Цветовое пространство CIE 1931: Основы и применение

Введение

Цветовое пространство, определенное CIE в 1931 году.

Цветовые пространства CIE 1931 года представляют собой первые установленные количественные связи между распределением длин волн в электромагнитном видимом спектре и физиологически воспринимаемыми цветами в человеческом цветовом зрении. Математические зависимости, определяющие эти цветовые пространства, являются важными инструментами для управления цветом, особенно при работе с цветными красками, освещенными дисплеями и записывающими устройствами, такими как цифровые камеры. Система была разработана в 1931 году организацией "Commission Internationale de l'éclairage", известной на английском языке как Международная комиссия по освещению. Цветовые пространства CIE 1931 RGB и CIE 1931 XYZ были созданы Международной комиссией по освещению (CIE) в 1931 году. Они стали результатом серии экспериментов, проведенных в конце 1920-х годов Уильямом Дэвидом Райтом с участием десяти наблюдателей и Джоном Гилдом с участием семи наблюдателей. Результаты экспериментов были объединены в спецификацию цветового пространства CIE RGB, на основе которой было выведено цветовое пространство CIE XYZ. Цветовые пространства CIE 1931 года до сих пор широко используются, как и цветовое пространство CIELUV 1976 года.

Значения тристимула

Человеческий глаз с нормальным зрением имеет три типа колбочковых клеток, воспринимающих свет, с пиками спектральной чувствительности в коротковолновом ("S", 420 нм – 440 нм), средневолновом ("M", 530 нм – 540 нм) и длинноволновом ("L", 560 нм – 580 нм) диапазонах. Эти колбочковые клетки лежат в основе человеческого цветового восприятия в условиях средней и высокой яркости; при очень низкой освещенности цветовое зрение ослабевает, и вступают в действие малочувствительные, монохромные рецепторы "ночного видения", называемые "палочками". Таким образом, три параметра, соответствующие уровням стимуляции трех типов колбочковых клеток, в принципе описывают любое цветовое ощущение человека. Взвешивание полного спектра световой мощности на индивидуальные спектральные чувствительности трех типов колбочковых клеток дает три эффективных значения стимула; эти три значения составляют тристимульную спецификацию объективного цвета светового спектра. Три параметра, обозначенные "S", "M" и "L", представляются в трехмерном пространстве, называемом "цветовым пространством LMS", которое является одним из множества цветовых пространств, разработанных для количественной оценки человеческого цветового зрения. Цветовое пространство отображает диапазон физически создаваемых цветов из смешанного света, пигментов и т.п. в объективное описание цветовых ощущений, регистрируемых человеческим глазом, обычно выраженное в виде тристимульных значений, но не обязательно в цветовом пространстве LMS, определяемом спектральной чувствительностью колбочковых клеток. Тристимульные значения, связанные с цветовым пространством, можно представить как количества трех основных цветов в трихроматической аддитивной цветовой модели. В некоторых цветовых пространствах, включая LMS и XYZ, используемые основные цвета не являются реальными цветами в том смысле, что их нельзя получить в каком-либо световом спектре. Цветовое пространство CIE XYZ охватывает все цветовые ощущения, воспринимаемые человеком с нормальным зрением. Именно поэтому CIE XYZ (тристимульные значения) является инвариантным представлением цвета, не зависящим от устройства. Оно служит стандартным ориентиром, относительно которого определяются многие другие цветовые пространства. Набор функций соответствия цветов, подобно кривым спектральной чувствительности цветового пространства LMS, но не ограничивающийся неотрицательными значениями чувствительности, связывает физически созданные световые спектры с конкретными тристимульными значениями. Рассмотрим два источника света, состоящие из различных комбинаций длин волн. Эти источники света могут казаться одинаковыми по цвету; этот эффект называется "метамеризмом". Такие источники света воспринимаются наблюдателем как имеющие один и тот же цвет, если они производят одинаковые тристимульные значения, независимо от спектрального распределения мощности источников. Большинство длин волн стимулируют два или все три типа колбочковых клеток, поскольку кривые спектральной чувствительности трех типов перекрываются. Следовательно, некоторые тристимульные значения физически невозможны: например, тристимульные значения LMS, отличные от нуля для компоненты M и равные нулю для компонентов L и S. Кроме того, чистые спектральные цвета в любом нормальном трихроматическом аддитивном цветовом пространстве, например, в цветовых пространствах RGB, подразумевают отрицательные значения для по крайней мере одного из трех основных цветов, поскольку их хроматичность выходит за пределы цветового треугольника, определяемого основными цветами. Чтобы избежать этих отрицательных значений RGB и иметь компонент, описывающий воспринимаемую яркость, были разработаны "воображаемые" основные цвета и соответствующие функции соответствия цветов. Цветовое пространство CIE 1931 определяет полученные тристимульные значения, которые в нем обозначаются "X", "Y" и "Z". В пространстве XYZ все комбинации неотрицательных координат имеют смысл, но многие, такие как основные точки [1, 0, 0], [0, 1, 0] и [0, 0, 1], соответствуют воображаемым цветам, находящимся за пределами пространства возможных координат LMS; воображаемые цвета не соответствуют какому-либо спектральному распределению длин волн и, следовательно, не имеют физической реальности.

