Метрология цвета

Диаграмма цветности xy

Одно из базисных положений стандартной колориметрической системы XYZ гласит: координаты цветности всех реальных цветов системы rgb должны лежать внутри треугольника цветности xyz. Точка белого цвета на диаграмме xy должна иметь координаты 0,33; 0,33 (как и на диаграмме rg), что соответствует равноэнергетическому источнику Е. Учитывая, что колориметрическая система XYZ была получена путем пересчета из RGB, такого положения белой точки удалось достичь. Кривые сложения rl, gl, bl также были преобразованы и в xl, yl, zl (рис. 1).

Рис. 1.
Кривые сложения xl, yl, zl..
Как видно из рисунка, кривая распределения координаты y соответствует кривой относительной спектральной чувствительности глаза n=.(l), что позволяет определять яркость одной этой координатой. Цвета X и Z не имеют яркости.

Рис. 2.
Локус в цветовом треугольнике xyz.

На рис. 2 представлен локус в цветовом треугольнике xyz. Как видно из рисунка, отрицательные координаты здесь отсутствуют. Нанеся сетку координат на локус, получим диаграмму цветности xy (рис. 3).

Рис. 3.
Диаграмма цветности xy.

При определении цветовых характеристик по диаграмме xy учитывают тип стандартного источника МКО, относительно которого и определяют параметры цвета.

О роли источника света можно судить по простому житейскому примеру. Покупая гвоздики в переходе метро, где освещение близко к источнику А, мы видим все цветы, как правило, одинаково красными. Но стоит выйти на улицу, как мы замечаем, что в букете есть светло-красные цветы, бордовые, - то есть начинаем замечать оттенки. Почему же это произошло? Все объясняется довольно просто: цвет изменился из-за того, что сменился источник света, хотя, конечно, окраска цветов осталась неизменной.

Рис. 4.
Линии цветов постоянного цветового тона на диаграмме цветности хy для равноэнергетического белого излучения (источник E).

Рис. 5.
Линии цветов постоянного цветового тона на диаграмме цветности хy для стандартного источника А.

На рис. 4 и 5 представлены линии цветов постоянного цветового тона на диаграмме xy для равноэнергетического источника Е и стандартного источника А. Если мы сравним цвета, выражаемые координатами, например, x=0,25, y=0,5, то увидим, что при источнике Е цвет будет зеленым, а при источнике А - голубым. Этот пример показывает, как состав излучения влияет на восприятие цветного объекта.

Понятие о цветовом охвате

Диаграмма xy в том виде, в каком она представлена на рис. 3, довольно часто встречается в литературе и используется для выделения или сравнения цветовых охватов мониторов, печатных красок и т. д. Цветовой охват - область на цветовом графике, охватывающая все цвета, которые могут быть воспроизведены с помощью того или иного процесса (печати, синтеза цвета на экране монитора и т. д.).

Рис. 6.
Схематическое построение цветового охвата для аддитивного (RGB) и субтрактивного (СMY) синтеза.

Как правило, цветовой охват монитора или телевизора изображают в виде треугольника. Поскольку образование цвета в этих устройствах основано на принципе аддитивного синтеза тремя основными R, G и B, то достаточно нанести координаты цветности этих цветов на диаграмму xy, соединить найденные точки прямыми линиями, и получим треугольник, внутри которого будут лежать все воспроизводимые этим устройством цвета (рис. 6).

В тех же случаях, когда используется субтрактивный синтез (в процессе печати красками, чернилами, красителями и т. д.), цветовой охват принимает форму шестиугольника. В нем помимо точек, соответствующих краскам синтеза желтой, пурпурной и голубой (триадных красок), наносятся точки, соответствующие цвету попарных наложений: желтая + голубая = зеленая; желтая + пурпурная = красная; голубая + пурпурная = синяя. Точки, соединенные прямыми, образуют область цветового охвата. Внутри нее находятся все цвета, которые могут быть воспроизведены данной триадой. Чем больше площадь охвата, тем большее количество цветов можно воспроизвести. Рассматривая положение области цветового охвата, можно определять, какие цвета в нее не входят.

Можно ли воспроизвести конкретным печатающим устройством с известными цветовыми характеристиками триады красок (чернил, красителей) тот или иной цветной оригинал? Особенно актуален этот вопрос при выводе на печать цветного изображения, полученного на мониторе. Дело в том, что чернила принтеров, тонеры, люминофоры мониторов, светочувствительные матрицы сканеров обладают, как правило, собственными цветовыми охватами, не совпадающими друг с другом. Более того, люминофоры двух мониторов (так же как, например, и чернила принтеров различных производителей) могут отличаться друг от друга цветовыми охватами.

