивалентный данному цвету [3].

Основные цвета должны быть линейно независимыми друг от друга, то есть смесь двух из них ни при каких условиях не должна давать третий основной цвет. Существует множество взаимно независимых комбинаций трех основных цветов.

Примером взаимно независимых цветов являются красный, зеленый и синий цвета. Их принято обозначать латинскими буквами R (красный), G (зеленый) и В (синий).

Следовательно, всегда осуществимо количественное и качественное равенство.

, (1.6)

где величины rR, gG, bB называются цветовыми компонентами потока F, а r, g, b – соответствующие количества основных цветов. Опытным путем

установлено, что яркость суммарного потока равна сумме яркостей смешиваемых потоков.

Иными словами, любой цвет может быть получен алгебраическим сложением трех основных цветов, равно как любой сложный цвет (включая и белый) может быть разделен на три основных.

На основании обобщения экспериментальных данных Г. Грассманом в 1853 году в наиболее полном виде были сформулированы три закона аддитивного смешивания цветов, являющиеся одними из основных законов колориметрии.

Первый закон. Для всякого цвета имеется дополнительный цвет, в смеси с которым (в определенной пропорции) данный цвет дает ахроматический (серый) световой поток.

Второй закон. Если смешивать два спектральных цвета, лежащих в цветовом круге И. Ньютона, то получаемый цвет будет изображаться точкой, которая находится между смешиваемыми цветами на прямой, соединяющей их.

Третий закон. Смесь цветов, одинаковых по создаваемому ими в отдельности визуальному ощущению, создает такое же визуальное ощущение, как и смешиваемые цвета в отдельности, независимо от их спектрального состава.

Из этого закона следует, что:

– цвет смеси нескольких излучений определяется цветами этих излучений, а не их спектральными составами, хотя изменение спектра излучения может вызвать изменение его цвета;

– если цвет Ц1 согласован с цветом Ц2 и цвет Ц3 согласован с цветом Ц4, то смесь цветов Ц1 + Ц3 согласуется с цветом смеси цветов Ц2 + Ц4.

то Ц1 + Ц3  Ц2 + Ц4.

ное смешение осуществляется путем одновременного или последовательно-

Это можно записать в виде следующих тождеств: если Ц1  Ц2, Ц3  Ц4,

Известно несколько способов аддитивного смешения цветов. Локаль-

1.4. Особенности восприятия цвета

пл

L L L





го (поочередного) наложения одного цвета на другой. Другими словами при поочередном смешении световые потоки смешиваемых цветов воздействуют на глаз последовательно, а не одновременно. Если частота следования световых потоков достаточно высокая, то создается такое же впечатление цвета смеси, как и при одновременном смешении. Пространственное сме- шение реализуется путем наложения на поверхность мелких точек (мозаики) или штрихов смешиваемых цветов. Такая поверхность с некоторого расстояния воспринимается не мозаикой, а имеющей однородный цвет смеси отдельных фрагментов, так как на сетчатке глаза происходит слияние ощущений от отдельных точек изображения различного цвета. Пространственное смешение цветов применяется в живописи, текстильной промышленности, цветном телевидении.

В случае бинокулярного смешения цветов на один глаз человека воздействует световой поток одного цвета, а на другой – световой поток другого цвета. При этом в зрительном аппарате возникает ощущение цвета их смеси. Бинокулярное смешение цветов применяется в стереоцветном кинематографе и телевидении.

В отличие от локального и пространственного смешения цветов бинокулярная суммация яркостей происходит по другим количественным законам вследствие взаимодействия различных физиологических аппаратов человеческого зрения. Экспериментально установлено, что для правильной оценки яркости стереоскопических изображений, полученных методом бинокулярного смешения цветов, следует иметь в виду следующее: воспринимаемая результирующая яркость L равна векторной сумме яркостей отдельных изображений, смешиваемых бинокулярно, то есть

где Lп, Lл – соответственно яркость правого и левого изображений стереопары [4].

