Цветовые измерения

Цветовые измерения - методы измерения и количественного выражения цвета. Вместе с различными способами математического описания цвета цветовые измерения составляют предмет колориметрии. В результате цветовых измерений определяются 3 числа, т. н. цветовые координаты (ЦК), полностью определяющие цвет (при некоторых строго стандартизованных условиях его рассматривания).

Основой математического описания цвета в колориметрии является экспериментально установленный факт, что любой цвет при соблюдении упомянутых условий можно представить в виде смеси (суммы) определённых количеств 3 линейно независимых цветов, т. е. таких цветов, каждый из которых не может быть представлен в виде суммы каких-либо количеств 2 других цветов. Групп (систем) линейно независимых цветов существует бесконечно много, но в колориметрии используются лишь некоторые из них. Три выбранных линейно независимых цвета называют основными цветами; они определяют цветовую координатную систему (ЦКС). Тогда 3 числа, описывающие данный цвет, являются количествами основных цветов в смеси, цвет которой зрительно неотличим от данного цвета; это и есть ЦК данного цвета.

Экспериментальные результаты, которые кладут в основу разработки колориметрической ЦКС, получают при усреднении данных наблюдений (в строго определённых условиях) большим числом наблюдателей; поэтому они не отражают точно свойств цветового зрения какого-либо конкретного наблюдателя, а относятся к т. н. среднему стандартному колориметрическому наблюдателю.

Будучи отнесены к стандартному наблюдателю в определённых неизменных условиях, стандартные данные смешения цветов и построенные на них колориметрической ЦКС описывают фактически лишь физический аспект цвета, не учитывая изменения цветовосприятия глаза при изменении условий наблюдения и по др. причинам (см. Цвет).

Когда ЦК какого-либо цвета откладывают по 3 взаимно перпендикулярным координатным осям, этот цвет геометрически представляется точкой в трёхмерном, т. н. цветовом, пространстве или же вектором, начало которого совпадает с началом координат, а конец — с упомянутой точкой цвета. Точечная и векторная геометрическая трактовки цвета равноценны и обе используются при описании цветов. Точки, представляющие все реальные цвета, заполняют некоторую область цветового пространства. Но математически все точки пространства равноправны, поэтому можно условно считать, что и точки вне области реальных цветов представляют некоторые цвета. Такое расширение толкования цвета как математического объекта приводит к понятию т. н. нереальных цветов, которые невозможно как-либо реализовать практически. Тем не менее с этими цветами можно производить математические операции так же, как и с реальными цветами, что оказывается чрезвычайно удобным в колориметрии. Соотношение между основными цветами в ЦКС выбирают так, что их количества, дающие в смеси некоторый исходный цвет (чаще всего белый), принимают равными 1.

Своего рода «качество» цвета, не зависящее от абсолютной величины цветового вектора и называется его цветностью, геометрически удобно характеризовать в двумерном пространстве — на «единичной» плоскости цветового пространства, проходящей через 3 единичные точки координатных осей (осей основных цветов). Линии пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями образуют на ней равносторонний треугольник, в вершинах которого находятся единичные значения основных цветов. Этот треугольник часто называют треугольником Максвелла. Цветность какого-либо цвета определяется не 3 его ЦК, а соотношением между ними, т. е. положением в цветовом пространстве прямой, проведённой из начала координат через точку данного цвета. Другими словами, цветность определяется только направлением, а не абсолютной величиной цветового вектора, и, следовательно, её можно характеризовать положением точки пересечения этого вектора (либо указанной прямой) с единичной плоскостью. Вместо треугольника Максвелла часто используют цветовой треугольник более удобной формы — прямоугольный и равнобедренный. Положение точки цветности в нём определяется двумя координатами цветности, каждая из которых равна частному от деления одной из ЦК на сумму всех 3 ЦК. Двух координат цветности достаточно, т.к. по определению сумма её 3 координат равна 1. Точка цветности исходного (опорного) цвета, для которой 3 цветовые координаты равны между собой (каждая равна 1/3), находится в центре тяжести цветового треугольника.

Представление цвета с помощью ЦКС должно отражать свойства цветового зрения человека. Поэтому предполагается, что в основе всех ЦКС лежит т. н. физиологическая ЦКС. Эта система определяется 3 функциями спектральной чувствительности 3 различных видов приёмников света (т. н. колбочек), которые имеются в сетчатке глаза человека и, согласно наиболее употребительной трёхцветной теории цветового зрения, ответственны за человеческое цветовосприятие. Реакции этих 3 приёмников на излучение считаются ЦК в физиологической ЦКС, но функции спектральной чувствительности глаза не удаётся установить прямыми измерениями. Их определяют косвенным путём и не используют непосредственно в качестве основы построения колориметрических систем.

