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 2 34 / 164 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

1.5. Энергетические и фотометрические характеристики лучистой энергии

dF V dP V P d

  



  

2 2 2

1 1 1

F dF V dP V P d

  



   

  

О O O

П П П

F V P P F V P P

   



   



   



В В В

П П П

F V P P

   



   



   



О О В В

П П П П

;

F P F P F P F P



   



lg или lgDD   

(то есть обладающего спектральной чувствительностью V). Таким образом, монохроматический поток лучистой энергии dP с длиной волны  и шириной спектра d создает световой поток dF', равный

. (1.8)

Если же лучистая энергия состоит из спектра волн от 1 до 2, то эта

энергия создает световой поток, равный из (1.8) и (1.7)

Если F' = 1, то такой световой поток можно считать равным 1 свето-

ватту (сВт). Выражение (1.8) определяет световой поток F' в световаттах.

Понятие световатта в настоящее время в фотометрии употребляется крайне редко. Однако для целей колориметрии это понятие весьма удобно.

Из выражения (1.8) следует, что относительная видность V является

множителем, примененным для перехода от энергетических величин (Вт) к фотометрическим (сВт).

Для характеристики отражающих свойств поверхности на разных дли-

нах волн используется понятие спектрального коэффициента отражения поверхности  на данной длине волны:

где F'О и PО – отраженные, a F'П и PП – падающие световой и лучистый потоки на длине волны . Аналогично для характеристики пропускающих свойств полупрозрачных тел используется понятие спектрального коэффи-

циента пропускания  на данной длине волны:

где F'В и PВ – пропущенные телом световой и лучистый потоки на длине волны . Для оценки суммарного светового потока, отраженного или пропущенного телом и состоящего из ряда спектральных составляющих, используются понятия коэффициента отражения  и коэффициента пропускания

, определяемых выражениями

где F'О и PО – суммарные отраженные, a F'В и PВ – суммарные пропущенные световой и лучистый потоки.

Оптической плотностью называется величина

при  = 0, D = ; при  = 1, D = 0.

1. ЗРИТЕЛЬНОЕ ВОСПРИЯТИЕ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ

R G B

F F F F

   

  

 

R G B

dF F F F dP

   

  

R G B

V F F F



  

  

   

R G B R G B

dF KdF K F F F dP K F F F P d KV P d

  

      

         

   

2 2 2

1 1 1

2 2 2

1 1 1

R G B R G B

R G B

F dF K F F F dP K F F F P d

K F P d K F P d K F P d

  



  

     

        

  

    

  

Если при действии монохроматического излучения с длиной волны  и

мощностью 1 Вт три рецептора глаза воспринимают световые потоки (в световаттах) равные F'R (для рецептора, воспринимающего красную часть спектра), F'G (для рецептора, воспринимающего зеленую часть спектра) и F'В (для рецептора, воспринимающего синюю часть спектра), то полный монохроматический световой поток, воспринимаемый глазом, равен (в световаттах)

, (1.9)

так как согласно трехкомпонентной теории цветового зрения глаз суммирует ощущения, воспринятые отдельными рецепторами. Здесь величины F'R, F'G, F'В можно назвать спектральными чувствительностями отдельных рецепто-

ров глаза на длине волны . Если на глаз действует монохроматическое излучение мощностью dP, то ощущаемый глазом световой поток (в световаттах) из (1.9) равен

, (1.10)

так как (F'R + F'G + F'В) соответствует мощности излучения 1 Вт.

Из (1.10) и (1.8) получим

. (1.11)

Фотометрической единицей светового потока является люмен (лм). Если

К – коэффициент перехода от световатт к люменам, то световой поток в лю-

менах dF, созданный потоком dF' в световаттах, равен

Найдено экспериментально, что K = 683 лм/сВт.

Если излучение занимает спектр от 1 до 2, то общий световой поток F

в люменах, воспринимаемый глазом, равен сумме всех монохроматических световых потоков в этом спектре

где P – определяется выражением (1.7).

