Цветоделение и синтез цвета. Исследование закономерностей синтеза света Автотипный синтез цвета

В любом цветофотографическом процессе можно выделить три стадии: цветоделение,промежуточные (градационные) стадии и синтез цвета.

В процессе цветоделителъной съемки цветной объект с помощью зональных светофильтров: синего, зеленого и красного или других приемов можно разделить на три оптических изображения, содержащих синюю, зеленую и красную информацию. На первом этапе развития цветной фотографии цветоделительную съемку производили на черно-белую изопанхроматическую пленку и после ее химико-фотографической обработки получали три чернобелых цветоделенных негатива.

Цветоделение осуществлялось несколькими способами, например последовательной съемкой объекта одной фотокамерой за тремя зональными цветными светофильтрами. При этом фотокамера и объект должны быть неподвижны. Такой способ цветоделительной съемки имеет недостаток — временной параллакс и применяется в основном в полиграфической промышленности. Еще один способ цветоделительной съемки — съемка объекта тремя фотокамерами за

В качестве зональных светофильтров можно использовать цветные стекла из каталога, выпускаемого промышленностью, в комбинации: синий (СС-4 толщиной 5 и СЗС-18 толщиной 2 мм), зеленый (ЖС-18 и СЗС-18 толщиной 3 мм каждое), красный (КС-14 толщиной 2 мм).

В этом случае исчезает временной параллакс, но возникает другой недостаток — пространственный параллакс . Только съемка одной фотокамерой со светорасщепляющей системой с помощью полупрозрачного зеркала позволяет одновременно экспонировать за светофильтрами три негативные кинопленки, что полностью исключает временной и пространственный параллаксы. Правда, этот способ цветоделительной съемки все же имеет ряд недостатков: значительное ослабление света и различные уровни экспозиции в кадровом окне кинокамеры, необходимость синхронного протягивания трех пленок в фильмовом канале, трудность совмещения изображений из-за различной усадки основы кинопленок.

Цветоделение можно осуществить, используя три фотоматериала с различной спектральной светочувствительностью к синей, зеленой и красной областям видимого спектра.

Однако во всех рассмотренных случаях мы имеем дело с тремя цветоделенными негативными и позитивными изображениями, которые на какой-то определенной стадии процесса необходимо совмещать. Полностью избавиться от трудностей, возникающих при совмещении цветоделенных изображений на трех пленках, можно только при нанесении трех эмульсионных слоев различной спектральной чувствительности на одну прозрачную основу, т. е. если провести цветоделение с помощью цветной многослойной пленки. Здесь появляются технологические трудности, связанные с изготовлением цветных фотоматериалов, так как толщина их эмульсионного слоя должна быть такая же, что и у черно-белых материалов.

В фотографии и кинематографии существуют два метода синтеза цвета: аддитивный и субтрактивный.

Аддитивный метод синтеза цвета предусматривает использование черно-белых цветоделенных позитивов. При этом совмещают не сами цветоделенные изображения, а их проекции на экране. Световой поток в проекторах должен быть окрашен в тот же цвет, что и светофильтр, за которым производилась съемка. Итак, при аддитивном синтезе используются черно-белые цветоделенные позитивные изображения, а функцию получения цвета в суммарном изображении выполняют те же съемочные зональные светофильтры, которые применялись при цветоделительной съемке.

Таким образом, в результате наложения друг на друга двух световых потоков, окрашенных в синий, зеленый или красный цвета, можно получить в зависимости от интенсивности световых потоков дополнительные цвета различных оттенков

Желтый = Зеленый + Красный;
Пурпурный = Синий + Красный;
Голубой = Синий + Зеленый.

Два цвета называют дополнительными друг к другу (к синему — желтый, к зеленому — пурпурный, к красному — голубой), если они при аддитивном синтезе дают белый

Следовательно, при совмещении трех световых потоков, окрашенных в синий, зеленый, красный цвета, получим белый цвет

Получение белого цвета при аддитивном смешении двух дополнительных цветов.

Аддитивный метод получения цветного изображения за счет смешения основных излучений в кинематографии широкого применения не получил из-за рассмотренных выше трудностей. В фотоделе этот метод применяется в основном при разработке различных модификаций растровой цветной фотографии.

При субтрактивном синтезе для получения окончательного суммарного цветного изображения совмещают друг с другом цветоделенные позитивы. При этом они должны быть не черно-белыми, а окрашенными в цвет, дополнительный цвету светофильтров, за которыми они были получены, т. е. в желтый, пурпурный и голубой цвета

1. объект съёмки;
2. зональные светофильтры;
3. черно белые цветоделённые негативы;
4. окрашенные цветоделённые позитивы;
5. цсетное позитивное изображение

Если при аддитивном синтезе желтый, пурпурный и голубой цвета образуются за счет сложения световых потоков

окрашенных в основные цвета (синий, зеленый и красный), то при субтрактивном синтезе, например, желтый цвет получается за счет вычитания из белого светового потока синих лучей, а пурпурный и голубой цвета — соответственно зеленых и красных лучей

окрашенных в основные

Желтый = Белый - Синий;
Пурпурный = Белый - Зеленый;
Голубой = Белый - Красный.

Основные же цвета при субтрактивном синтезе получаются в результате вычитания из белого светового потока двух основных цветов. Практически это можно осуществить с помощью наложения друг на друга двухзонных светофильтров (желтого, пурпурного и голубого), которые помещают в различных сочетаниях на пути белого светового потока. Если на пути светового потока поставить пурпурный и голубой светофильтры, получается синий цвет, так как пурпурный светофильтр задерживает зеленую (500-600 нм), а голубой — красную составляющую видимого спектра (600-700 нм). Другие основные цвета можно получить, используя следующие комбинации светофильтров

Желтый + Голубой =Зеленый;
Желтый + Пурпурный = Красный;
Желтый + Пурпурный + Голубой = Черный.

Синтез цвет. Получение заданного цвета сложением других цветов называется его синтезом. Как же синтез цвета осуществляется, какие явления лежат в основе процесса.