Экспериментальную проверку законов смешения цветов удобно производить путем установления тождества цветов полей сравнения с помощью устройства, состоящего из гипсовой призмы, на одну из граней которой проецируется излучение исследуемого источника, а на другую грань – излучение от трех источников: красного R, зеленого G и синего B. Зрительная труба, при помощи которой ведутся наблюдения, направлена на ребро призмы, разделяющего освещенные грани. Следовательно, поле зрения трубы разделено на два поля сравнения: одно, освещаемое исследуемым цветом, другое – освещаемое смесью трех источников. Между каждым из трех источников R, G, B и призмой стоит устройство, ослабляющее полное излучение данного источника в определенное число раз. Меняя интенсивность потоков излучения, подаваемого на грань призмы от того или иного источника, колориметрист добивается уравнивания цвета, то есть цветности и яркости полей сравнения.

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

Т а б л иц а 1.4

Острота зрения для различных сочетаний цветов

Сочетание цветов

Острота зрения, %

Относительная яркость

тестового изображения, %

Черно-белое

100

Белое 100

Черно-зеленое

Зеленое 100

Черно-красное

Красное 100

Черно-синее

Синее 100

Зелено-красное

Красное 100, зеленое 49

Красно-синее

Красное 100, синее 6,3

Зелено-синее

Синее 100, зеленое 3,3

1.4.3. Цвет мелких деталей

Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что острота зрения человека выше при монохроматическом свете, чем при свете смешанном. Объяснение этому лежит в хроматической аберрации глаза. Но и для разных монохроматических лучей острота зрения не остается одинаковой: она выше для зеленых и желтых лучей, чем для синих и красных. Отсюда следует, если детали цветного объекта имеют малые размеры относительно границ поля зрения, причем зеленоокрашенные детали при данной освещенности лежат на пределе разрешения, синие и красные детали того же размера будут восприняты серыми. Размеры синих и красных деталей, которые следует воспроизводить цветными, например в телевизионной системе, находятся путем сопоставления остроты зрения для различных сочетаний цветов.

Результаты экспериментальных исследований, проведенных в 1950 году в США А. Бедфордом, по определению относительной остроты зрения от цвета мелких деталей, наблюдаемых на телевизионном экране, приведены в табл. 1.4 [5]. При этом острота зрения для черно-белых деталей была принята за 100%. Из табл. 1.4 следует, что разрешающая способность глаза человека неодинакова для различного сочетания цветов и для любого из них она ниже, чем для черно-белых деталей, то есть когда элементы изображения различаются между собой только по яркости, а не по цвету.

Дальнейшие исследования в области зрительного восприятия мелких цветных деталей привели к экспериментальному доказательству весьма важных фактов:

1. Трехкомпонентность цветового зрения распространяется только на

относительно крупные наблюдаемые объекты с угловыми размерами более 20, которые следует воспроизводить цветными.

2. Цвет объектов средних угловых размеров (12…20) должен являться

смесью только двух цветов – оранжевого и голубого. Это объясняется тем, что при наблюдении предметов таких угловых размеров человеческий глаз

1.4. Особенности восприятия цвета

обладает свойством дихроматизма (тританопии), то есть не различает между собой синего и зеленого, красного и пурпурного цветов. Это явление впервые было обнаружено еще в 1894 году в Германии А. Кенигом, который установил, что для мелких деталей объекта, фокусируемых на центральной ямке сетчатки, зрение человека двухцветно, так как эта часть сетчатки обладает низкой чувствительностью к синим лучам. Ему удалось воспроизвести все цвета спектра с помощью только двух основных спектральных цветов с длинами волн 475 нм и 650 нм.

3. Мелкие детали, как объектов, так и изображений различаются наблю-

дателями только по яркостным градациям, то есть воспринимаются бесцветными (ахроматичными).

Учет этих свойств цветового зрения послужил основой к разработке цветных телевизионных систем, в которых нет необходимости воспроизводить мелкие детали в цветах.

1.4.4. Количество воспринимаемых глазом цветов

Наблюдатель с нормальным цветовым зрением при сопоставлении различно окрашенных предметов или источников света может различать при внимательном рассматривании большое количество цветов (постепенные переходы, едва заметные на глаз, от красного к оранжевому, от оранжевого к желтому и т. д.). Причем восприятие цвета может частично меняться в зависимости от психофизиологического состояния наблюдателя, например, усиливаться в опасных ситуациях, уменьшаться при усталости. Все это указывает на ведущую роль мозговых центров, ответственных за восприятие цветов, и степени их «тренированности» (при неизменном фотохимическом аппарате цветового зрения).