Свойства цветового зрения учитываются в колориметрии по результатам экспериментов со смешением цветов. В таких экспериментах выполняется зрительное уравнивание чистых спектральных цветов (т. е. цветов, соответствующих монохроматическому свету с различными длинами волн) со смесями 3 основных цветов. Оба цвета наблюдают рядом на 2 половинках фотометрического поля сравнения. По достижении уравнивания измеряются количества 3 основных цветов и их отношения к принимаемым за 1 количествам основных цветов в смеси, уравнивающей выбранный опорный белый цвет. Полученные величины будут ЦК уравниваемого цвета в ЦКС, определяемой основными цветами прибора и выбранным опорным белым цветом. Если единичные количества красного, зелёного и синего основных цветов обозначить как (К), (З), (С), а их количества в смеси (ЦК) — К, З, С, то результат уравнивания можно записать в виде цветового уравнения: Ц* = К (К) + З (З) + С (С). Описанная процедура не позволяет уравнять большинство чистых спектральных цветов со смесями 3 основных цветов прибора. В таких случаях некоторое количество одного из основных цветов (или даже двух) добавляют к уравниваемому цвету. Цвет получаемой смеси уравнивают со смесью оставшихся 2 основных цветов прибора (или с одним). В цветовом уравнении это учитывают переносом соответствующего члена из левой части в правую. Так, если в поле измеряемого цвета был добавлен красный цвет, то Ц* = — К (К) + З (З) + С (С). При допущении отрицательных значений ЦК уже все спектральные цвета можно выразить через выбранную тройку основных цветов. При усреднении результатов подобной процедуры для нескольких наблюдателей были получены значения количеств 3 определённых цветов, требующиеся в смесях, зрительно неотличимых от чистых спектральных цветов, которые соответствуют монохроматическим излучениям одинаковой интенсивности. При графическом построении зависимостей количеств основных цветов от длины волны получаются функции длины волны, называемые кривыми сложения цветов или просто кривыми сложения.

Кривые сложения играют в колориметрии большую роль. По ним можно рассчитать количества основных цветов, требуемые для получения смеси, зрительно неотличимой от цвета излучения сложного спектрального состава, т. е. ЦК такого цвета в ЦКС, определяемой данными кривыми сложения. Для этого цвет сложного излучения представляют в виде суммы чистых спектральных цветов, соответствующих его монохроматическим составляющим (с учётом их интенсивности). Возможность подобного представления основана на одном из опытно установленных законов смешения цветов, согласно которому ЦК цвета смеси равны суммам соответствующих координат смешиваемых цветов. Т. о., кривые сложения характеризуют реакции на излучение 3 разных приёмников излучения. Очевидно, что функции спектральной чувствительности 3 типов приёмников в сетчатке глаза человека представляют собой кривые сложения в физиологической ЦКС. Каждой из бесконечно большого числа возможных ЦКС соответствует своя группа из 3 кривых сложения, причём все группы кривых сложения связаны между собой линейными соотношениями. Следовательно, кривые сложения любой из всех 1 возможных ЦКС можно считать линейными комбинациями функций спектральной чувствительности 3 типов приёмников человеческого глаза.

Фактически основой всех ЦКС является система, кривые сложения которой были определены экспериментально описанным выше способом. Её основными цветами являются чистые спектральные цвета, соответствующие монохроматическим излучениям с длинами волн 700,0 (красный), 546,1 (зелёный) и 435,8 нм (синий). Исходная (опорная) цветность — цветность равноэнергетического белого цвета Е (т. е. цвета излучения с равномерным распределением интенсивности по всему видимому спектру). Кривые сложения этой системы, принятой Международной комиссией по освещению (МКО) в 1931 и известной под название международной колориметрической системы МКО RGB (от англ., нем. red, rot — красный, green, grun — зелёный, blue, blau — синий, голубой), показаны на рис. 1.