Напомним, что если на глаз действует смесь излучений, то реакции рецепторов на каждое из них складываются. Другими словами, смешение окрашенных световых пучков дает пучок нового цвета. Например, смесь голубой и красной красок дает черный цвет, а смесь красного и голубого излучений - белый цвет. Оба суммарных цвета ахроматические, но с увеличением насыщен­ности краски и мощности излучения светлота изменяется в раз­ных направлениях. Светлота смеси красок уменьшается, а сме­си излучений увеличивается.

В связи с этим различают два основных типа сложения - аддитивное и субтрактивное. Названия связаны с тем, что при смешении излучений их действие складывается. А при смешении сред, наоборот, каждая среда поглощает определенную часть из­лучений, вычитая их из общего пучка, направленного на смесь. Аддитивный синтез используется в основном в визуальных коло­риметрах для измерения цвета и исследования цветового зрения. Большое развитие в последние годы приобрели цветное телеви­дение и цветные мониторы, использующие принципы аддитив­ного синтеза цвета. Субтрактивный синтез цвета применяется повсеместно там, где используются окрашенные среды для полу­чения цвета. Особенно он важен при воспроизведении цветных оригиналов в полиграфии и цветной фотографии.

Аддитивный синтез цвета. Чтобы провести аддитивный синтез, необходимо иметь крас­ный, зеленый, синий световые пучки.

Примером источников, дающих монохроматические излучения нужных цветов, служат квантовые генераторы (лазеры), их излучение практически монохроматично. Другой пример-люминофоры монитора. Эти излучения, наоборот, занимают достаточно широкие зоны спектра.

Эффект получения нового цвета наблюдается не только сложением излучений, но и в ряде других случаев. Например, известная из курса физики и лежавшая в XIX веке в основе науки о цвете вертушка Максвелла. Это вращающийся диск, секторы которого окрашены в разные цвета. При вращении с достаточно большой скоростью наблюдатель видит новый цвет, равный сумме цветов окрашенных секторов. Сложение цветов в этом случае - результат зрительной инерции. Второй пример, используемый в технике. Если изображение состоит из штрихов или точек, размеры которых, а также расстояния между ними - за пределами разрешающей способности глаза, то изображение имеет иной цвет, чем отдельные штрихи. Цвета штрихов складываются, что объясняется непроизвольным движением глаз, и, как следствие, происходит сложение последовательных образов. Оба примера приведены для случая аддитивного смешения цвета. Если используются лампы накаливания, то полосы пропускания экранирующих светофильтров должны занимать по возможности, треть видимого спектра, т.е. синий - 400-500, зеленый - 500-600, красный -60О-700 нм. Это обеспечит достаточную яркость изображения при мощностях.

Основные цвета аддитивной смеси. Аддитивный синтез основан на трехзональной теории цве­тового зрения. Как следует из кривых основных возбуждений, всегда можно выбрать три излучения, одно из которых в наибольшей степени раздражает синечувствительные рецеп­торы, другое-зеленочувствителъные, третье-красночувствительные. Смешивая эти излучения в различных комбинациях по мощности, можно вызвать множество цветовых ощущений. Цвета излучений, используемых для синтеза, и сами эти из­лучения называются основными (причем под термином «основ­ные» подразумеваются как основные цвета, так и основные из­лучения).

Получение заданного цвета смешением основных излучений

называют аддитивным синтезом этого цвета.

Способы аддитивного сложения цветов. Как мы уже выяснили, существует несколько способов адди­тивного сложения цветов.

Во-первых, это одновременное смешение трех окрашенных пучков света на белом экране, молочном стекле, белой призме или внутри белого шара (так называемого фотометрического шара). Во-вторых, смешение излучений с использованием такого явления, как зрительная инерция. При модулированных по вре­мени сигнала поочередно подаются на одно из только что рас­смотренных устройств или непосредственно наблюдается цвет (например, вертушка Максвелла).

В-третьих, используется метод пространственного смешения световых пучков за счет того, что точки, линии и расстояния между ними меньше разрешающей способности глаза. Используются также смешанные варианты описанных способов.

Схема аддитивного синтеза цвета. Рассмотрим простой вариант аддитивного синтеза цвета с использованием трех проекторов и белого экрана. Основные в этой схеме получаются субтрактивно с использова­нием синего, зеленого и красного светофильтров, закрывающих объективы проекторов. Для дозирования основных используют­ся оптические клинья. На экране смешиваются световые пуч­ки, пропускаемые светофильтрами и клиньями, тем самым образуются заданные цвета. Мощности этих основных излучений подбираются таким образом, чтобы с выведенными клиньями на экране получался белый цвет (ахроматический). Такие количества основных называются единичными.

Рис. 9.1. Схема аддитивного синтеза цвета

По оптическим плотностям полей дозирующих клиньев можно рассчитать количество основных, направленных на экран. Для этого надо пересчитать оптические плотности в коэффициенты пропускания. Затем, вспомнив, что коэффициент пропускания показывает, какая часть потока пропущена оптической средой, судить об относительных количествах смешанных основных.

Цветовое уравнение, его анализ. Если при помощи клиньев получить определенные соотношения основных, например 0.05R . 0,5G 0,0.25В, то такой цвет будет зелено-голубым, достаточно насыщенным. Эти соотношения можно записать в виде уравнения, где слева буквой Ц обозначим цвет, а справа запишем сумму световых окрашенных пучков в относительных единицах:

Таким образом, для нашего конкретного случая выбора основ­ных получим уравнение цвета. Количества основных, необхо­димые для аддитивного синтеза некоторого цвета, называются его цветовыми координатами, красной, зеленой, синей, и обо­значаются R, G. В. Количества основных могут быть больше единицы, например, если увеличить мощность лампы с зеленым светофильтром в 10 раз, то вместо 0,5 G надо будет написать 5 G. Изменится не только написание формулы, изменится цвет, он сместится в зеленую зону.