Что касается различий между спектральными цветами, то по экспериментальным данным разных исследователей (У. Райт, Д. Мак-Адам) глаз способен различать от 150 до 250 спектральных цветов и от 30 до 140 насыщенных пурпурных цветов при угловом размере окрашенной детали 2, яр-

кости фона 50 кд/м2, угловом размере фона 50 [6].

При аномалиях цветового зрения различается меньшее число цветов. Около 90% всех людей обладают нормальным цветовым зрением и около 10% – частично или полностью «цветнослепые». Характерно, что из этих 10% людей с аномалиями цветового зрения 95% – мужчины. Существуют три вида таких аномалий: краснослепые (протанопы) не отличают красных цветов от близких к ним по светлоте ахроматических цветов и дополнительных по цветовому тону темно-голубых цветов; зеленослепые (дейтеранопы) не отличают или плохо отличают зеленые цвета от близких к ним по светлоте ахроматических цветов и дополнительных пурпурных; синеслепые (тританопы) не отличают синих цветов от близких по светлоте ахроматических и дополнительных темно-желтых цветов. Очень редки случаи полной цветовой слепоты, когда воспринимаются лишь ахроматические образы. Аномалии

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

2 2 2 2

n n n n

N    

Число бит на один цвет

Число цветовых оттенков

Монохромный пиксель

Цветной RGB субпиксель

2 (21)

16 (24)

4096

256 (28)

16,77 млн.

цветового зрения не мешают нормальной трудовой деятельности при условии, что к ряду профессий цветнослепые не должны допускаться.

Если учитывать различие цветов один от другого по трем параметрам – яркость, цветовой тон и насыщенность, то можно рассчитать число воспринимаемых цветовых оттенков при одновременном изменении трех характеристик во всех их комбинациях, то есть потенциально возможное число цветов, которые оцениваются глазом. Производя подсчет с учетом экспериментальных данных, мы получим около 210 000 возможных цветов.

Однако такой расчет весьма неточен и недостаточно строг. Вспомним, что при малых яркостях число ступеней цветового тона и насыщенности значительно меньше, чем при некотором оптимальном уровне яркостей. При яркостях меньше 1 кд/м2 мы вообще не различаем цветностей, а различаем излучения только по светлоте. Кроме того, ступени светлоты были определены для белого света при определенном уровне адаптации глаза. Производя коррекцию наших расчетов, мы получим, что общее число различаемых глазом цветов равно примерно нескольким десяткам тысяч.

С технической точки зрения число воспроизводимых цветов (цветовых оттенков) определяется типом устройства отображения цветовых изображений.

Например, число воспроизводимых жидкокристаллическим экраном (ЖКЭ) цветовых оттенков полностью определяется числом градаций шкалы серого для каждого цветового пикселя. Подсчет числа оттенков выполняется по следующей формуле:

где N – общее число цветовых оттенков; n – разрядность кодирования каждого субпикселя.

Для примера в табл. 1.5 показана зависимость числа цветовых оттенков от разрядности кодирования.

Воспроизведение полутонового изображения цветными ЖКЭ с гаммой фактически 17 млн. цветовых оттенков достигается за счет применения восьмиразрядного кодирования для каждого цвета (282828  16,77 млн.) [7].

Следовательно, общее количество воспринимаемых человеком цветов обусловлено психофизиологическими особенностями зрительного аппарата.

Т а б л иц а 1.5

Число воспроизводимых цветовых оттенков в зависимости

от количества градаций шкалы серого

1.4. Особенности восприятия цвета

100%

F F F







  

  



F F F



  



1.4.5. Субъективные и физические характеристики цвета

Определений цвета, как физической величины, существует много. Цвет, в отличие от света, уже не может быть охарактеризован одной какой-либо величиной. Сопоставление и обобщение результатов многочисленных опытов показали, что для описания цвета необходимо и достаточно трех параметров. Это согласуется с общим физиологическим (то есть субъективным) представлением о возможности характеризовать цвет тремя параметрами, например, его светлотой, цветовым тоном и насыщенностью.

