1931 жылғы CIE түс кеңістігінің негіздері

Кіріспе

1931 жылы CIE анықтаған түстік кеңістік

CIE 1931 түстік кеңістіктері – электромагниттік сәулеленудің көрінетін спектріндегі толқын ұзындықтарының таралуы мен адамның түс сезіміндегі физиологиялық түстер арасындағы алғашқы сандық байланыстар. Бұл түстік кеңістіктерді анықтайтын математикалық қатынастар түс басқарудың маңызды құралдары болып табылады және түсті сиялар, жарықтандырылатын дисплейлер, сондай-ақ цифрлық камералар сияқты жазба құрылғыларымен жұмыс істегенде аса қажет. Жүйе 1931 жылы «Commission Internationale de l'éclairage» ұйымымен жасалған, ол ағылшын тілінде Халықаралық жарықтандыру комиссиясы деп аталады. CIE 1931 RGB түстік кеңістігі мен CIE 1931 XYZ түстік кеңістігі 1931 жылы Халықаралық жарықтандыру комиссиясы (CIE) тарапынан құрылған. Олар 1920 жылдардың соңында Уильям Дэвид Райт он бақылаушыны, ал Джон Гилд жеті бақылаушыны пайдалана отырып жүргізген тәжірибелер сериясының нәтижесі болды. Эксперименттік нәтижелер CIE RGB түстік кеңістігінің сипаттамасына біріктірілді, одан CIE XYZ түстік кеңістігі туындады. CIE 1931 түстік кеңістіктері әлі де кеңінен қолданылады, сондай-ақ 1976 жылғы CIELUV түстік кеңістігі де қолданыста.

Тристимулдың мәндері

Қалыпты көру қабілеті бар адам көзі жарықты сезінетін үш түрлі конус жасушасына ие, олардың спектрлік сезімталдығы қысқа ("S", 420 нм – 440 нм), орта ("M", 530 нм – 540 нм) және ұзақ ("L", 560 нм – 580 нм) толқын ұзындықтарында ең жоғары. Бұл конус жасушалары орташа және жоғары жарықтықта адамның түсті қабылдауын қамтамасыз етеді; өте әлсіз жарықта түсті көру әлсірейді, ал төмен жарықтықта "тұңғыш жасушалар" деп аталатын монохроматикалық "түнгі көру" рецепторлары жұмыс істей бастайды. Осылайша, үш түрлі конус жасушаларының ынталандыру деңгейіне сәйкес келетін үш параметр кез келген адамның түс сезімін сипаттайды. Жалпы жарық қуаты спектрін үш түрлі конус жасушаларының жеке спектрлік сезімталдығымен салмақтау арқылы ынталандырудың үш тиімді мәні алынады; бұл үш мән жарық спектрінің объективті түсінің тристимулдық сипаттамасын құрайды. "S", "M" және "L" деп белгіленетін үш параметр "LMS түс кеңістігі" деп аталатын үш өлшемді кеңістікте көрсетіледі, бұл адамның түс сезімін мөлшерлеу үшін жасалған көптеген түс кеңістіктерінің бірі. Түс кеңістігі аралас жарықтан, пигменттерден және т.б. физикалық түрде алынған түстердің диапазонын адам көзінде тіркелген түс сезімінің объективті сипаттамасына, әдетте тристимулдық мәндер арқылы бейнелейді, бірақ көбінесе конус жасушаларының спектрлік сезімталдығымен анықталған LMS түс кеңістігінде емес. Түс кеңістігіне байланысты тристимулдық мәндерді трихроматикалық, аддитивті түс моделіндегі үш негізгі түстің мөлшері ретінде қарастыруға болады. Кейбір түс кеңістіктерінде, соның ішінде LMS және XYZ кеңістіктерінде, қолданылатын негізгі түстер нақты түстер емес, себебі оларды жарық спектрінде алу мүмкін емес. CIE XYZ түс кеңістігі орташа көру қабілеті бар адамға көрінетін барлық түс сезімдерін қамтиды. Сондықтан CIE XYZ (тристимулдық мәндер) түстің құрылғыға тәуелсіз бейнесі болып табылады. Ол көптеген басқа түс кеңістіктерін анықтайтын стандарттық анықтама ретінде қызмет етеді. Түстерді сәйкестендіру функцияларының жиынтығы, LMS түс кеңістігінің спектрлік сезімталдық қисықтары сияқты, бірақ теріс емес сезімталдықтармен шектелмейді, физикалық түрде алынған жарық спектрлерін нақты тристимулдық мәндермен байланыстырады. Екі жарық көзін қарастырайық, олар әртүрлі толқын ұзындықтарының қоспаларынан тұрады. Мұндай жарық көздері бірдей түс ретінде көрінуі мүмкін; бұл құбылыс "метамеризм" деп аталады. Мұндай жарық көздері көздердің спектрлік қуат үлестіріліміне қарамастан, бірдей тристимулдық мәндерді тудырғанда бақылаушыға бірдей түс береді. Көптеген толқын ұзындықтары екі немесе барлық үш түрлі конус жасушасын ынталандырады, өйткені үш түрдің спектрлік сезімталдық қисықтары біртіндеп жабысады. Сондықтан кейбір тристимулдық мәндер физикалық тұрғыдан мүмкін емес: мысалы, M компоненті нөлден өзгеше, ал L және S компоненттері нөлге тең LMS тристимулдық мәндері. Сонымен қатар, таза спектрлік түстер кез келген қалыпты трихроматикалық аддитивті түс кеңістігінде, мысалы, RGB түс кеңістігінде, кем дегенде үш негізгі түстің біреуі үшін теріс мәндерді білдіреді, өйткені хроматикалық координаталар негізгі түстермен анықталған түс үшбұрышынан тыс жатады. Бұл теріс RGB мәндерін болдырмау және қабылданатын жарықтықты сипаттайтын бір компонентке ие болу үшін "қиял" негізгі түстер мен оларға сәйкес келетін түстерді сәйкестендіру функциялары жасалды. CIE 1931 түс кеңістігі нәтижесінде алынған тристимулдық мәндерді анықтайды, онда олар "X", "Y" және "Z" арқылы белгіленеді. XYZ кеңістігінде теріс емес координаттардың барлық комбинациялары мағыналы, бірақ көптеген, мысалы, негізгі орындар [1, 0, 0], [0, 1, 0] және [0, 0, 1], мүмкін LMS координаттары кеңістігінен тыс қиял түстеріне сәйкес келеді; қиял түстер толқын ұзындығының ешқандай спектрлік үлестіріліміне сәйкес келмейді және сондықтан физикалық шындыққа ие емес.