В общем виде можно записать уравнение

(9.2)

где R, G. В -основные, R, G. В - цветовые координаты этих основных, а RR, GG. ВВ - члены уравнения (9.2) и называются цветовыми составляющими цвета. Это каноническая форма уравнения, т.е. порядок расположения членов уравнения всегда один и тот же: красный, зеленый, синий.

Словесно уравнение (9.2) читается так: в результате сложения R, G. В единиц основных R, G. В получается цвет, тождественный цвету Ц.

Цвет, записанный в виде уравнения, может быть оценен численно по цветовому тону и насыщенности.

Наименьший член уравнения цвета оказывает влияние на ахроматическую составляющую цвета, два других-на цветовой тон. Все три - насыщенность. Выразим эти утверждения формулами. Обозначим цветовые координаты а 1, а 2 ,а 3 где а 1 , - наибольшая координата, а 3 - наименьшая.

В соответствии с нашими рассуждениями уравнение можно рассматривать как сумму двух:

Причем первое уравнение выражает насыщенный хроматический цвет, второе - ахроматический.

Еще раз напомним, что наименьшая координата определяет ахроматическую составляющую цвета, а разности координат (а 1 -а 3) и (а 2 -а 3) - хроматическую. В этом случае цветов тон можно выразить показателем цветового тона:

Отношение (9.5) показывает, во сколько раз преобладающая координата вносит больший вклад в ощущение цветового тона, чем средняя. Если две координаты равны и больше третьей, то цвет-дополнительный основному, определяемому наименьшей координатой (k ц.т =1.). Если две координаты равны и меньше тре­тьей, показатель цветового тона становится бесконечно боль­шим. Это означает, что цветовой тон соответствует основному, определяемому наибольшей координатой.

Насыщенность можно выразить показателем насыщенности k н:

Не все насыщенные цвета могут быть воспроизведены сме­шением излучений, взятых из спектра. Например, оранжевые, голубые, часть пурпурных и т. д. Для получения этих цветов тре­буются раздражения только двух видов, а, как видно (см. кри­вые основных возбуждений рис. 4.7), раздражения возникают и в других зонах спектра. Например, насыщенный голубой - это сине-зеленый цвет. т.е. должны быть возбуждены только синие и зеленые рецепторы. На деле возбуждаются и красные рецеп­торы, цвет теряет насыщенность. Колориметристы для измере­ния такого цвета нашли выход. К насыщенному голубому цвету добавляют красное излучение до тех пор, пока измеряемый цвет не уравняется с синтезируемым.

Тогда уравнение (9.1) примет вид

Ц + RR=GG+ ВВ,

или в каноническом виде

Ц=- RR + GG + ВВ. (9.7)

Это значит, что цветовое уравнение в общем случае может иметь отрицательные цветовые составляющие, а цвета - отрицательные координаты.

Цветность и ее выражение. Координаты цвета выражают число каких-то единиц, напри­мер мощности каждого из основных. Тогда сумма координат представляет собой количественную характеристику цвета, в нашем примере - мощность излучения - носителя цвета. Эта сумма называется модулем цвета m. Численно R+G+B=m

Для многих практических целей достаточно знать лишь качественную характеристику цвета-его цветность. Разделив координаты цвета на модуль, получим их относительные значения, I называемые координатами цветности, (в принципе, это частный | случай уравнения цвета, модуль которого равен единице). Основные координаты цветности записываются строчными буквами:

В этом случае уравнение цветности имеет вид

Ц=rR+gG+bB (9.9)
Это уравнение дает представление о цвете независимо от его количества и называется уравнением цветности. Как мы уже говорили, модуль этого уравнения равен единице, поэтому это уравнение иногда называют единичным, как и цвет, который оно выражает. Зная величины двух членов уравнения, всегда можно найти величину третьего, Удобство этого уравнения заключается также в том, что единичный цвет можно однозначно представить на плоскости координатами двух членов уравнения.

Основные законы аддитивного синтеза. Законы аддитивного синтеза цвета были сформулированы математиком Г. Грассманом в 1853г.

Первый закон Грассмана (или закон трехмерности). Любой цвет однозначно выражается тремя, если они линейно независимы. Линейная независимость заключается в том, что нельзя получить ни один из основных цветов смешением двух других. Закон позволяет описывать цвета при помощи цветовых уравнений.

Второй закон Грассмана (по-другому закон непрерывности). При непрерывном изменении излучения цвет изменяется так же непрерывно. Из этого закона следует основной принцип измерения цвета: не существует такого цвета, к которому невозможно подобрать бесконечно близкий.

Третий закон Грассмана (закон аддитивности). Цвет смеси излучений зависит только от их цветов, но не от спектраль­ного состава.

Это очень важный закон для теории цвета, признающий ад­дитивность цветовых уравнений (т.е. возможность их сложения).

А именно если цвета нескольких излучений описаны цветовыми уравнениями, то цвет смеси излучений выражается суммой этих уравнений.

Субтрактивный синтез цвета. Как говорилось выше, субтрактивно получать новый цвет можно смешением любых окрашенных сред. Но когда говорят о субтрактивном синтезе цвета, имеют в виду достаточно определенные вещи. Так же как в аддитивном синтезе, для получения за данного цвета необходимо регулировать основные излучения главным инструментом, такого регулирования служат краски трехцветного субтрактивного синтеза цвета. Основное требование к краскам-вычитать (т.е. ослаблять) основные в одной зоне спектра и пропускать в двух других. Таким образом, цвет краски дополнителен цвету дозируемого излучения. Пропускание в зоне поглощения должно быть управляемым. Средством управления может служить, например, толщина красочного слоя. Схема управления основными излучениями при субтрактивном синтезе цвета приведена на рис. 9.2. Если известно, во сколько раз ослабились основные RGВ, а это можно узнать по зональным коэффициентам пропускания, то можно написать уравнение субтрактивного синтеза в аддитивной форме. Напишем такое уравнение для случая, рассмотренного на рис. 9.2:

Рис.9.2. Схема управления основными излучениями при субтрактивном синтезе цвета.