Рис.1 Кривые сложения (ЦКС МКО RGB)

Рис. 2 Кривые сложения (ЦКС МКО XYZ)

Кривые сложения системы МКО RGB имеют отрицательные участки (отрицательные количества основных цветов) для некоторых спектральных цветов, что неудобно при расчётах. Поэтому наряду с системой RGBМКО в 1931 приняла др. ЦКС, систему XYZ, в которой отсутствовали недостатки системы RGB и которая дала ряд др. возможностей упрощения расчётов. Основными цветами (X), (Y), (Z) системы XYZ являются нереальные цвета, выбранные так, что кривые сложения этой системы (рис. 2) не имеют отрицательных участков, а координата Y равна яркости наблюдаемого окрашенного объекта, т.к. кривая сложения у совпадает с функцией относительной спектральной световой эффективности стандартного наблюдателя МКО для дневного зрения. На рис. 3 показан график цветностей (цветовой треугольник) х, у системы XYZ. На нём приведены линия спектральных цветностей, линия пурпурных цветностей, цветовой треугольник (R) (G) (В) системы МКО RGB, линия цветностей излучения абсолютно чёрного тела и точки цветностей стандартных источников освещения МКО А, В, С и D. Цветность равноэнергетического белого цвета Е (опорная цветность системы XYZ) находится в центре тяжести цветового треугольника системы XYZ. Эта система получила всеобщее распространение и широко используется в колориметрии. Но она не отражает цветоразличительных свойств глаза, т. е. одинаковые расстояния на графике цветностей х, у в различных его частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между соответствующими цветами при одинаковой яркости.

Рис. 3 График цветностей

Создать полностью зрительно однородное цветовое пространство до сих пор не удаётся. В основном это связано с нелинейным характером зависимости зрительного восприятия от интенсивности возбуждения цветочувствительных фоторецепторов (приёмников света в сетчатке глаза). Предложено много эмпирических формул для подсчёта числа цветовых различий (порогов цветоразличения) между разными цветами. Более ограниченная задача — создание зрительно однородного графика цветностей — приблизительно решена. МКО в 1960 рекомендовала такой график u, v, полученный в 1937 Д. Л. Мак-Адамом путём видоизменения графика, предложенного Д. Б. Джаддом (оба — США) на основании многочисленных экспериментальных данных.

Для подсчёта числа порогов цветоразличения dE между разными цветами в настоящее время (1970-е гг.) по временной рекомендации МКО используется эмпирическая формула Г. Вышецкого:

формула Г. Вышецкого

где

W =25Y1/3 — 17,
U =13W (u — u0),
V = 13W (v — v0).

Здесь u0, v0 — цветность опорного белого цвета,
Y — коэффициент отражения в данной точке объекта в %.

Описание, приведённое выше, показывает, что цель процесса измерения цвета — определение его ЦК в некоторой ЦКС. Чаще всего это — стандартная колориметрическая система МКО XYZ.

Когда цвет (при объективных цветовых измерениях всегда имеется в виду цвет окрашенного предмета или источника света) представлен спектральным распределением излучения (испускаемого источником, либо отражённого или пропущенного предметом), то для нахождения его ЦК нужно использовать кривые сложения как взвешивающие функции, оценивающие это излучение. Такая оценка может выполняться двумя путями.

Первый путь (т. н. спектрофотометрический метод цветовых измерений) состоит в измерении спектрального распределения энергии излучения и последующем расчёте ЦК при перемножении найденной функции спектрального распределения на 3 функции сложения и интегрировании произведений. Если Е(l) — функция спектрального распределения источника, r(l)— функция спектрального отражения или пропускания предмета, формула, формула, формула — функции сложения, то ЦК X, Y, Z определяются следующим образом:

формула

формула

формула

(интегрирование проводится в диапазоне длин волн видимого излучения — от 380 до 760 нм). Практически интегрирование заменяют суммированием через интервал dl (от 5 до 10 нм), т. к. подынтегральные спектральные функции обычно неудобны для интегрирования:

формула

и т.д.

Спектральное распределение излучения и спектральную характеристику отражения (пропускания) измеряют, разлагая свет в спектр, например в спектрофотометре или монохроматоре. Кривые сложения задаются в виде таблиц значений удельных координат через 5 или 10 нм. Имеются также таблицы величин Е(l) формула и т. д. для стандартных источников света МКО А, В, С, D, представляющих наиболее типичные условия естественного (В, С и D) и искусственного (А) освещения.