Из этого выражения видно, что бесчисленное количество комбинаций

составляющих, входящих под знак интеграла, дает данную величину светового потока F, причем каждой комбинации соответствует определенная цветность света. Если даны два световых потока, то их цветности будут одинаковыми, если отношение трех интегралов в (1.12) для одного светового потока будет соответственно равно отношению трех таких интегралов для другого светового потока. Это условие может выполняться и при различии в спектральном составе обоих потоков, так как величина интеграла может сохраняться при различных зависимостях Р от длины волны.

(1.12)

1.5. Энергетические и фотометрические характеристики лучистой энергии

F K V P d











Энергетически характеристики

Фотометрические характеристики

Величина

Единица

измерения

Величина

Единица

измерения

Лучистый поток Р

ватт

Световой поток F

люмен (лм)

Излучение

(плотность излучения) Q

ватт/м2

Светимость

(светность) R

люмен/м2

Плотность облучения

(иррадиация) Н

ватт/м2

Освещенность Е

люкс (лк)

Сила излучения J

ватт/стерадиан

Сила света I

кандела (кд)

Лучистая яркость поверхности

(радиация) N

ватт/

(м2стерадиан)

Яркость L

кандела/м2

Подставив (1.11) в (1.12), получим

Произведение КV называется видностью потока лучистой энергии. На  = 555 нм, V = 1 и 1 Вт потока лучистой энергии дает на этой длине

волны световой поток 683 лм желто-зеленого цвета.

Энергетические характеристики потока лучистой энергии определяют

соответствующие его фотометрические (то есть световые) характеристики, как показано в табл. 1.6.

Т а б л иц а 1.6

Энергетические и фотометрические характеристики лучистой энергии

2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ

2.1. Принципы систематизации и количественного выражения цветов

Широкое использование цвета в повседневной жизни, науке и технике потребовало решения ряда практических и теоретических задач, связанных с его количественным описанием (вычислением цветовых параметров), с повышением точности воспроизведения требуемых цветов.

В практической деятельности и научных исследованиях в основном применяются два способа систематизации и определения физических параметров цвета. Первый способ – цветных эталонов, второй – измерительный

или колориметрический.

В способе цветных эталонов заранее изготовляют наборы закрасок. Их издают в виде атласа цветов (цветового каталога – систематизированного набора образцов цвета). Различные цветовые атласы широко используются в колориметрии для визуального определения и стандартизации исследуемого цвета путем сопоставления анализируемого цветного образца с цветными эталонами, определенным образом систематизированными в атласе. Подбор цветного эталона атласа к цвету рассматриваемого объекта производится путем непосредственного зрительного сравнения этих цветов [6].

Закраски в атласе цветов располагаются по определенной системе в виде цветных таблиц или шкал цветов. Образцы цветов располагаются в атласе обычно так, чтобы близкие цвета находились на небольшом расстоянии друг от друга и, чтобы ощущение величины различия между смежными цветами было везде приблизительно одинаковым.

В практической деятельности в настоящее время находит применение несколько атласов цветов. Например, для целей живописи используется атлас Д. Тейлора, составленный по системе Ф.В. Оствальда (1920), в котором шкала яркости построена по логарифмическому закону, что создает впечатление одинаковых изменений яркости между ступенями шкалы. В системе Ф.В. Оствальда каждый цвет рассматривается как смесь высоко насыщенного цвета с ненасыщенным белым и черным.

В России достаточно хорошо известны Атлас архитектурных цветов и атлас Е.Б. Рабкина, содержащий таблицы, данные которых определяются сечениями цветового тела полуплоскостями с общей осью серого. В каждой таблице имеется более 50 образцов цветов, расположенных в равностороннем треугольнике.

2.1. Принципы систематизации и количественного выражения цветов

Широко известен цветовой атлас американского художника и исследователя, одного из первых разработчиков системы выражения цветов при помощи атласа А. Манселла (начало XX века), в котором шкала яркости построена по квадратичному закону. Атлас А. Манселла содержит систематизированный набор стандартных 3500 цветов, представленный в трехмерном пространстве цветового тона, светлоты и насыщенности. Каждый цвет имеет имя и воспринимается как «равноудаленный» в цветовом пространстве (по мнению многих наблюдателей) от своих соседей, то есть цветовое пространство равномерно «покрыто» стандартными цветами. Цветовой атлас А. Манселла построен по принципу сечения цветового пространства рядом плоскостей. При этом яркость образцов имеет 11 ступеней (градаций) от белого до черного, а цветность разбита на 15 ступеней [8].