Ц = 0,5R + 0,1G + 0,7В. (9.11)

Управление цветом осуществляется в соответствии с известной формулой Бугера-Ламберта-Бэра, по которой монохроматическая оптическая плотность D пропорциональна коцентрации:

где -удельный показатель поглощения, зависящий от приро­ды вещества; с - концентрация поглощающего вещества; (- толщина слоя вещества.

Произведение сl имеет размерность r·см 2 и называется по верхностной концентраций. Обычно обозначается С n , тогда формула (59) имеет вид

Отсюда видно, что монохроматическая оптическая плотность вещества пропорциональна поверхностной концентрации на рис. 9.3 показаны типичные краски субтрактивного синтеза Видно, что с изменением поверхностной концентрации пропорционально изменяются монохроматические плотности. Причем в максимуме поглощения это изменение значительно сильнее чем в зонах с меньшим поглощением. Поэтому для красок с отчетливо выраженной полосой поглощения изменение поверхностной концентрации - средство регулирования пропускания 1 этой полосе спектра. А так как t=10 -D , то изменение плотность значительно влияет на пропускание.

Рис. 9.3. Кривые поглощения реальных красок субтрактивного синтеза цвета: а -желтой; б-пурпурной; в -голубой

На практике в фотографии за единицу поверхностной концен­трации принимают количества концентраций трех красок, ко­торые необходимо смешать, чтобы получить ахроматический цвет с визуальной оптической плотностью, равной единице. Иногда используют относительные концентрации, которые по­казывают, какую часть от максимальной концентрации состав­ляет данная, или количество краски в граммах, нанесенной на квадратный метр поверхности.

Формы кривых поглощения идеальных и реальных красок. Изменяя поверхностную концентрацию краски, можно управлять поглощением в одной из спектральных зон, изменяя таким образом величину основной в этой зоне. Однако процесс управления осложняется тем, что

краски, как и все объекты природы имеют плавные кривые отражения или пропускания, занимающие весь видимый спектр.

Рис. 9.4. Кривые поглощения идеальных красок субтрактивного синтеза

Поэтому с измерением поверхностной концентрации краски оптическая плотность изменяется не только в регулируемой зоне, но и в двух других тоже, т.е. вместо изменения одного параметра изменяются все три.

Поглощение реальных красок в тех зонах, где должно осуществляться регулирование, называется полезным. Поглощение в двух других зонах, где краски поглощать не должны, называется вредным.

Для исследования закономерностей субтрактивного синтеза и цветовоспроизведения одним из родоначальников научной колориметрии проблем были предложены идеальные гипотетичейкие краски.

Идеальность красок заключалась в следующем, Краски идеально прозрачны, а значит, подчиняются закону Бутера-Ламберта-Вэра. Спектральные кривые красок имеют п - образную форму и только полезные поглощения. На рис. 9.4 приведенривые таких красок.

Рис. 9.5. Гистограммы поглощения реальных красок субтрактивного синтеза

Сравним спектральную характеристику реальных красок и идеальных. Для этого рассчитаем среднюю оптическую плот­ность в полезных и вредных зонах спектра и представим графи­чески в виде гистограмм (идеальных красок, рис. 9.5).

Напоминаем, чтобы рассчитать среднюю оптическую плот­ность в заданном интервале спектра, надо все значения D λ , пере­вести в коэффициенты отражения по формуле r=10 -D λ , найти средние значения коэффициентов отражения рн. рс, рв, затем по формуле О=-1§р рассчитать средние зональные оптические плот­ности красок. В случае использования красок в проходящем све­те процедура и формулы те же, но вместо р используется.

Из рис. 9.5 следует, что, во-первых, реальные краски можно представить как смесь идеальных. При изменении поверхностной концентрации будет изменяться отражение во всех трех зонах, по­этому процесс регулирования основных усложняется. Во-вторых, невозможно получить максимально насыщенные (спектральные) цвета реальными красками.

Субтрактивный синтез идеальными красками в проходящем и отраженном свете

Субтрактивный синтез цвета может осуществляться в отра­женном свете, когда краски нанесены на белую поверхность (на­пример, бумагу), или в проходящем, когда красочное изображе­ние рассматривается на просвет или проецируется на белый экран. Физические явления в обоих случаях принципиально одинаковые, но в отраженном свете имеются нюансы. Схема управления основным красным излучением при помощи клина изготовленного из идеальной голубой красок приведена на рис. 9.6. Очевидно, что зональная оптическая плотность изменется на (так как оптическая плотность равная 0,3, ослабляет свет поток в 2 раза). Таким образом голубой клин управляет красной составляющей падающего на него белого света. Совмещая поля желтого, пурпурного и голубого цветов, можно добиться полученная требуемого соотношения основных, прошедших через эти сложенные поля, а зная из, добиться синтеза требуемого цвета. На рис. 9.7 приведен пример субтрактивного синтеза цвета при помощи красочных клиньев. В принципе вместо клиньев может использоваться изображение выполненное на цветной трехслойной фотопленке, содержащей краски субтрактивного синтеза в каждом слое.

Рис.9.6.Схема управления мощностью

цветной трехслойной красного излучения

голубым клином

В случае синтеза в отраженном свете излучение проходит через красочный слой 2 раза. Сначала проникает через краску к бумаге, затем отражается от нее и проходит через краску второй раз. Если на белую бумагу наложить клин, изображенный на рис. 9.6. то ДГР будет равно не 0,3, а 0,6 при тех же поверхностных концентрациях. В случае реального субтрактивного синтеза в красочном слое происходит сложное оптическое преобразование света, как показано на рис. 9.8. Под оптическими преобразованиями понимается поглощение, рассеяние и многократные отражения света внутри слоя. Для цветных фотоматериалов эти сложные преобразования после некоторых упрощений и допущений может представить эмпирической формулой

(9.14)

где D r - плотность красочного слоя в отраженном свете, D t -плотность того же слоя, но в проходящем свете.

