2.2 Обґрунтування колориметричних співвідношень

2.2.1 Сприйняття кольору

Колір є параметром, що характеризує особливості зорового сприйняття людиною електромагнітного випромінювання оптичного діапазону з різною довжиною хвилі або різного спектрального складу. Тобто колір є параметром суб’єктивного сприйняття, але в результаті виховання, навчання та спілкування люди, що мають повноцінний зір, дають приблизно однакову оцінку тим самим кольорам.

Вплив на око світлового випромінювання певної довжини хвилі відчувається у вигляді кольору, табл.2.1. Короткохвильова межа світлового діапазону ідентифікується як фіолетовий колір, що зі збільшенням довжини хвилі поступово переходить у синій, потім блакитний, зелений, жовтий, жовтогарячий і, нарешті, червону, довгохвильову межу світлового діапазону, що завершує діапазон видимого світла.

Таблиця 2.1  Основні кольорові складові видимого світла

Довжина хвилі, нм	Колір	Довжина хвилі, нм	Колір
430-380	Фіолетовий	590-560	Жовтий
470-430	Синій	605-590	Жовтогарячий
500-470	Блакитний	780-605	Червоний
560-500	Зелений

Якщо відчуття створюється коливаннями дуже вузького інтервалу довжин хвиль видимого спектра, то такий світловий потік називають спектральним або монохроматичним. Залежно від довжини хвилі монохроматичні світлові потоки створюють у людини відчуття різного кольору. За аналогією з тонами музичної гами ділянки спектра видимого світла створюють сім головних кольорів, як показано в табл. 2.1. Ці кольори входять до складу сонячного світла, і їх, за умови монохроматичності оптичного потоку, називають спектральними. Спектр, випромінюваний Сонцем, не містить пурпурних кольорів. Уся гама пурпурових кольорів є сумішшю червоних і синього світлових потоків.

Для опису кольорів використовують дві системи параметрів: систему суб’єктивних і систему об’єктивних параметрів.

З метою краще зрозуміти сутність систем суб’єктивної оцінки корисним буде невелике пояснення. Усі системи об’єктивних параметрів, якими ми користуємось побудовано на підґрунті нашого досвіду та уяви. Наприклад, суб’єктивні оцінки знань студентів можуть бути „відмінно”, „добре” тощо. Для оцінки ваги використовують оцінки: „важко”, „легко”, „не дуже важко” й інше. Подібні приклади можна навести для характеристик різних явищ та процесів.

Стосовно колірного сприйняття ми застосовуємо такі оцінки: кольоровий тон, світлість, насиченість. Суб'єктивні характеристики дають лише якісну оцінку кольору.

Кольоровий тон – це та назва кольору яку ми використовуємо для його ідентифікації. Наприклад, жовтий, коричневий, бордо, бузковий, блакитний,...

Проте, для додаткової характеристики кольору ми можемо застосувати й оцінку його світлості, наприклад, світло-синій, темно-зелений тощо.

Іще одна характеристика кольору – насиченість, дозволяє охарактеризувати ступінь розбавлення даного кольору білим. Наприклад, для блідого кольору ми застосовуємо оцінку „ненасичений колір”, а для кольору який характеризується значною глибиною й чистотою – насичений колір. Ми також часто робимо відносні порівняння різних кольорів на кшталт таких: „більш насичений”, „менш насичений”, „не дуже насичений”. Тобто в усіх наведених прикладах було застосовано оцінку, яку важко або неможливо подати кількісно.

Система об’єктивних параметрів містить такі оцінки, які є порівнянням з певними еталонами. Наприклад, якщо ми говоримо про об’єктивну оцінку довжини еталоном може бути метр, кілометр, міліметр тощо.

Об’єктивними параметрами, що характеризують колір є домінуюча довжина хвилі, яскравість, чистота кольору.

Домінуюча довжина хвилі є довжина хвилі такого випромінювання, яка в суміші з білим дає відчуття даного кольору. Як буде зрозуміло з подальшого відчуття даного кольору може виникати внаслідок різних композицій оптичного випромінювання, але зазначений вище параметр дає змогу однозначно відтворити потрібне відчуття кольору.

Яскравість. Означення цього параметру було дано вище. Цей параметр дає можливість кількісно описати кольорове сприйняття, подаючи результати вимірювань у кд/м². Світлість кольору та його яскравість позначають ту саму властивість кольору, але між цими параметрами зв’язок нелінійний. Оскільки зміна суб’єктивного відчуття певного фізичного параметра у людини відбувається за умов непропорційної зміни відповідного фізичного параметра, це призводить до того, що зміна світлості кольору, наприклад, у два рази відбувається за умови зміни його яскравості у 5-7 разів.

Чистота кольору – це параметр, що характеризує відносну кількість спектрального кольору в суміші з білим, яку необхідно використати, щоб одержати даний колір. Чистоту кольору позначають латинською літерою p (purity) й кількісно визначають за формулою

, (2.1)

де B_λ та B_E – кількість (яскравість) спектрального кольору та рівно енергетичного білого в суміші відповідно.

Здатність людини розрізняти кольори обумовлена будовою апарата денного зору. Усі колбочки, що знаходяться на сітківці ока по-різному чутливі до оптичного випромінювання. Є три групи колбочок: синьо чутливі, зелено чутливі та червоно чутливі. Саме спільне функціонування усіх груп колбочок забезпечує кольорове сприйняття. Відсутність однієї із груп колбочок призводить до особливого сприйняття кольорів, яке називається дальтонізм.