Второй путь цветовых измерений на основе кривых сложения — это анализ излучения с помощью 3 приёмников света, характеристики спектральной чувствительности которых совпадают с кривыми сложения. Каждый такой светоэлектрический преобразователь выполняет действия перемножения 2 спектральных функций и интегрирования произведений, в результате чего на его выходе электрический сигнал равен (при соответствующей калибровке прибора) одной из ЦК. Подобные цветоизмерительные приборы называются фотоэлектрическими (или объективными) колориметрами. Они оценивают результирующее излучение, учитывая как избирательное отражение (или пропускание) несамосветящихся предметов, так и освещение, т. е. прибор «видит» то, что видит глаз. Основной трудностью при изготовлении фотоэлектрических колориметров является достаточно точное «формирование» кривых сложения, для чего обычно подбирают соответствующие светофильтры. Если прибор предназначен для работы с кривыми сложения формула, , , то наиболее трудно сформировать двугорбую кривую (рис. 2). Обычно каждая из её ветвей формируется отдельно; тогда прибор содержит 4 канала (светофильтра). Иногда в колориметрах используют др. ЦКС, все кривые сложения в которой одногорбые. Один из каналов колориметра одновременно может служить яркомером. Часто в таких приборах предусматривается расчёт координат цветности. Максимальная точность цветовых измерений фотоэлектрическими колориметрами по цветности в координатах х, у составляет от 0,002 до 0,005.

Другой принципиальной возможностью цветовых измерений является прямое определение ЦК.

Естественно, что это возможно не всегда, т.к. в общем случае цветовые ощущения возбуждает световое излучение произвольного спектрального состава, а ЦК физически не существует. Прямое измерение ЦК возможно в трёхцветных аддитивных устройствах создания цвета, используемых, например, для воспроизведения цветных изображений. Основные цвета такого устройства определяют ЦКС, и их количества в смеси, дающей некоторый цвет, и есть ЦК этого цвета в ЦКС устройства. Пример такого устройства — трёхцветный кинескоп, в котором раздельное управление свечениями 3 люминофоров обеспечивает получение всего множества цветов, цветности которых заключены в пределах цветового треугольника, определяемого основными цветами кинескопа (цветностями свечений люминофоров, см. Цветное телевидение). Для непосредственного измерения количеств 3 основных цветов в цвете смеси, воспроизводимом на экране кинескопа, т. е. ЦК в ЦКС кинескопа, можно использовать фотоэлектрический приёмник излучения с произвольной спектральной чувствительностью, лишь бы она не выходила за пределы видимого спектра. Измерительным прибором, подключенным к такому приёмнику, достаточно поочерёдно замерить интенсивности свечения отдельных люминофоров кинескопа. (При измерении интенсивности свечения красного люминофора «отключаются» лучи, возбуждающие зелёный и синий цвета, и т.д.) Калибровка подобного прибора состоит в снятии его показаний при поочерёдном измерении интенсивностей свечения 3 люминофоров после установки на экране опорного белого цвета, т. е. цвета с опорной цветностью ЦКС кинескопа и максимальной яркостью. В дальнейшем при измерениях разных цветов показания прибора делятся на показания для соответствующих основных цветов при опорном белом цвете. Результаты такого деления и будут ЦК в ЦКС кинескопа. Опорный белый цвет при калибровке устанавливается как можно более точно с помощью др. приборов (спектрофотометра, фотоэлектрического колориметра) или визуально по специальному эталону белого цвета. Точность установки опорного белого цвета при калибровке определяет точность последующих цветовых измерений. Получить значения ЦК в др. ЦКС (например, международных) можно, пересчитав показания прибора по формулам преобразования ЦК. Для вывода пересчётных формул нужно знать координаты цветности опорного белого цвета и основных цветов данного кинескопа, которые измеряют каким-либо др. методом. Большое преимущество такого непосредственного измерения ЦК по сравнению с цветовыми измерениями при помощи фотоэлектрического колориметра заключается в отсутствии необходимости формировать определённые кривые спектральной чувствительности фотоприёмника. Цветовые измерения по описанному способу можно выполнять и по полному цвету свечения экрана, без отключения лучей, возбуждающих отдельные люминофоры. В этом случае в приборе должно быть 3 светофильтра с произвольными, но различающимися спектральными характеристиками. В таком приборе каждый отсчёт представляет собой сумму 3 отсчётов однофильтрового прибора для всех 3 отдельных цветных свечений. Чтобы получить значения ЦК по 3 отсчётам трёхфильтрового прибора, используют пересчётную матрицу, элементы которой определяются при калибровке прибора. Калибровка состоит в поочерёдных измерениях каждым из каналов прибора каждого из цветных свечений люминофоров в отдельности после установки на экране опорного белого цвета. Указанный пересчёт, а также переход от ЦК в ЦКС кинескопа к международной ЦКС в приборе описываемого типа может производиться автоматически, с помощью специально встроенной электрической схемы. Т. о. можно получать отсчёты прямо в ЦКС кинескопа или в международной ЦКС.