Рис. 9.7. Субтрактивный синтез Рис.9.8. Рассеяние света в красочном слое:

цвета при помощи красочных клиньев красочный слой; И - подложка;

I - упавший сеет, 2-6 - варианты

прохождения света в слое

Для полиграфических красок выражение может быть еще сложнее, так как вмешиваются факторы впитывания краски в бумагу и особенности автотипного синтеза цвета.

Уравнение субтрактивного синтеза

В случае субтрактивного синтеза для количественного выра­жения цвета иногда используются субтрактивными координата­ми цвета.

Уравнение цвета в этом случае принимает вид

(9.15)
где С, М, U - основные краски субтрактивного синтеза; - количества красок субтрактивного синтеза, выраженные через поверхностную концентрацию, они же - субтрактивные координаты цвета.

Особенность автотипного синтеза. Хотя мы приводим полиграфию в качестве примера приме­нения субтрактивного синтеза цвета, такой пример касается только случая наложения равномерных по всей площади кра­сочных слоев. При растровом воспроизведении цветных изоб­ражений происходит смешанный тип синтеза цвета. Синтез цвета растровым методом имеет название «автотипный синтез цвета». В этом синтезе участвует субтрактивный синтез цвета при прохождении света через краску и аддитивный - когда про­исходит пространственное смешение цветов.

Основная литература (осн. 1 )

Контрольные вопросы

Что называет синтезом?

Чтобы провести аддитивный синтез, какие цвета необходимы?

Цветовое уравнение и его правильное написание.

Как определяют цветовой тон и насыщенность в виде уравнений?

Как определяют модуль цвета?

Как гласит первый закон Грассмана?

Напишите уравнения субтрактивного синтеза.

Дата публикования: 2015-09-17 ; Прочитано: 1923 | Нарушение авторского права страницы | Заказать написание работы

Отключите adBlock!
очень нужно

Цветоощущение (цветовая чувствительность, цветовое восприятие) - способность зрения воспринимать и преобразовывать световое излучение определённого спектрального состава в ощущение различных цветовых оттенков и тонов, формируя целостное субъективное ощущение («хроматичность», «цветность», колорит).

Цвет характеризуется тремя качествами:

• цветовым тоном, который является основным признаком цвета и зависит от длины световой волны;
• насыщенностью, определяемой долей основного тона среди примесей другого цвета;
• яркостью, или светлотой, которая проявляется степенью близости к белому цвету (степень разведения белым цветом).

Человеческий глаз замечает изменения цвета только в случае превышения так называемого цветового порога (минимального изменения цвета, заметного глазом).

Физическая сущность света и цвета

Светом или световым излучением называются видимые электромагнитные колебания.

Световые излучения подразделяются на сложные и простые .

Белый солнечный свет - сложное излучение, которое состоит из простых цветных составляющих – монохроматических (одноцветных) излучений. Цвета монохроматических излучений называют спектральными.

Если луч белого цвета разложить с помощью призмы в спектр, то можно увидеть ряд непрерывно изменяющихся цветов: темно-синий, синий, голубой, сине-зеленый, желто-зеленый, желтый, оранжевый, красный.

Цвет излучения определяется длиной волны. Весь видимый спектр излучений расположен в диапазоне длин волн от 380 до 720 нм (1 нм = 10 -9 м, т.е. одной миллиардной доли метра).

Всю видимую часть спектра можно разделить на три зоны

• Излучением длиной волны от 380 до 490 нм называется синей зоной спектра;
• от 490 до 570 нм - зеленой;
• от 580 до 720 нм - красной.

Различные предметы человек видит окрашенными в разные цвета потому, что монохроматические излучения отражаются от них по-разному, в разных соотношениях.

Все цвета делятся на ахроматические и хроматические

• Ахроматические (бесцветные) - это серые цвета различной светлоты, белый и черный цвета. Ахроматические цвета характеризуются светлотой.
• Все остальные цвета – хроматические (цветные): синий, зеленый, красный, желтый и т.д. Хроматические цвета характеризуются цветовым тоном, светлотой и насыщенностью.

Цветовой тон - это субъективная характеристика цвета, которая зависит не только от спектрального состава излучений, попавших в глаз наблюдателя, но и от психологических особенностей индивидуального восприятия.

Светлота субъективно характеризует яркость цвета.

Яркость определяет силу света, излучаемую или отражаемую с единицы поверхности в перпендикулярном к ней направлении (единица яркости – кандела на метр, кд/м).

Насыщенность субъективно характеризует интенсивность ощущения цветового тона.
Поскольку в возникновении зрительного ощущения цвета участвует не только источник излучения и окрашенный предмет, но и глаз и мозг наблюдателя, то следует рассмотреть некоторые основные сведения о физической сущности процесса цветового зрения.

Восприятие цвета глазом

Известно, что глаз по устройству представляет собой подобие фотоаппарата, в котором сетчатка играет роль светочувствительного слоя. Излучения различного спектрального состава регистрируются нервными клетками сетчатки (рецепторами).

Рецепторы, обеспечивающие цветовое зрение, подразделяются на три типа. Каждый тип рецепторов по-разному поглощает излучение трех основных зон спектра - синей, зеленой и красной, т.е. обладает различной спектральной чувствительностью. Если на сетчатку глаза попадает излучение синей зоны, то оно будет воспринято только одним типом рецепторов, которые и передадут информацию о мощности этого излучения в мозг наблюдателя. В результате возникнет ощущение синего цвета. Аналогично будет протекать процесс и в случае попадания на сетчатку глаза излучений зеленой и красной зон спектра. При одновременном возбуждении рецепторов двух или трех типов будет возникать цветовое ощущение, зависящее от соотношения мощностей излучения различных зон спектра.

При одновременном возбуждении рецепторов, регистрирующих излучения, например, синей и зеленой зон спектра, может возникнуть световое ощущение, от темно-синего до желто-зеленого. Ощущение в большей степени синих оттенков цвета будет возникать в случае большей мощности излучений синей зоны, а зеленых оттенков - в случае большей мощности излучения зеленой зоне спектра. Равные по мощности излучения синей и зеленой зон вызовут ощущение голубого цвета, зеленый и красной зон - ощущение желтого цвета, красной и синей зон - ощущение пурпурного цвета. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются в связи с этим двухзональными. Равные по мощности излучения всех трех зон спектра вызывают ощущение серого цвета различной светлоты, который превращается в белый цвет при достаточной мощности излучений.