В 1982 году появилась система классификации образцов цвета Coloroid, предложенная венгерским ученым А. Немчичем, которая передает «эстетическую непрерывность цветового пространства» и основана на трех базовых понятиях: цветового тона, насыщенности и яркости. Система Coloroid очень удобна для ее использования дизайнерами, которым необходимо подбирать гармоничные соотношения цветов. В России в большинстве случаев используется «1000-цветный Атлас стандартных образцов цвета», разработанный и выпускаемый НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева (Всероссийский научноисследовательский институт метрологии) (атлас Е.Н. Юстовой).

Таким образом, различные атласы широко используются в колориметрии для систематизации и количественного выражения цветов визуальным способом.

Художники пользуются иными принципами и характеризуют цвета как различные разбелы, оттенки и тона предельно насыщенных или чистых пигментов. Разбел получается при добавлении белого пигмента к чистому пигменту, при этом уменьшается насыщенность. Оттенок получается при добавлении черного пигмента к чистому пигменту, в результате чего снижается светлота. Тона получаются при добавлении черного и белого пигментов к чистому пигменту. Во всех этих случаях получаются различные цвета одного и того же цветового тона, отличающиеся насыщенностью и светлотой. При смешивании только черного и белого пигментов получаются серые цвета.

Современные графические редакторы имеют электронные аналоги выше рассмотренных атласов цветов – так называемые Swatch Libraries. Наиболее известные библиотеки выпускают фирмы Trumatch и Pantone. Но этого недостаточно, так как различные периферийные устройства (дисплеи, принтеры, плоттеры, сканеры) имеют различные характеристики цветопередачи (и, что хуже всего, изменяющиеся). Несколько улучшить ситуацию может использование специальной калибровочной аппаратуры.

Количественное выражение цветов в колориметрическом способе непосредственно связано с объективными характеристиками цвета: яркостью, доминирующей длиной волны и чистотой света.

2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ

В колориметрическом способе для определения цветовых координат требуются достаточно сложные приборы – колориметры. Если координаты вычисляются по спектральным составам излучений, необходим спектро- фотометр для их измерения. Само вычисление координат очень трудоемко. Цвет выражается тремя отвлеченными числами-координатами, которые непосредственно не связаны с характеристиками цветовых ощущений. Поэтому нельзя представить изменения цвета при варьировании цветовых координат. Этот недостаток в известной мере устраняется, когда по измеренным координатам точки цветов наносят на цветовой график, и когда используется система параметров «доминирующая длина волны – чистота цвета», которая основана на колориметрических измерениях и графическом выражении цветностей.

Каждый из двух рассмотренных способов систематизации и количественного выражения цветов имеет свои достоинства и недостатки. Система цветных атласов отличается простотой и наглядностью. Для оценки цвета не требуется никаких приборов и вычислений. Цвет выражается в величинах цветовых ощущений, и можно непосредственно видеть его изменения при различных значениях этих величин. Цвета атласа можно сравнивать только с цветами поверхностей, рассматриваемых в отраженном свете. При использовании атласов необходима стандартизация освещения по уровню освещенности и цветовой температуре. Сравнение становится затруднительным уже при различии фактур поверхностей (глянцевая/матовая). Сравнить же цвет светофильтра с цветом атласа вовсе нельзя. Не представляется возможным при помощи атласа выразить и цвет источника света. При создании атласа очень важным является обеспечение стабильности цвета образцов во времени. Одним из существенных недостатков атласов является зависимость цвета образцов от структуры их поверхности и условий освещения.