ЦК определяют также при цветовых измерениях визуальными колориметрами. Наблюдатель, регулируя количества 3 основных цветов такого прибора, добивается зрительного тождества цвета смеси этих цветов и измеряемого цвета. Затем вместо последнего измеряют цвет смеси. А её ЦК есть просто количества основных цветов колориметра, отнесённые к количествам этих же цветов, входящих в смесь, которая даёт опорный белый цвет ЦКС колориметра. Измерить количества основных цветов в визуальном колориметре ещё легче, чем в цветном кинескопе. Достаточно прочесть показания 3 шкал, отградуированных по раскрытию щелей, пропускающих световые потоки соответствующих цветов к полю сравнения. Т. о., при использовании визуальных колориметров измеряется не непосредственно цвет образца, а его метамер — цвет смеси трёх основных цветов колориметра. Процесс зрительного уравнивания двух цветов служит при этом для получения такого метамера цвета образца, ЦК которого можно легко измерить. Достоинством визуального колориметрирования является высокая точность цветовых измерений. Недостатком — то, что получаемые результаты действительны для конкретного (выполняющего зрительное уравнивание двух цветов), а не для стандартного наблюдателя. Кроме того, этим методом трудно измерять цвета не отдельных образцов, а предметов.

Принцип зрительного сравнения измеряемого цвета с цветом, ЦК которого известны или могут быть легко измерены, используется также при цветовых измерениях с помощью цветовых атласов. Последние представляют собой наборы цветных образцов в виде окрашенных бумаг, которые систематизированы в определённом порядке. При сравнении с измеряемым цветом подбирается образец из атласа, наиболее близкий к нему. Измеренный цвет получает наименование этого образца в соответствии с принятой в данном атласе системой обозначений. Для выражения его в международной ЦКС все образцы атласа заранее измеряются в этой системе при определённом освещении. Измеряемые цвета желательно наблюдать при том же освещении. Цветовые атласы позволяют измерять цвета предметов, а не только специальных образцов, но дискретность набора цветов в атласе снижает точность измерений, которая дополнительно понижается из-за того, что условия зрительного сравнения здесь хуже, чем при визуальном колориметрировании. В СССР используют цветовые атласы Рабкина и ВНИИМ, в США широкое распространение получили измерения по атласу Манселла (Мензелла). Цветовые измереня с помощью цветовых атласов являются прикидочными и могут с успехом производиться там, где большая точность не нужна или где неудобно применять др. методы.

Выражение цвета в определённой ЦКС, т. е. при задании его ЦК (или яркости и координат цветности), универсально и наиболее употребительно. Но прибегают и к др. способам количественного выражения цвета. Примером может служить только что описанное выражение цвета в системе какого-либо цветового атласа. Ещё один такой способ — выражение цвета через его яркость, преобладающую длину волны и колориметрическую чистоту цвета. (Последние два параметра характеризуют цветность.) Достоинство этого способа заключается в близком соответствии 3 перечисленных параметров цвета привычным субъективным его характеристикам (см. Цвет) — соответственно светлоте, цветовому тону и насыщенности.

Было бы очень удобно характеризовать цветность одним числом. Но её двумерность требует для её выражения в общем случае двух чисел. Лишь для некоторых совокупностей цветностей (линий на графике цветностей) можно использовать одномерное выражение. Первая такая совокупность — чистые спектральные цвета и чистые пурпурные цвета, цветности которых определяются значениями преобладающей длины волны. Второй совокупностью, для которой возможно одномерное выражение, являются цветности излучения абсолютно чёрного тела, используемые для характеристики источников освещения с цветностями свечения, близкими к цветности белого цвета. Величина, определяющая положение точки на линии цветностей излучения чёрного тела (и цветности упомянутых источников), — цветовая температура, т. е. температура в градусах Кельвина абсолютно чёрного тела, при которой оно имеет данную цветность.

 

Лит.: Гуревич М. М., Цвет и его измерение, М. — Л., 1950; Кривошеев М. И., Кустарев А. К., Световые измерения в телевидении, М., 1973; Нюберг Н. Д., Измерение цвета и цветовые стандарты, М., 1933; Wright W. D., The measurement of colour, 3 ed., L., 1964; Wyszecky G., Stiles W. S., Color science, N. Y., 1967.

 


А. К. Кустарёв.

Статья была опубликована в “Большой Советской Энциклопедии” (БСЭ) 3-е изд., 1969-1978 гг.