Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цветоведение телевизионных систем. Монография
.pdf
2.3. Колориметрическая система XYZ (МКО-1931 г.)
61
Рис. 2.16. Цвета крупных, средних и мелких деталей, воспринимаемые глазом
Явление тританопного восприятия цветов нормальным глазом при
размере предметов в 20 угловых минут схематически поясняется рис. 2.16.
На диаграмме цветности показаны четыре цвета Ц1, Ц2, Ц3, Ц4 предметов
достаточно крупных размеров. При уменьшении их размеров цвета Ц1 и Ц2
превращаются в цвет Ца, а цвета Ц3 и Ц4 – в цвет ЦВ, где цвета Ца и ЦВ представляют собой смесь оранжевого и голубого цветов.
При дальнейшем уменьшении размеров ощущение цвета теряется, и
предметы человеком воспринимаются серыми – точка W на рис. 2.16.
Направление ОГ на рис. 2.16 получило в дальнейшем в цветном телевидении
название оси I, а направление, по которому цветности приближаются к оси I,
называется осью Q.
Таким образом, по мере уменьшения размеров предметов их цвета из-
меняются вначале по оси Q, приближаясь к оси I. Затем цвет изменяется
вдоль оси I, приближаясь к точке W.
2.4. Равноконтрастные цветовые системы МКО
Одним из существенных недостатков цветового пространства колориметрической системы XYZ является то обстоятельство, что одинаковым изменениям численных координат цвета не соответствуют равнозначные изменения цветовых ощущений. Иначе говоря, разница между двумя соседними
2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ
62
2 3 , , 1,5 0,5 0,5U X V Y W Y X Z
1 6 15 3M U V W X Y Z
23
42
,
15 3 6 1,5
63
,
15 3 6 1,5
1.
x
U X x
u
m m X Y Z y x
V Y Y y
v
m m X Y Z y x
w u v
1,5
,
42
,
42
1.
u
x
uv
v
y
uv
z x y
цветами, находящимися в одной области цветового графика xy МКО, будет
не так ощутима, как разница между двумя соседними цветами, находящимися в другой области графика. Например, область зеленых цветностей на графике xy МКО сильно растянута по сравнению с областью сине-фиолетовых и
пурпурных цветностей, что хорошо видно на рис. 2.13.
Ряд исследователей принялись решать данную проблему и предложили
различные проективные преобразования графика xy МКО, которые бы позволили получить равноконтрастный цветовой график, в максимальной степени
лишенный выявленных недостатков. При этом выяснилось, что полностью их
избежать практически невозможно, но можно свести к минимуму. По результатам многолетних исследований МКО в 1960 году временно утвердили в качестве такого графика равноконтрастную цветовую диаграмму, разработанную Д. Мак-Адамом.
В этом случае равноконтрастная диаграмма цветности может быть получена из диаграммы цветности xy путем замены основных цветов X, Y, Z другими основными цветами U, V, W с тем, чтобы сократить область зеленых
цветов, где эллипсы Мак-Адама (Джадда) имеют большие размеры, и расширить область синих цветов, где эти эллипсы имеют малые размеры.
Выбирают такое расстояние единичной плоскости в системе новых основных цветов U, V, W, чтобы все эллипсы на диаграмме цветности в системе
XYZ проецировались на этой плоскости из центра проекции в окружности
одинакового диаметра (проективное преобразование).
Равноконтрастную диаграмму цветности в прямоугольных координатах
u, v можно построить, используя известные линейные преобразования [6]:
откуда модуль цвета в системе U, V, W равен:
На основании выражений (2.14), (2.15) координаты цветности в системе
U, V, W округляются следующими дробно-линейными зависимостями:
Из соотношений (2.16) достаточно легко получить обратные преобразования:
, (2.14)
. (2.15)
(2.16)
2.4. Равноконтрастные цветовые системы МКО
63
0,405 0,116 0,133 ,
0,299 0,587 0,114 ,
0,145 0,827 0,627 ,
U R G B
V R G B
W R G B
Рис. 2.17. Равноконтрастная диаграмма цветности МКО-1960
(равные линейные отрезки на диаграмме соответствуют
равному различению между цветами одинаковой яркости)
Иногда на практике для выполнения цветовых расчетов целесообразно
применить следующие линейные уравнения:
которые устанавливают непосредственную связь между основными цветами
систем цветности RGB и UVW.