Аддитивный синтез света

Это процесс получения различных цветов за счет смешивания (сложения) излучений трех основных зон спектра - синего, зеленого и красного.

Эти цвета называются основными или первичными излучениями адаптивного синтеза.

Различные цвета могут быть получены этим способом, например, на белом экране с помощью трех проекторов со светофильтрами синего (Blue), зеленого (Green) и красного (Red) цветов. На участках экрана, освещаемых одновременно из разных проекторов могут быть получены любые цвета. Изменение цвета достигается при этом изменением соотношения мощности основных излучений. Сложение излучений происходит вне глаза наблюдателя. Это одна из разновидностей аддитивного синтеза.

Еще одна разновидность аддитивного синтеза - пространственное смещение. Пространственное смещение основано на том, что глаз не различает отдельно расположенных мелких разноцветных элементов изображения. Таких, например, как растровые точки. Но вместе с тем мелкие элементы изображения перемещаются по сетчатке глаза, поэтому на одни и те же рецепторы последовательно воздействует различное излучение соседних разноокрашенных растровых точек. В связи с тем, что глаз не различает быстрой смены излучений, он воспринимает их как цвет смеси.

Субтрактивный синтез цвета

Это процесс получения цветов за счет поглощения (вычитания) излучений из белого цвета.

В субтрактивном синтезе новый цвет получают с помощью красочных слоев: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow). Это основные или первичные цвета субтрактивного синтеза. Голубая краска поглощает (вычитает из белого) красные излучения, пурпурная - зеленые, а желтая - синие.

Для того, чтобы субтрактивным способом, получить, например, красный цвет нужно на пути белого излучения поместить желтый и пурпурный светофильтры. Они будут поглощать (вычитать) соответственно синие и зеленые излучения. Такой же результат будет получен, если на белую бумагу нанести желтую и пурпурные краски. Тогда до белой бумаги дойдет только красное излучение, которое отражается от нее и попадает в глаз наблюдателя.

• Основные цвета аддитивного синтеза - синий, зеленый и красный и
• основные цвета субтрактивного синтеза - желтый, пурпурный и голубой образуют пары дополнительных цветов.

Дополнительными называют цвета двух излучений или двух красок, которые в смеси делают ахроматический цвет: Ж + С, П + З, Г + К.

При аддитивном синтезе дополнительные цвета дают серый и белый цвета, так как в сумме представляют излучение всей видимой части спектра, а при субтрактивном синтезе смесь указанных красок дает серый и черный цвета, в виде того, что слои этих красок поглощают излучения всех зон спектра.

Рассмотренные принципы образования цвета лежат и в основе получения цветных изображений в полиграфии. Для получения полиграфических цветных изображений используют так называемые триадные печатные краски: голубую, пурпурную и желтую. Эти краски прозрачны и каждая из них, как уже было указано, вычитает излучение одной из зон спектра.

Однако, из-за неидеальности компонентов субтактивного синтеза при изготовлении печатной продукции используют четвертую дополнительную черную краску.

Из схемы видно, что если наносить на белую бумагу триадные краски в различном сочетании, то можно получить все основные (первичные) цвета как для аддитивного синтеза, так и для субтрактивного. Это обстоятельство доказывает возможность получения цветов необходимых характеристик при изготовлении цветной полиграфической продукции триадными красками.

Изменение характеристик воспроизводимого цвета происходит по-разному, в зависимости от способа печати. В глубокой печати переход от светлых участков изображения к темным осуществляется благодаря изменению толщины красочного слоя, что и позволяет регулировать основные характеристики воспроизводимого цвета. В глубокой печати образование цветов происходит субтрактивно.

В высокой и офсетной печати цвета различных участков изображения передаются растровыми элементами различной площади. Здесь характеристики воспроизводимого цвета регулируются размерами растровых элементов различного цвета. Ранее уже отмечалось, что цвета в этом случае образуются аддитивным синтезом – пространственным смешиванием цветов мелких элементов. Однако, там, где растровые точки различных цветов совпадают друг с другом и краски накладываются одна на другую, новый цвет точек образуется субтрактивным синтезом.

Оценка цвета

Для измерения, передачи и хранения информации о цвете необходима стандартная система измерений. Человеческое зрение может считаться одним из наиболее точных измерительных приборов, но оно не в состоянии ни присваивать цветам определенные числовые значения, ни в точности их запоминать. Большинство людей не осознает, насколько значительно воздействие цвета на их повседневную жизнь. Когда дело доходит до многократного воспроизведения, цвет, кажущийся одному человеку «красным», другим воспринимается как «красновато-оранжевый».

Методы, которыми осуществляется объективная количественная характеристика цвета и цветовых различий, называют колориметрическими методами.

Трехцветная теория зрения позволяет объяснить возникновение ощущений различного цветового тона, светлоты и насыщенности.

Цветовые пространства

Координаты цвета
L (Lightness) - яркость цвета измеряется от 0 до 100%,
a - диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого -120 до красного значения +120,
b - диапазон цвета от синего -120 до желтого +120

В 1931 г. Международная комиссия по освещению – CIE (Commission Internationale de L`Eclairage) предложила математически рассчитанное цветовое пространство XYZ, в котором весь видимый человеческим глазом спектр лежал внутри. В качестве базовых была выбрана система реальных цветов (красного, зеленого и синего), а свободный пересчет одних координат в другие позволял проводить различного рода измерения.

Недостатком нового пространства была его неравноконтрастность. Понимая это, ученые проводили дальнейшие исследования, и в 1960 г. Мак-Адам внес некоторые дополнения и изменения в существовавшее цветовое пространство, назвав его UVW (или CIE-60).