В полиграфии с проблемами цветового охвата приходится сталкиваться при изготовлении цветопробы. Так вот, если цветовой охват, например, красок офсетной печати меньше цветового охвата цветопробы, то возможно получение пробного оттиска, соответствующего оттиску офсетному, без искажения результатов (рис. 7а).

Рис. 7.
Схематическое сравнение цветового охвата цветопробы и красок печати.

Однако если цветовой охват красок печатного процесса где-либо выходит за пределы цветового охвата цветопробы (рис. 7б, закрашенный участок), то ни при каких условиях невозможно воспроизведение цветов объекта, выходящих за пределы охвата.

Общие сведения о системе спецификации

С появлением возможности репродуцирования цветных изображений появилась необходимость в оценке точности воспроизведения вообще и цветовоспроизведения в частности. На начальном этапе развития процессов цветовоспроизведения оригиналов достаточно было словесной оценки "хорошо" или "плохо". Кстати, это нередко наблюдается и сейчас.

На любой выставке копировального или печатного оборудования вам предложат прекрасно выполненную, яркую рекламную продукцию. Но насколько воспроизведенное цветное изображение соответствует оригиналу, сказать трудно, - ведь у вас нет под рукой оригинала.

Однако необходимость в более объективной оценке точности цветовоспроизведения, нежели "хорошо - плохо", там, где процесс воспроизведения цвета поставлен на промышленную основу, является весьма актуальной. Такая оценка позволяла бы не только судить о соответствии воспроизводимого изображения оригиналу, но и давала бы возможность прогнозировать точность воспроизведения, а также программировать весь процесс.

Одним из самых простых путей, принятым для оценки цветовоспроизведения, следует считать создание системы спецификации цветов. Как правило, все системы спецификаций основаны на использовании наборов эталонов цвета, расположенных в определенной зависимости. Зная эту закономерность, легко отыскать тот или иной образец с цветом, близким к определяемому.

Принципиально все системы спецификаций основаны на использовании набора эталонов, сведенных в цветовые таблицы, называемые атласом цветов. Поскольку в них указываются также цветовые координаты определяемых цветов, то атласы можно считать также визуальным колориметром.

Основными достоинствами атласа цветов следует считать их наглядность, компактность и простоту использования. Недостатком является малая точность, обусловленная дискретным характером измерения и различием в спектральном составе источников освещения, при котором происходит сравнение цветов образца и атласа. Атласы цветов используются в тех случаях, когда нет необходимости в большой точности, но сам процесс измерения надо выполнить быстро и просто.

Систем спецификаций, предложенных для практического использования, в настоящее время довольно много. Наиболее удачной для оценки качества цветовоспроизведения принято считать систему Манселла. Она состоит из цветов, изменяющихся по трем независимым характеристикам: цветовому тону, насыщенности и светлоте. Шкала, составленная из этих трех характеристик, является пространственной, трехмерной. Иными словами, образуется некое цветовое тело.

В основе всякой системы спецификации цветов (в том числе и в системе Манселла) лежит цветовой круг. Цветовой круг Манселла содержит десять опорных цветов (рис. 8). Сектора круга разделены еще на десять частей, где в соответствующих точках расположены промежуточные цвета, близкие по тону к соответствующему опорному цвету. Цветовой круг Манселла является равноконтрастным как по цветовому тону, так и по насыщенности.

Рис. 8.
Схема построения цветового круга Манселла.

Светлота в цветовом теле Манселла определяется ахроматической осью, ступени которой (их тоже десять) различаются на постоянную величину.

Рис. 9.
Цветовое тело Манселла.

В идеале цветовое тело Манселла должно иметь форму цилиндра. Однако если провести произвольное сечение, перпендикулярное ахроматической оси, то получится не круг, а иная фигура. По мере уменьшения или увеличения уровня светлоты от некоторого среднего значения число цветов, различаемых по насыщенности, уменьшается. Причем характер изменения числа цветов зависит от цветового тона. По этой причине реальное цветовое тело Манселла имеет форму не цилиндра, а фигуры, несимметричной относительно вертикальной и горизонтальной оси (рис. 9).

Рис. 10.
Сечение пространства цветов атласа Манселла плоскостью равной яркости.

Атлас Манселла построен по принципу сечения цветового пространства рядом плоскостей. Обычно в атласах цветов дают сечения тела Манселла плоскостями, проходящими перпендикулярно (при одинаковой яркости) (рис. 10) и вдоль ахроматической оси (рис. 11). Каждое поле атласа обозначают тремя символами, характеризующими цветовой тон, степень светлоты и насыщенности.

Рис. 11.
Сечение пространства цветов атласа Манселла плоскостью,проходящей через ахроматическую ось.