Колориметрический способ отличается бóльшей универсальностью, чем способ цветовых атласов. Колориметрическим способом можно выразить цвет любого излучения независимо от его происхождения: источник света, свет, рассеянный при прохождении через среду или отраженный от поверхности, в том числе и от поверхности накрасок атласов. Выражение цвета тремя числами просто и точно. Если эти три числа каким-либо образом определены, то по ним можно найти точку на цветовом графике и получить представление о цветовом ощущении. Более того, по заданным величинам координат представляется возможным опытным путем воспроизвести цвет. Используя численные значения координат, достаточно просто проверить цветовые расчеты: определить координаты цветов, получаемых смешиванием нескольких цветов, координаты которых известны; установить величину различий между цветами [9, 10].

Указанные достоинства колориметрического способа, особенно универсальность и точность, сделали его наиболее распространенным способом систематизации и количественного описания цветов.

2.1. Принципы систематизации и количественного выражения цветов

r g b m









  













  













  





В настоящее время известно достаточно большое количество систем координат для измерения параметров цвета и цветности. В телевидении, например, наибольшее распространение получили колориметрические системы основных цветов RGB и XYZ (МКО-31).

2.2. Колориметрическая система координат основных цветов R, G, B

Особо следует отметить, что для чистых спектральных цветов нельзя

получить цветового равенства (1.6) ни при каких значениях основных цветов R, G, B. Согласование для этих цветов наступает лишь тогда, когда один из основных цветов переносится на сторону исследуемого цвета.

В случае переноса в сторону исследуемого цвета, например красной со-

ставляющей, цветовое уравнение принимает следующий вид: f′F + r′R = g′G + b′B,

или f′F = –r′R + g′G + b′B.

Таким образом, при описании некоторых цветов с помощью уравнения

(1.6) коэффициенты r′, g′, b′ могут иметь отрицательные значения. Это позволяет расширить применимость форм цветного уравнения (1.6), показывающего, что в общем случае цвет определяется тремя независимыми переменными r′, g′, b′, что подтверждает его трехмерность.

Знание численных значений цветовых коэффициентов r′, g′, b′ полно-

стью определит воздействующее на глаз излучение и количественно, и качественно. Для определения только качественной характеристики светового потока цветности F достаточно знать не абсолютные, а относительные количества основных цветов r, g, b, определяемые из следующих выражений [3]:

где m = r′ + g′ + b′ – цветовой модуль.

Очевидно, что r + g + b = 1. Символы r, g, b носят названия координат

цветности.

Сопоставление результатов измерения цвета возможно лишь при единой колориметрической системе, оперирующей вполне определенными основными цветами. При выборе трех реальных излучений первичных цветов учитывались характеристики цветового зрения большой группы людей с нормальным зрением. Поэтому в целях устранения неопределенности измерения

2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ

   

r P r d

g P g d

b P b d







   

  





   

   



   







     

,,r g b  

цвета МКО в 1931 году по результатам статистических экспериментов стандартизовала в качестве основных цветов – три монохроматических излучения с длинами волн R = 700 нм, G = 546,1 нм и B = 435,8 нм. Выбор двух последних значений длин волн особенно удачен с точки зрения их практической реализации, так как они соответствуют мощным спектральным линиям паров ртути. При этом выбранные основные цвета удобны тем, что два из них R и B близки к краям видимого спектра, а третий G – к его середине, поэтому каждый из них действует преимущественно на свою группу рецепторов.

Координаты цвета r′, g′, b′ любого сложного излучения могут быть определены, если известен спектральный состав этого излучения P(λ):

(2.1)

где λ1, λ2 – границы светового диапазона электромагнитных колебаний.

Величины

представляют собой цветовые свойства

среднего наблюдателя, фиксирующего достижения цветового равенства (1.6), которые были стандартизированы МКО в 1931 г. на основе экспериментальных исследований. Цветовые свойства наблюдателей были стандартизованы для монохроматического излучения мощностью 1 Вт во всем видимом диапазоне длин волн. В результате были получены удельные координаты или удельные цветовые коэффициенты. Графические зависимости удельных координат цвета или кривые смешения изображены на рис. 2.1.

При этом было установлено, что с помощью реальных красного, зеленого и синего цветов можно получить все цветовые тона, но чистота их всегда будет меньше 100%.