The human eye with normal vision has three kinds of cone cells that sense light, having peaks of spectral sensitivity in short ("S", 420 nm – 440 nm), medium ("M", 530 nm – 540 nm), and long ("L", 560 nm – 580 nm) wavelengths. These cone cells underlie human color perception in conditions of medium and high brightness; in very dim light color vision diminishes, and the low brightness, monochromatic "night vision" receptors, denominated "rod cells", become effective. Thus, three parameters corresponding to levels of stimulus of the three kinds of cone cells, in principle describe any human color sensation. Weighting a total light power spectrum by the individual spectral sensitivities of the three kinds of cone cells renders three effective values of stimulus; these three values compose a tristimulus specification of the objective color of the light spectrum. The three parameters, denoted "S", "M", and "L", are indicated using a 3 dimensional space denominated the "LMS color space", which is one of many color spaces devised to quantify human color vision. A color space maps a range of physically produced colors from mixed light, pigments, etc. to an objective description of color sensations registered in the human eye, typically in terms of tristimulus values, but not usually in the LMS color space defined by the spectral sensitivities of the cone cells. The tristimulus values associated with a color space can be conceptualized as amounts of three primary colors in a tri chromatic, additive color model. In some color spaces, including the LMS and XYZ spaces, the primary colors used are not real colors in the sense that they cannot be generated in any light spectrum. The CIE XYZ color space encompasses all color sensations that are visible to a person with average eyesight. That is why CIE XYZ (Tristimulus values) is a device invariant representation of color. It serves as a standard reference against which many other color spaces are defined. A set of color matching functions, like the spectral sensitivity curves of the LMS color space, but not restricted to non negative sensitivities, associates physically produced light spectra with specific tristimulus values. Consider two light sources composed of different mixtures of various wavelengths. Such light sources may appear to be the same color; this effect is called "metamerism." Such light sources have the same apparent color to an observer when they produce the same tristimulus values, regardless of the spectral power distributions of the sources. Most wavelengths stimulate two or all three kinds of cone cell because the spectral sensitivity curves of the three kinds overlap. Certain tristimulus values are thus physically impossible: e. g. LMS tristimulus values that are non zero for the M component and zero for both the L and S components. Furthermore pure spectral colors would, in any normal trichromatic additive color space, e. g., the RGB color spaces, imply negative values for at least one of the three primaries because the chromaticity would be outside the color triangle defined by the primary colors. To avoid these negative RGB values, and to have one component that describes the perceived brightness, "imaginary" primary colors and corresponding color matching functions were formulated. The CIE 1931 color space defines the resulting tristimulus values, in which they are denoted by "X", "Y", and "Z". In XYZ space, all combinations of non negative coordinates are meaningful, but many, such as the primary locations [1, 0, 0], [0, 1, 0], and [0, 0, 1], correspond to imaginary colors outside the space of possible LMS coordinates; imaginary colors do not correspond to any spectral distribution of wavelengths and therefore have no physical reality.