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.

Значение знаков X, Y и Z

В модели CIE 1931 года Y – это яркость, Z приблизительно соответствует синему (в CIE RGB), а X – смесь трех кривых CIE RGB, выбранных таким образом, чтобы быть неотрицательными (см.). Использование Y в качестве яркости имеет полезное следствие: для любого заданного значения Y плоскость XZ будет содержать все возможные хроматичности при этой яркости. Единицы измерения трехстимульных значений X, Y и Z часто выбираются произвольно, так что 1=Y = 1 или 1=Y = 100 соответствует самому яркому белому цвету, который может отобразить цветовой дисплей. В этом случае значение Y известно как относительная яркость. Соответствующие значения белой точки для X и Z можно определить, используя стандартные источники света. Поскольку значения XYZ были определены задолго до характеристики колбочек в 1950-х годах (Рагнаром Гранитом), их физиологическое значение стало известно лишь значительно позже. Матрица Ханта-Пойнтера-Эстевеса, разработанная в 1980-х годах, связывает XYZ с LMS. При инвертировании она показывает, как сигналы от трех типов колбочек суммируются для формирования функций XYZ:

Другими словами, значение Z формируется исключительно сигналом от S-колбочек, значение Y – смесью сигналов от L- и M-колбочек, а значение X – смесью сигналов от всех трех типов колбочек. Этот факт делает значения XYZ аналогичными, но отличными от сигналов колбочек LMS человеческого глаза.

Стандартный наблюдатель CIE

Из-за распределения колбочек в глазу, значения тристимула зависят от поля зрения наблюдателя. Чтобы исключить эту переменную, CIE определил функцию цветопередачи, называемую стандартным (колориметрическим) наблюдателем, для представления хроматического восприятия среднего человека в пределах дуги в 2° внутри ямки. Этот угол был выбран, исходя из предположения, что колбочки, чувствительные к цвету, расположены в пределах дуги в 2° от ямки. Таким образом, функция стандартного наблюдателя CIE 1931 также известна как стандартный наблюдатель CIE 1931 2°. Более современной, но менее используемой альтернативой является стандартный наблюдатель CIE 1964 10°, который основан на работах Стиллса и Бёрча, а также Сперянской. В экспериментах с углом в 10° наблюдателям предлагалось игнорировать центральное пятно в 2°. Функция дополнительного стандартного наблюдателя 1964 года рекомендуется при работе с полем зрения более 4°. Обе стандартные функции наблюдателя дискретизированы с шагом в 5 нм в диапазоне длин волн от 380 нм до 780 нм и распространяются CIE. Все соответствующие значения были рассчитаны на основе экспериментально полученных данных с использованием интерполяции. Стандартный наблюдатель характеризуется тремя функциями цветового соответствия. Также существует набор данных с интервалом в 1 нм для CIE 1931 и CIE 1964, предоставленный Wyszecki в 1982 году. В публикации CIE 1986 года также представлен набор данных с интервалом в 1 нм, вероятно, использующий те же данные. Как и обычный набор данных с шагом в 5 нм, этот набор данных также получен с помощью интерполяции. Вывод стандартного наблюдателя CIE из экспериментов по цветовому соответствию приведен ниже, после описания цветового пространства CIE RGB.

Функции сопоставления цветов

Функции цветового соответствия CIE, и , являются численным описанием хроматического восприятия наблюдателя (описанного выше). Их можно представить как кривые спектральной чувствительности трех линейных светоприемников, формирующих тристимульные значения CIE X, Y и Z. В совокупности эти три функции описывают стандартного наблюдателя CIE.