Рис. 2.1. Удельные координаты цвета в системе RGB

2.2. Колориметрическая система координат основных цветов R, G, B

Отрицательные участки ординат кривых смешения показывают, что в цветовом уравнении (1.6) величины r′, g′, b′ для чистых спектральных цветов имеют отрицательные значения. Это показывает невозможность получения чистых спектральных цветов смешением основных реальных цветов RGB. Отрицательные координаты затрудняют расчеты цвета излучения по его спектральному составу. Вторым недостатком системы RGB является необходимость расчета всех трех компонентов цвета при определении его яркости. Поэтому в 1931 г. МКО была принята более удобная колориметрическая система нереальных цветов XYZ, которая используется для выполнения всех расчетов, связанных с воспроизведением цвета в телевидении и в видеотехнике.

2.3. Колориметрическая система XYZ (МКО-1931 г.)

2.3.1. Общая характеристика стандартной системы

основных цветов XYZ

Колориметрическая система основных цветов XYZ имеет чисто расчетное, то есть практическое значение.

В основу построения системы XYZ были положены следующие условия:

1. Удельные координаты – кривые смешения не должны иметь отрица-

тельных ординат, то есть все реальные цвета определяются положительными значениями модулей основных цветов выбранной координатной системы.

2. Количественная характеристика цвета – яркость – должна полностью

определяться одним его компонентом.

3. Координаты белого цвета равноэнергетического излучения Е должны

быть равными.

Для обеспечения данных требований в качестве основных цветов были выбраны три теоретических (реально невоспроизводимых) цвета XYZ, так как они более насыщенные, чем спектральные цвета, что физически неосуществимо. Координатная система XYZ выбрана так, чтобы векторы основных цветов находились в цветовом пространстве вне тела реальных цветов. Оси X, Y, Z являются ортогональной декартовой системой координат осей в цветовом пространстве – координата Y полностью определяется яркостью цвета, а два других основных цвета X и Z лежат в плоскости нулевой яркости.

Благодаря такому выбору линия спектральных цветов находится полностью внутри цветового треугольника xyz и все значения коэффициентов будут только положительными. При этом основные цвета X, Y и Z, как лежащие за пределами пространства реальных цветов, являются цветами символическими и служат лишь для выражения (описания) сложных цветов (смеси).

В соответствии с рекомендацией МКО переход от основных цветов RGB (цветов У. Райта) к цветам XYZ осуществляется (рассчитывается) по формулам (2.2). Причем, X соответствует мнимому (реально несуществующему) красному, Y – мнимому зеленому и Z – мнимому синему цвету.

2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ

0,49000 0,31000 0,20000 , 0,17697 0,81240 0,01063 , 0,00000 0,01000 0,99000 .

X R G B Y R G B Z R G B

  

 

  

 

  



0,49000 0,31000 0,20000 0,17697 0,81240 0,01063 0,00000 0,01000 0,99000

XR YG ZB

           



           

 

x 

 

y 

 

z 

     

780

380

780

380

780

380

X P k x d

Y P k y d

Z P k z d



      

  

      

  

      

 



(2.2)

Более сокращенно зависимости цветовых компонент в системе первич-

ных цветов МКО от цветовых компонент того же цвета в системе RGB можно записать в матричной форме:

где R, G, B – основные цвета с длинами волн 700; 546,1 и 435,8 нм [11].

Используемые в системе XYZ графики удельных координат (кривые

смешения)

, рассчитанных по выражениям (2.2), показа-

ны на рис. 2.2.

Аналитическое определение значений основных цветов X, Y и Z рас-

сматриваемого объекта производится путем оценки интенсивности отраженного света во всем видимом участке спектра P(), осуществляемой с помощью вычисления следующих интегралов [6]:

(2.3)

где k () – спектральные характеристики отражения исследуемых (рассматриваемых) образцов.

В практических расчетах математическую операцию интегрирования в

системе выражений (2.3) обычно заменяют сложением с шагом , то есть

Рис. 2.2. Удельные координаты цвета в системе XYZ

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 164 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]