X, Y және Z-тің мағынасы

CIE 1931 моделінде Y – жарық, Z – CIE RGB-дағы көк түске шамалас, ал X – үш CIE RGB қисығының оң мәнді болу үшін таңдалған қоспасы (қараңыз). Y-ді жарық ретінде белгілеудің пайдалы нәтижесі – кез келген берілген Y мәні үшін XZ жазықтығында сол жарықтықтағы барлық мүмкін түстіктер болады. X, Y және Z тристимулдық мәндерінің бірлігі көбінесе 1=Y = 1 немесе 1=Y = 100 түс дисплейі қолдайтын ең жарқын ақ түс ретінде таңдалады. Бұл жағдайда Y мәні салыстырмалы жарық деп аталады. X және Z үшін сәйкес ақ нүктелердің мәндерін стандартты жарықтандырғыштарды пайдалану арқылы анықтауға болады. XYZ мәндері конус жасушаларын сипаттаудан (Рагнар Граниттың 1950 жылдардағы жұмысы) әлдеқайда ертерек анықталғандықтан, осы мәндердің физиологиялық мағынасы кейінірек ғана белгілі болды. 1980 жылдардан бастап Хант Пойнтер Эстевез матрицасы XYZ-ді LMS-ке байланыстырады. Оны кері бұрғанда, үш конус жауаптары XYZ функцияларын қалай құрайтынын көрсетеді: Яғни, Z мәні тек S конусының жауабынан, Y мәні L және M жауаптарының қоспасынан, ал X мәні барлық үш конустың қоспасынан тұрады. Бұл факт XYZ мәндерін адам көзінің LMS конус жауаптарына ұқсас, бірақ олардан ерекше етеді.

CIE стандартты бақылаушысы

Көздегі конустардың таралуына байланысты, тристимул мәндері бақылаушының көру өрісіне тәуелді болады. Бұл айнымалыны жою үшін CIE стандартты (колориметриялық) бақылаушы деп аталатын түс бейнелеу функциясын анықтады, ол фовеяның ішіндегі 2° доғадағы орташа адамның түстік сезіміне жауапты реакциясын көрсетеді. Бұл бұрыш түске сезімтал конустар фовеяның 2° доғасында орналасқан деген сенімге байланысты таңдалды. Осылайша, CIE 1931 стандартты бақылаушы функциясы CIE 1931 2° стандартты бақылаушы деп те аталады. Көбірек қолданылмаған, бірақ заманауи балама – CIE 1964 10° стандартты бақылаушы, ол Стайлз және Бурч, сондай-ақ Сперанскаяның жұмыстарынан туындаған. 10° эксперименттер үшін бақылаушыларға орталық 2° дақты елемеу нұсқауы берілді. 4° астам көру өрісімен жұмыс істегенде 1964 жылғы қосымша стандартты бақылаушы функциясын қолдану ұсынылады. Екі стандартты бақылаушы функциясы да 380 нм-ден 780 нм-ге дейін 5 нм толқын ұзындығы интервалдарымен дискреттелген және CIE тарапынан ұсынылады. Барлық сәйкес мәндер эксперименттік алынған деректерді интерполяция арқылы есептеу арқылы шығарылған. Стандартты бақылаушы үш түсті сәйкестендіру функциясымен сипатталады. Wyszecki 1982 ұсынған CIE 1931 және CIE 1964 1 нм интервалды деректер жиынтығы да бар. 1986 жылғы CIE жарияланымдарында да 1 нм дерек жиынтығы бар, бұл деректердің сол екені мүмкін. 5 нм деректер жиынтығы сияқты, бұл деректер жиынтығы да интерполяция арқылы алынған. CIE стандартты бақылаушының түсті сәйкестендіру эксперименттерінен туындауы CIE RGB кеңістігінің сипаттамасынан кейін төменде келтірілген.

Түстерді сәйкестендіру функциялары

CIE-нің түстерді сәйкестендіру функциялары, және – бұл бақылаушының (жоғарыда сипатталғандай) хроматикалық сезіміне сандық сипаттама береді. Оларды үш сызықтық жарық детекторларының спектрлік сезімталдық қисықтары деп қарастыруға болады, олар CIE үш түстік мәндерін X, Y және Z береді. Бұл үш функцияның жиынтығы CIE стандартты бақылаушысын сипаттайды.