Для примера на рис. 2.17 приведена диаграмма цветности в прямоугольной системе координат u, v равноконтрастной системы UVW, основанной на
работах Мак-Адама и Д. Джадда. Данная диаграмма построена путем проективного преобразования диаграмм цветности ху. Рассматриваемая равноконтрастная диаграмма цветности, получившая название МКО-1960, является
достаточно точной. Например, длина отрезка, представляющего один цветовой порог, в тех же единицах, в которых оцениваются координаты u и v, равна в среднем 0,0038.
На этой диаграмме количество порогов, отделяющих данный цвет Ц от
локуса излучения абсолютно черного тела находят по длине L перпендикуляра, опущенного на этот локус из точки Ц. Длину l измеряют в тех же единицах, в которых даны координаты u и v, а затем делят на 0,0038. Частное
от деления дает число цветовых порогов в отрезке l (один цветовой порог
равен 10 MPCD (Minimum Perceptible Colour Difference – минимально воспринимаемое цветовое различие)). Если эллипсы Д. Мак-Адама или
Д. Джадда построить на равноконтрастной диаграмме, то равновеликих кругов на ней точно получить не удается, что подтверждает ее приближенный
характер.
2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ
64
13
* 25 17WY
Рис. 2.18. Пороги цветоразличения по У. Райту, построенные
на равноконтрастной диаграмме Д. Мак-Адама
У. Райт экспериментально определил и построил на равноконтрастной
диаграмме Д. Мак-Адама отрезки, равные трем порогам различения изменения цветности, как показано на рис. 2.18.
На рис. 2.18 отношение наиболее длинного отрезка к наиболее короткому равно 1:2 (на диаграмме xy это отношение равно 20:1).
Особо следует заметить, что рассмотренные принципы цветовых измерений и расчетов относятся к условию наблюдения цветовых полей достаточного крупного размера (более 30…40') и яркости, соответствующей оптимальным условиям восприятия изображения.
Оценка цвета мелких деталей отличается от восприятия цвета крупных
деталей, а цвета деталей изображения, размеры которых соизмеримы с разрешаемыми глазом, не различаются совсем, и они воспринимаются как серые. Эти свойства зрения используются при построении систем воспроизведения изображений.
При анализе искажений цветности необходимо учитывать следующее
обстоятельство: единичные изменения цветности и яркости должны восприниматься одинаково. Данному требованию отвечает равноконтрастная
система координат W*U*V*, разработанная Г. Вышецким (США) и реко-
мендованная в 1964 году МКО для оценки цветовых различий. В этой системе цвета размещаются в равноконтрастном (по визуальному восприятию изменений яркости и цветности) цветовом пространстве. Яркость цвета в этой системе характеризуется индексом яркости W*, который прямо
пропорционален воспринимаемой глазом яркости цвета, определяется
формулой, обеспечивающей равномерное восприятие градаций (различий)
яркостей [11]:
.