Вчені різних країн і різних часів пропонували різні підходи до створення моделі колірного сприйняття. Було розроблено кілька моделей для технічного використання та кілька моделей для застосування у художньому мистецтві. Відмінності моделей пов’язані з різними способами формування кольорового сприйняття.

Є два способи отримання кольорів: субтрактивний та адитивний.

Адитивний спосіб використовується у технічних пристроях та системах де застосовують активні джерела оптичного випромінювання. Такими є різноманітні екрани, світлодіоди, лампочки тощо. Адитивний спосіб ґрунтується на додаванні оптичних потоків різних джерел.

Субтрактивний спосіб використовують для створення кольорових зображень на поверхнях, що самі не світяться (пасивні джерела кольору). Цей спосіб реалізують шляхом застосування різних пігментних фарбників або світлофільтрів.

Розглянемо сутність субтрактивного способу. Для того щоб одержати бажаний колір на якійсь поверхні необхідно, щоб цей колір був присутній в зовнішньому освітленні. На рис.2.1 наведено схему одержання зеленого кольору із потоку білого світла за допомогою двох світлофільтрів.

Рисунок 2.1  Реалізація субтрактивного способу з використанням двох світлофільтрів

У наведеному прикладі потік білого світла спрямовано на блакитний світлофільтр, після якого залишаються тальки зелено-фіолетові кольори. Далі потік з обмеженою кольоровою гамою спрямовується на жовтий світлофільтр, після якого залишається тільки зелена складова оптичного потоку.

Інший приклад субтрактивного утворення кольору наведено на рис.2.2., на якому зображено схему формування червоного фрагмента зображення.

Рисунок 2.2  Схема утворення кольору в струминному принтері

Для досягнення правильного відтворення кольору окрім правильної пропорції чорнил різного кольору необхідно використовувати папір, що однаково відбиває усі хвилі оптичного діапазону, а також дивитись на отримане зображення за умови використання певного джерела освітлення. У цій схемі кольорові чорнила відіграють роль світлофільтра, а аркуш паперу – відбивача оптичного потоку. Жовтий світлофільтр пропускає частину оптичного спектру від червоного до зеленого, а бузковий – червоні й сині складові.

На відміну від субтрактивного метода, адитивний метод базується на спільному сприйнятті (додаванні впливів) випромінювання, що надходить від різних джерел.

Реалізацію адитивного способу утворення кольорів можна здійснити кількома методами. Враховуючи просторове обмеження роздільної здатності та інерційності реакції зору на зміну оптичного випромінювання було запропоновано та реалізовано такі методи адитивного утворення кольорів:

– оптичне змішування;

– послідовне змішування;

– просторове змішування;

– бінокулярне змішування.

Оптичне змішування відбувається у проекційних системах, коли білий дифузновідбивальний екран одночасно освітлено трьома джерелами оптичного випромінювання. На практиці це джерела червоного, синього та зеленого (RGB) кольорів. Колір кожного пікселя зображення на екрані буде залежати від яскравості (кількості) кожного із трьох кольорів.

У сучасній термінології елемент зображення називають “піксел” або “піксель”, а в англомовній літературі можна зустріти кілька еквівалентних назв, які було утворено від сполучення слів picture element – pictel, pixel, pel.

Послідовне змішування відбувається завдяки інерційності зору людини. Якщо освітлювати білий екран трьома джерелами світла по-черзі і частота зміни джерел буде вище критичної частоти мигтіння, то око не здатне розрізнити окремий імпульсний вплив кожного джерела. За цих обставин зір усереднює триколірні потоки для кожного пікселя. На рис. 2.4 наведено приклад реалізації метода послідовного змішування у сучасному DLP-проекторі. Між потужним джерелом білого світла та відбивальною поверхнею знаходиться обертальний диск, що містить три однакові за розмірами світлофільтри R, G, B. Відбивальна поверхня складається з великої кількості керованих мікроскопічних дзеркал. Під дією сигналів керування кожне люстерко спрямовує послідовно потік червоного, синього та зеленого кольорів на позицію окремого пікселя. Результуючий колір буде залежати від співвідношення експозиції ока кожним джерелом, для кожного пікселя.

Рисунок 2.3  Схема просторового змішування кольорів

Рисунок 2.4  Схема послідовного змішування кольорів

Просторове змішування відбувається завдяки обмеженій просторовій роздільній здатності зору людини. Таким методом утворюють зображення на екрані комп’ютерного монітора, телевізора тощо. Для відтворення кольорів усе поле зображення вкрите тріадами дрібних R, G, B елементів. Кожен із цих елементів збуджується окремим сигналом. Через дрібні розміри елементів зір спостерігача одночасно сприймає усі елементи тріади. Колір кожного пікселя зображення, що складається з елементів R, G, B визначається співвідношенням яскравості цих елементів.

Розглянувши різні способи і методи утворення кольорів можна дійти висновку, що однакове відчуття кольору у людини може виникати за умови сприйняття спектрального випромінювання (характеризується однією довжиною хвилі) та суміші оптичного випромінювання, що характеризується відмінною від спектрального довжиною хвиль. Така властивість кольорового сприйняття називається метавимірність (багатовимірність) кольору.

а) б)

Рисунок 2.5  Структури поля зображення для просторового змішування кольорів: а – тріади круглих елементів, б – тріади штрихових елементів