Затем в 1964 г. по предложению Г. Вышецкого было введено пространство U*V*W* (CIE-64).
Вопреки ожиданию специалистов предложенная система оказалась недостаточно совершенной. В одних случаях используемые при расчете цветовых координат формулы давали удовлетворительные результаты (в основном при аддитивном синтезе), в других (при субтрактивном синтезе) погрешности оказывались чрезмерными.

Это заставило CIE принять новую равноконтрастную систему. В 1976 г. были устранены все разногласия и на свет появились пространства Luv и Lab, базирующиеся на том же XYZ.

Эти цветовые пространства принимают за основу самостоятельных колориметрических систем CIELuv и CIELab. Считается, что первая система в большей мере отвечает условиям аддитивного синтеза, а вторая - субтрактивного.

В настоящее время цветовое пространство CIELab (CIE-76) служит международным стандартом работы с цветом. Основное преимущество пространства - независимость как от устройств воспроизведения цвета на мониторах, так и от устройств ввода и вывода информации. С помощью стандартов CIE могут быть описаны все цвета, которые воспринимает человеческий глаз.

Количество измеряемого цвета характеризуется тремя числами, показывающими относительные количества смешиваемых излучений. Эти числа называются цветовыми координатами. Все колориметрические методы основаны на трехмерности т.е. на своего рода объемности цвета.

Эти методы дают столь же надежную количественную характеристику цвета, как например измерение температуры или влажности. Отличие состоит лишь в количестве характеризующих значений и их взаимосвязи. Эта взаимосвязь трех основных цветных координат выражается в согласованном изменении при изменении цвета освещения. Поэтому «трехцветные» измерения проводятся в строго определенных условиях при стандартизованном белом освещении.

Таким образом, цвет в колориметрическом понимании однозначно определяется спектральным составом измеряемого излучения, цветовое же ощущение не однозначно определяется спектральным составом излучения, а зависит от условий наблюдения и в частности от цвета освещения.

Физиология рецепторов сетчатки

Восприятие цвета связано с функцией колбочковых клеток сетчатки глаза. Пигменты, содержащиеся в колбочках поглощают часть падающего на них света и отражающее остальную. Если какие-то спектральные компоненты видимого света поглощаются лучше других, то этот предмет мы воспринимаем как окрашенный.

Первичное различение цветов происходит в сетчатке- в палочках и колбочках свет вызывает первичное раздражение, которое превращается в электрические импульсы для окончательного формирования воспринимаемого оттенка в коре головного мозга.

В отличие от палочек, содержащих родопсин, колбочки содержат белок йодопсин. Йодопсин - общее название зрительных пигментов колбочек. Существует три типа йодопсина:

• хлоролаб («зелёный», GCP),
• эритролаб («красный», RCP) и
• цианолаб («синий», BCP).

В настоящее время известно, что светочувствительный пигмент йодопсин находящийся во всех колбочках глаза, включает в себя такие пигменты, как хлоролаб и эритролаб. Оба эти пигмента чувствительны ко всей области видимого спектра, однако первый из них имеет максимум поглощения, соответствующий жёлто-зеленой (максимум поглощения около 540 нм.), а второй жёлто-красной (оранжевой) (максимум поглощения около 570 нм.) частям спектра. Обращает на себя внимание тот факт, что их максимумы поглощения расположены рядом. Это не соответствуют принятым «основным» цветам и не согласуется с основными принципами трёхкомпонентной модели.

Третий, гипотетический пигмент, чувствительный к фиолетово-синей области спектра, заранее получивший название цианолаб, на сегодняшний день так и не найден.

Кроме того, найти какую-либо разницу между колбочками в сетчатке глаза не удалось, не удалось и доказать наличие в каждой колбочке только одного типа пигмента. Более того, было признано, что в колбочке одновременно находятся пигменты хлоролаб и эритролаб.

Неаллельные гены хлоролаба (кодируется генами OPN1MW и OPN1MW2) и эритролаба (кодируется геном OPN1LW) находятся в Х-хромосомах. Эти гены давно хорошо выделены и изучены. Поэтому чаще всего встречаются такие формы дальтонизма, как дейтеронопия (нарушение образования хлоролаба) (6 % мужчин страдают этим заболеванием) и протанопия (нарушение образования эритолаба) (2 % мужчин). При этом некоторые люди, имеющие нарушения восприятия оттенков красного и зелёного, лучше людей с нормальным восприятием цветов воспринимают оттенки других цветов, например, цвета хаки.

Ген цианолаба OPN1SW расположен в седьмой хромосоме, поэтому тританопия (аутосомная форма дальтонизма, при которой нарушено образования цианолаба) - редкое заболевание. Человек, больной тританопией, всё видит в зеленых и красных цветах и не различает предметы в сумерках.

Нелинейная двухкомпонентная теория зрения

По другой модели (нелинейная двухкомпонентная теория зрения С. Ременко), третий «гипотетический» пигмент цианолаб не нужен, приёмником синей части спектра служит палочка. Это объясняется тем, что при яркости освещения достаточной для различения цветов, максимум спектральной чувствительности палочки (благодаря выцветанию содержащегося в ней родопсина) смещается от зелёной области спектра к синей. По этой теории колбочка должна содержать в себе всего два пигмента с рядом расположенными максимами чувствительности: хлоролаб (чувствительный к жёлто-зелёной области спектра) и эритролаб (чувствительный к жёлто-красной части спектра). Эти два пигмента давно найдены и тщательно изучены. При этом колбочка является нелинейным датчиком отношений, выдающем не только информацию о соотношении красного и зелёного цвета, но и выделяющем уровень жёлтого цвета в этой смеси.

Доказательством того, что приёмником синей части спектра в глазу является палочка, может служить и тот факт, что при цветоаномалии третьего типа (тританопия), глаз человека не только не воспринимает синей части спектра, но и не различает предметы в сумерках (куриная слепота), а это указывает именно на отсутствие нормальной работы палочек. Сторонники трёхкомпонентных теорий объяснить, почему всегда, одновременно с прекращением работы синего приёмника, перестают работать и палочки до сих пор не могут.