2.4. Равноконтрастные цветовые системы МКО
65
0
0
* 13 * ;
* 13 * ,
U W u u
V W v v
22
22
00
* * 13 *U V W u u v v
2 2 2
* * *E U V W
3
0
0
0
3
0
33
00
33
00
100
* 25 16,
* 13 * ,
* 13 * ;
* 116 16,
* 500 ,
* 200 ,
Y
L
Y
u L u u
v L v v
Y
L
Y
XY
a
XY
Yz
b
Yz
00
и uv
Величина W* близка к величине интенсивности цвета (value) в системе
Максвелла. Индексы хроматичности (аналогичные координатам цветности)
в этой системе обозначаются U* и V* и равны:
где u и v – координаты цветности в равноконтрастной системе МКО-1960, u0
и v0 – координаты цветности опорного белого цвета, помещенного в начале
диаграммы цветностей U*V*. Окружности с центром в начале этой системы
координат, для которых сумма (U*)2 + (V*)2 постоянна, представляют собой
линии постоянной насыщенности цвета. Зависимость U* и V* от W* соответствует изменению воспринимаемой насыщенности цвета при изменениях его
яркости при неизменных координатах цветности u, v (это явление имеет место в действительности). Для этих условий из приведенных выше формул
следует
. Для небольших
изменений цвета справедлива формула
,
где Е – различие цветов, вычисленное в тех же единицах, в которых даны
U*, V*, W*.
МКО LABUV является другим обозначением равноконтрастного цветового пространства W*U*V*. Причем система МКО LABUV является проек-
тивным равноконтрастным преобразованием системы МКО XYZ, поэтому
прямые линии, построенные на графике xy, будут передаваться прямыми на
графике U*V*.
В 1976 году после дальнейшего изучения различных цветовых пространств МКО рекомендовало две примерно равные равноконтрастные системы L*u*v* и L*а*b*, являющиеся модификациями цветового пространства W*U*V* (МКО LABUV) [16]:
и
где
ординаты и 1 Y 100.
– цветности излучателя белого цвета; X0, Y0, Z0 – его цветовые ко-
2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ
66
0
3
00
0
3
00
0
3
00
16
Если , то .
116
16
Если , то .
116
16
Если , то .
116
k x x
xx
xx
k Y Y
YY
YY
k z z
zz
zz
Где = 216/24389 и k = 24389/27.
В функцию L* в явном виде был введен коэффициент яркости Y0 белого
излучателя, который в подавляющем числе случаев равен 100, а константа 17
заменена на 16, что было сделано для того, чтобы при Y0 = 100 значение L*
также приближалось к 100. Обе формулы для расчета светлоты, которую
можно интерпретировать как показатель ощущения яркости (в отличие от коэффициента яркости Y, который является показателем энергетической яркости), используют кубический корень, что является хорошим аналитическим
выражением для описания зависимости ощущения яркости от значения энергетической яркости.
Рис. 2.19. График цветностей цветового пространства L*a*b* МКО
с нанесенными на него границами цветового охвата:
цветов с практически максимальным цветовым охватом (1);
колориметра У. Райта с широким цветовым охватом (2);
цветового пространства sRGB, включающего совокупность
цветов, воспроизводимых компьютерными мониторами,
принтерами и в Интернет-сайтах (3)
2.4. Равноконтрастные цветовые системы МКО
67
0,30 0,59 0,11
0,60 0,28 0,32
0,21 0,52 0,31
yr
ig
qb
Система L*a*b* является криволинейным преобразованием системы
МКО XYZ, поэтому прямые линии, построенные на графике xy, на графике
a*b* станут кривыми. Координаты a* и b* уже не являются независимыми
координатами цветности, поскольку в формулы для их определения включен
коэффициент яркости Y0 белого цвета.
Оба пространства строятся на графике откладыванием значений L*, u* и
v* и a* и b* на осях взаимно перпендикулярных координат, центральная ось
которых (координата L*) представляет собой равноконтрастную шкалу ахроматических цветов, для которой значения цветностей a* и b* равны нулю.
При этом координата a* описывает изменение цветности от зеленого (ось отрицательных значений координаты a*) до красного (ось положительных значений координаты a*) и b* описывает изменение цветности от синего (ось
отрицательных значений координаты b*) до желтого (ось положительных
значений координаты b*) (рис. 2.19).