Системы спецификаций позволяют с достаточной степенью точности определять количественное соотношение красок для получения необходимого цвета, то есть прогнозировать цвет будущей репродукции.

Однако оценка точности цветовоспроизведения с помощью атласа цветов все-таки является субъективной. На практике же требуется объективная и строгая оценка. Именно поэтому были созданы колориметрические системы, позволяющие с помощью математических зависимостей определять степень различия между цветами.

Равноконтрастная система и цветовой контраст

Рассмотренные выше колориметрические системы RGB и XYZ дают возможность определять с помощью цветовых координат характеристики цветов, что позволяет их воспроизвести. Однако дать визуальную оценку различия между цветами эти системы не позволяют. Например, мы знаем, что излучения с l=650 нм и l=680 нм будут красными. Но различает ли глаз эти излучения? С помощью колориметрических систем RGB и XYZ это определить невозможно, так как эти системы, будучи неравноконтрастными, не дают информации о степени различия близких цветов, особенно контрастирующих по цветовому тону.

Однако количественное выражение цветовых различий имеет большое практическое значение. Например, очень часто требуется оценить точность цветовоспроизведения многокрасочного оттиска или цветопробы по отношению к цветному оригиналу. Измерение малых цветовых различий в этом случае дает возможность объективно оценивать точность цветопередачи и предупреждать возможные ошибки.

Основой для оценки малых цветовых различий является возможность представления цвета в цветовом пространстве. Если цвета близки, то точки, выражающие эти цвета, будут располагаться в пространстве недалеко друг от друга. С увеличением расстояния между точками будут увеличиваться и различия между цветами. Выбрав единицу длины, соответствующую одному порогу цветоразличия, можно выражать различие между цветами числом порогов цветоразличия. Это число показывает количество промежуточных цветов, мало отличающихся друг от друга, расположенных между сравниваемыми цветами.

Впервые пороги цветоразличия, или, другими словами, цветовые пороги, были описаны Джаддом, который определил их расположение на диаграмме xy. Джадд установил, что точки цветов, минимально отличимых от данного цвета, образуют эллипс. Такие эллипсы были названы пороговыми.

Позднее Мак-Адам установил, что цветовой порог зависит не только от положения опорной точки на графике xy, но и от направления изменения цветности (рис. 12). В верхней части диаграммы xy порог увеличивается больше с изменением координаты y. Минимально ощутимое изменение цветности в этом секторе диаграммы выражено довольно далеко отстоящими друг от друга точками. В нижней области цветового графика xy две близко расположенные точки выражают цвета, сравнительно сильно различаемые глазом. В этой части диаграммы цветовой порог возрастает с увеличением координаты x. Число порогов цветоразличия между двумя цветами называют цветовым контрастом (DЕ).

Рис. 12.
Пороговые эллипсы Мак-Адама на диаграмм е цветности ху.

Как видно из рис. 12, расстояние между точками двух цветов не пропорционально цветовому контрасту между ними. Поэтому система XYZ непригодна для оценки количественного выражения цветовых различий. Для того чтобы можно было провести сравнение, необходима система, в которой расстояние между точками для любых цветов было прямо пропорционально визуально наблюдаемому различию между ними. При этом единица длины, соответствующая одному порогу цветоразличия, должна быть постоянной в любой области цветового пространства. Система с такими свойствами называется равноконтрастной.

К настоящему времени разработано множество равноконтрастных колориметрических систем, основанных на различных принципах. Все они созданы с таким расчетом, что конкретно выбранной единице DЕ соответствует один порог цветоразличия. Величина DЕ показывает, на сколько порогов отличаются сравниваемые цвета. Величину цветового порога во всех системах обычно находят из соответствующих формул. К сожалению, пока не найдена формула определения DЕ, точно предсказывающая воспринимаемые цветовые различия.

Тем не менее, не вдаваясь в особенности всех разработанных равноконтрастных систем, следует отметить, что наибольшее практическое применение в настоящее время нашла система CIELAB. Она была рекомендована для расчета цветовых различий Международной организацией по стандартизации (ISO) в 1976 году. Именно цветовое пространство CIELAB (или, по другой записи, CIE L*a*b*) является "родным" для таких программных пакетов, как Adobe Photoshop или Heidelberg LinoColor. Наряду с ней была принята система CIE L*u*v* (CIELUV). Считается, что система CIELUV лучше отвечает условиям аддитивного синтеза (используемого, к примеру, в телевидении), а CIELAB - субтрактивного (полиграфия).

К сожалению, несмотря на все усилия специалистов, единой модели равноконтрастного цветового пространства не создано до сих пор. Ждем-с...

Метрология цвета - II