Кроме того, подтверждением этого механизма является и давно известный Эффект Пуркинье, суть которого заключается в том, что при наступлении сумерек, когда освещённость падает, красные цвета чернеют, а белые кажутся голубоватыми . Ричард Филлипс Фейнман отмечает, что: «это объясняется тем, что палочки видят синий край спектра лучше, чем колбочки, но зато колбочки видят, например, тёмно красный цвет, тогда как палочки его совершенно не могут увидеть».

В ночное время, когда поток фотонов недостаточен для нормальной работы глаза, зрение обеспечивают в основном палочки, поэтому ночью человек не может различать цвета.

На сегодняшний день придти к единому мнению о принципе цветовосприятия глазом пока не удалось.

Процесс получения различных цветов с помощью нескольких основных (первичных) излучений или красок называется цветовым синтезом. Существует два принципиально различных метода цветового синтеза: аддитивный и субтрактивный синтезы.

В аддитивном синтезе смешиваются первичные излучения. В качестве первичных могут быть использованы два, три и более различных по цвету излучений, но наиболее распространен трехцветный аддитивный синтез. Первичные цвета и создающие их излучения называются основными. Основные излучения аддитивного синтеза - синие, зеленые и красные, т.е. излучения трех основных зон спектра.

Аддитивный синтез цвета (модель RGB)- воспроизведение цвета в результате оптического смешения излучений базовых цветов (красного, зелёного и синего - R, G, B). Используется в мониторах издательских систем при создании цветных изображений на экране, а также на экране телевизора.

Разновидностью аддитивного синтеза является временное смешение - последовательное смешение или образование различных цветов при быстрой смене излучений вне глаза, например, на диске типа волчка или на экране цветного телевизора. При быстром вращении окрашенного в разные цвета диска цвета суммируются вследствие явлений инерционности зрения.

Пространственное смешение - другая разновидность аддитивного способа. Пространственное смешение основано на том, что глаз не различает очень близко расположенные друг к другу мелкие разноцветные участки, а воспринимает их слитно, как одно целое. Если эти мелкие участки имеют различную окраску, то мы видим только их обобщенный цвет - цвет аддитивной смеси. Если ряд очень мелких разноцветных пятнышек, лежащих близко одно от другого, рассматривать на достаточно большом удалении, то эти пятнышки в отдельности зрительно не различаются. Вместо разноцветных мелких пятнышек мы видим одинаковые по цвету участки. Например, отдельные песчинки на берегу, мы различаем лишь на близком расстоянии. Листы бумаги, слегка покрытые угольной пылью, на удалении мы видим серыми, не различая на них отдельных пылинок и просвечивающую между ними бумагу.

Смешение цветов мелких разноокрашенных участков с образованием единого для них цвета происходит по правилам аддитивного синтеза, т. е. оптическим смешением излучений. Это объясняется тем, что при взгляде на какой-либо предмет его изображение непрерывно перемещается по сетчатке глаза. Если отдельные цветные элементы малы в сравнении с непрерывными колебаниями глаза, то на одни и те же рецепторы попадают последовательные излучения от рядом расположенных разноцветных элементов. Пространственное смешение разноцветных мелких окрашенных участков имеет место при синтезе цвета на оттисках высокой и офсетной (плоской) печати, на картинах живописи, особенно, направление "пуантилизм". Французские художники изобрели в живописи подобный автотипному синтезу художественный прием, назвав его пуантилизмом. Он был изобретен для создания ярких и чистых цветов на полотне. Суть приема состоит в нанесении на холст четких раздельных мазков (в виде точек или мелких прямоугольников) чистых красок в расчете на их оптическое смешение в глазу зрителя, в отличие от механического смешения красок на палитре. Изобрел пуантилизм французский живописец Жорж Сёра на основе теории дополнительных цветов. Было замечено, что оптическое смешение трех чистых основных цветов (красный, синий, желтый) и пар дополнительных цветов (красный - зеленый, синий - оранжевый, желтый - фиолетовый) дает значительно большую яркость, чем механическая смесь красок.

В субтрактивном синтезе новый цвет получают наложением одного на другой красочных слоев - желтого, пурпурного и голубого. Синие, зеленые и красные излучения поглощаются этими красками (т.е. последовательно вычитаются из белого света). Поэтому цвет окрашенного участка определяется теми излучениями, которые проходят через все три слоя и попадают в глаз наблюдателя. Желтая, пурпурная и голубая краски - основные (первичные) для субтрактивного синтеза. Субтрактивный синтез цвета (модель CMYK)- получение цвета в результате вычитания отдельных спектральных составляющих из белого. Такой синтез наблюдается при освещении белым светом цветного оттиска. Свет падает на цветной участок; при этом часть его поглощается (вычитается) красочным слоем, а остальная часть, отражаясь, в виде окрашенного потока попадает в глаз наблюдателя.

Само название цветового синтеза указывает на принцип образования различных цветов. Слово «аддитивный» - слагательный, «субтрактивный» - вычитательный. При аддитивном синтезе цвета меняются от изменения соотношения интенсивности основных излучений, а при субтрактивном синтезе - от толщины слоев или концентрации в них красящих веществ. Поэтому помимо понятия о первичных цветах и красках для характеристики синтеза вводят понятие о количестве первичных излучений или красок. Эти величины, которые характеризуют количества первичных излучений или основных красок, называют аддитивными или субтрактивными координатами цвета.

Аддитивные координаты цвета указывают на относительные мощности смешиваемых (слагаемых) излучений при аддитивном синтезе. Субтрактивные координаты цвета указывают на относительные количества желтой, пурпурной и голубой красок, которыми воспроизводятся все другие цвета на оттиске.

Как и в аддитивном, в субтрактивном синтезе новый цвет может быть образован меньшим или большим, чем три, числом основных красок. На практике для субтрактивного синтеза часто используют большее число красок. Например, к трем цветным добавляют четвертую - черную.