Достоинством цветовой модели L*a*b* МКО (сокращенно МКО Lab),
определившим ее широкое использование в колориметрии и в различных
сферах промышленного производства, явилось то обстоятельство, что она
очень эффективно решила проблему разработки равноконтрастного цветового пространства.
2.5. Цветовые системы, неявляющиеся разработкой МКО
Цветовые системы, разработка которых проводилась не под эгидой
МКО, можно классифицировать на аппаратно-ориентированные системы
(YIQ, CMY, CMYK) и на интуитивные цветовые системы (HSV и HLS).
При анализе технических систем, связанных с воспроизведением и измерением цвета необходимо четко различать цветовые модели и цветовые
координатные системы: в первом случае речь идет о способе воспроизведения цветовых ощущений, а во втором – об измерении этих ощущений.
Система YIQ, в которой цвет представлен яркостной составляющей Y и
двумя искусственно сформированными цветоразностными составляющими I
и Q. Цветовая система YIQ заслуживает внимания из-за своей возможности
использования в цветном телевидении. Данная система предполагает специальный вариант кодирования базовых спектральных цветов RGB, осуществляемый с целью повышения эффективности передачи информации о координатах цвета по каналам связи. Аналитически переход от основных цветов системы RGB к цветам YIQ в матричной форме записывается следующим образом при условии, что приведенные коэффициенты матрицы соответствуют
цветовой температуре 6500К, характерной естественному освещению в солнечный день [11, 16]:
.
2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ
68
При этом следует иметь в виду, что координата Y в системе YIQ отображает
спектральное распределение энергии, соответствующее кривой спектральной
чувствительности глаза.
В цветовой модели YIQ используется свойство человеческого зрения –
бóльшая чувствительность к изменениям яркости, чем к изменениям доминирующей длины волны или чистоты цвета. Отсюда следует, что для представления координаты Y следует выделить бóльшую полосу частот (количество передаваемых бит в единицу времени), чем для отображения координат
I и Q, обеспечивая тем самым более высокое разрешение по Y. Кроме того,
объекты, занимающие маленькую площадь поля зрения, не вызывают ощущения цвета, они воспринимаются только в соответствии с их интенсивностью. Следовательно, для координат I и Q требуется меньшее пространственное разрешение, чем для координаты Y.
Системы CMY (CMYK). В машинной графике применяются две систе-
мы смешения основных цветов: аддитивная – основные цвета красный, зеленый и синий (RGB) и субтрактивная – основные цвета голубой, пурпурный и
желтый (Cyan, Magenta, Yellow – CMY) [9, 13]. Цвета одной системы являются дополнительными к другой: голубой – к красному, пурпурный – к зеленому, желтый – к синему. Дополнительный цвет – это разность белого и дан-
ного цвета: голубой – это белый минус красный, пурпурный – белый минус
зеленый, желтый – белый минус синий. Хотя красный можно считать дополнительным к голубому, по традиции красный, зеленый и синий считаются
основными цветами, а голубой, пурпурный, желтый – их дополнениями. Интересно отметить, что в спектре радуги или призмы пурпурного цвета нет, то
есть он порождается зрительной системой.
Для цветового анализа отражающих поверхностей, например, типографских красок, пленок и несветящихся экранов в большинстве случаев применяется субтрактивная цветовая система CMY. В субтрактивных системах из
спектра белого цвета вычитаются электромагнитные колебания дополнительного цвета. Например, при отражении или пропускании света сквозь
пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра. Если получившийся
свет отражается или преломляется в желтом объекте, то поглощается синяя
часть спектра и остается только красный цвет. После его отражения или преломления в голубом объекте цвет становится черным, так как при этом исключается весь видимый спектр. По такому принципу работают фотофильтры.
В случае цветовой модели CMY рассматривается то же цветовое пространство, что и для модели RGB, только в начале координат теперь находится не черный цвет (отсутствие света), а белый. В модели CMY цвета задаются
не теми величинами, которые добавляются к черному, а значениями, которые
вычитаются из белого.