Понятие светлоты цвета используется для оценки его интенсивности, для восприятия цветового излучения как некоторого поля серой шкалы.

Если мы возьмем ряд спектральных цветов и перечислим их по порядку, то получим следующий ряд: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Свойство зрительного ощущения, обозначаемое этими словами, называется цветовым тоном (оттенком).

Свойство зрительного восприятия, позволяющее оценивать пропорцию чистого хроматического цвета в полном цветовом ощущении, называется насыщенностью цвета. Более точно, насыщенность представляет собой число цветовых порогов, то есть едва заметных переходов (изменений), отделяющих данный цвет от белого, равной с ним светлоты. Спектральные цвета имеют максимальную насыщенность, а для белого цвета насыщенность равна нулю.

Цветовой тон, светлота и насыщенность не являются полностью взаимно независимыми. Так, например цветовой тон слегка изменяется при изменениях светлоты и насыщенности.

Цветовой тон и насыщенность характеризуют цветность светового потока, независимо от его светлоты. Таким образом, цвет может быть охарактеризован светлотой и цветностью.

Каждый из субъективных параметров цвета является качественным отражением в нашем сознании соответствующих физических (объективных) параметров светового потока, которыми являются: яркость L, доминирующая длина волны d – доминанта, и чистота цвета р.

Под доминирующей длиной волны цвета d понимают длину волны монохроматического света, цветовой тон которого такой же, как у данного цвета. Для пурпурного цвета под доминирующей длиной волны понимают длину волны дополнительного к нему монохроматического света и обозначают ее

d. Параметр d (d) оценивается в нм.

Под чистотой цвета (светового потока F) понимается относительное содержание в нем спектрального цвета (монохроматического светового потока F), то есть

где

, причем

– белый световой поток.

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ







2 2 2 2 2

1 1 1 1 1

; ; ;P dP P d Q Q d J J d N N d

    

   

    

        

    

Таким образом, параметр чистоты цвета р учитывает степень разбавления спектрального цвета белым.

Между объективными и субъективными параметрами существует качественное соответствие, но и полностью отождествлять их нельзя.

1.5. Энергетические и фотометрические характеристики лучистой энергии

Мощность лучистой энергии, протекающая через данную поверхность,

называется лучистым потоком (потоком лучистой энергии) Р через нее, единицей которого является ватт (Вт).

Излучаемая в единицу времени лучистая энергия (то есть мощность) с

единицы поверхности излучателя конечных размеров называется плотно- стью излучения (излучением) Q, а падающая на единицу поверхности в еди- ницу времени лучистая энергия (то есть мощность) называется плотностью облучения (иррадиацией) Н. Измеряются Q и Н в Вт/м2. Для оценки лучистой энергии излучателей применяют такие величины, как сила излучения J, представляющая собой поток энергии в единице телесного угла (Вт/ср), и лучи- стая яркость излучения поверхности (радиация) N, представляющая собой величину силы излучения с единицы площади проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения (Вт/(м2ср)).

Если на данной длине волны  мощность лучистой энергии dP создает-

ся спектром шириной d, то спектральной плотностью лучистой энергии (плотностью распределения лучистой мощности по спектру) Р называют величину

. (1.7)

Аналогично, если dQ, dH, dJ, dN создаются спектром шириной d, то

Q = dQ/d называется спектральной плотностью излучения, H = dH/d

называется спектральной плотностью облучения, J = dJ/d называется спектральной силой излучения, N = dN/d называется спектральной ярко- стью излучения (поверхности), размерности которых при d = 1 нм равны

соответственно Вт/(м2нм), Вт/(м2нм), Вт/(срнм) и Вт/(м2срнм). Графики зависимости этих величин от длины волны  называются спектрорадиомет-

рическими кривыми Р, Q, H, J, N. Из (1.7) получим

Здесь и ниже P – в ваттах, P – в Вт/нм.

Световым потоком F' называется поток лучистой энергии, оценивае-

мый по зрительному ощущению глазом стандартного наблюдателя МКО

<<< < Предыдущая 1 23 / 163 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]