Знание цветовой модели CMY оказывается полезным, когда приходится
иметь дело с полиграфическим производством.
2.5. Цветовые системы, неявляющиеся разработкой МКО
69
1
1
1
cr
mg
yb
Преобразование цветовой модели RGB в CMY и обратно достаточно
просто описывается в матричной форме [16]:
.
Субтрактивные цвета в отличие от аддитивных цветов получаются вычитанием какого-либо цвета из общего луча света. В этой системе белый цвет
появляется как результат отсутствия всех цветов, тогда как их присутствие
дает черный цвет. Система субтрактивных цветов работает с отраженным
светом, например, от листа бумаги.
При использовании трех основных субтрактивных цветов на белой бумаге в равной пропорции должен получиться черный цвет. Однако максимум, чего можно добиться смешиванием всех трех красок с максимальной
интенсивностью – это грязно-коричневого цвета. Объясняется это тем, что
применяемые на практике цветные красители по своим отражательным и поглощающим характеристикам оказываются далеко не столь идеальными, как
этого бы хотелось. Поэтому при цветной печати, как правило, не удовлетворяются черным цветом, который может быть получен с помощью трех основных цветов. Для повышения контрастности применяют еще чисто черный
краситель, который обеспечивает лучшее зачернение, чем любой черный, который мог быть получен печатью с наложением основных цветов. Поэтому
при печати в качестве печатных цветов применяют голубой, пурпурный,
желтый и черный цвета. Таким образом, цветовая модель CMY превратилась
в модель CMYK.
В аббревиатуре модели CMYK используется буква К для того, чтобы избежать путаницы, поскольку в английском языке с буквы В начинается не
только слово Black (черный), но и Blue (синий).
Заметим, что сетчатка человеческого глаза воспринимает цвет также в
соответствии с субтрактивной моделью. Как известно, солнечный свет содержит все видимые цвета. Когда солнечный свет падает на какой-либо объект,
часть цветов поглощается, а часть – отражается. Отраженный свет попадает в
глаз и образует изображение объекта. Например, огнетушитель выглядит ярко-красным лишь потому, что его поверхность почти полностью поглощает
весь синий и зеленый цвет, отражая только красный.
Принцип смешивания цветов модели CMYK поясняется рис. 2.20.
За время существования офсетного способа печати по модели CMYK было разработано большое количество всевозможных стандартов и способов
инструментальных измерений, но все они замкнуты в рамках данной цветовой модели и данного способа печати.
Несмотря на стандартизацию, разные печатные машины формируют несколько разное цветовое ощущение при одних и тех же исходных аппаратных данных. Сложность заключается в том, что если на двух разных высококлассных офсетных печатных машинах отпечатать голубым 35% площади,
2. АНАЛИЗ ЦВЕТОВЫХ СИСТЕМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЦВЕТНОСТИ
70
пурпурным 70%, желтым 95% и черным 5% (С = 35; М = 70; Y = 95; К = 5), то
цвета в результате не получатся идентичными. А если то же задание дать
принтеру, флексографской печатной машине или даже офсетному станку не
самого высокого класса, то мы получим принципиально разные цветовые
ощущения. Кроме того, большое значение имеет поверхность, на которой
производится печать, так как результаты цветовоспроизведения на различных материалах могут кардинально различаться. Поэтому, когда в файле мы
видим данные: С = 35; М = 70; Y = 95; К = 5, мы не можем сказать, какому
цвету они соответствуют. Для того чтобы узнать это, нам необходимо знать,
какой аппарат будет выполнять печать.
На рис. 2.21 представлен цветовой охват описанных моделей RGB и
CMYK. Из рисунка видно, что ни та, ни другая системы не позволяют получить цветовой охват, соответствующий человеческому глазу.
Рис. 2.20. Образование цветов в модели CMYK
Рис. 2.21. Сопоставление возможностей моделей
RGB и CMYK по графику CIE
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]