По дисциплине “цифровая обработка видео данных” для направления «5350100- телекоммуникационные технологии

Основы теории цвета
Хотя процесс восприятия и интерпретации цвета человеческим мозгом представляет собой еще не до конца исследованное психофизиологическое явление, физическая природа цвета может быть точно описана на основе экспериментальных и теоретических результатов.
В 1666 г. сэр Исаак Ньютон обнаружил, что при прохождении луча солнечного света через стеклянную призму выходящий поток лучей не является белым, но состоит из непрерывного спектра цветов, простирающихся от фиолетового цвета на одном конце до красного на другом. Как показывает рис. 6.1, спектр белого света (видимый) может быть разделен на шесть широких цветовых диапазонов: фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. При рассмотрении полного спектра на рис. 6.2 видно, что ни один цветовой диапазон не имеет ярко выраженных границ; вместо этого каждый цвет плавно переходит в другой.
Цвет, воспринимаемый человеком и некоторыми другими животными как цвет объекта, определяется, по существу, характером отраженного от объекта света. Как показано на рис. 6.2, видимый свет составляет относительно узкую часть всего диапазона длин волн электромагнитного спектра. Тело, которое равномерно отражает свет во всем видимом диапазоне длин волн, выглядит для наблюдателя как белое. Однако тело, которое отражает свет преимущественно в некотором ограниченном диапазоне видимого спектра, приобретает некоторый цвет. Так, например, объект зеленого цвета отражает главным образом свет с длиной волны в диапазоне от 500 до 570 нм и поглощает большую часть энергии в диапазонах других длин волн.
Важную роль в науке о цвете играет выбор параметров, характеризующих свет. Когда свет является ахроматическим (неокрашенным), в роли единственной такой характеристики выступает интенсивность. Ахроматический свет — это то, что видит зритель на экране черно-белого телевизора, и именно такой свет был до сих пор неявной составной частью всех наших рассмотрений, связанных с обработкой изображений. Определенный в главе 2 и многократно использованный впоследствии термин яркость (полутоновая яркость или уровень серого) обозначает количественную меру интенсивности, которая принимает значения в диапазоне от черного до белого, с промежуточными серыми оттенками.



Рис.1.1. Разложение белого света на спектральные составляющие при прохождении через оптическую призму. (Изображение предоставлено General Electric Co., Lamp Business Division)
Хроматический (окрашенный) свет охватывает диапазон электромагнитного спектра приблизительно от 400 нм до 700 нм. Хроматические источники света характеризуются тремя основными величинами: потоком лучистой энергии, световым потоком и светлотой. Поток лучистой энергии, обычно измеряемый в ваттах (Вт), — это общее количество энергии, излучаемой источником света в единицу времени. Световой поток, измеряемый в люменах (лм), — это поток лучистой энергии, оцениваемой по зрительному ощущению. Например, световой источник, работающий в дальнем инфракрасном диапазоне, может давать значительный поток энергии, но наблюдатель его практически не ощущает, так что световой поток такого источника почти равен нулю. Светлота является субъективной характеристикой, которая практически не поддается измерению. Она отражает уровень зрительного ощущения, производимого интенсивностью (т. е. световым потоком), и является одним из ключевых параметров для описания цветового восприятия.
Рецепторами глаза, отвечающими за восприятие цветов, являются колбочки. В результате всесторонних экспериментов было установлено, что все 6—7 миллионов колбочек человеческого глаза могут быть разделены по их восприимчивости к спектральному составу света на три основные группы, которые приблизительно соответствуют чувствительности к красному, зеленому и синему цветам. Примерно 65% всех колбочек воспринимают красный свет, 33% колбочек воспринимают зеленый свет, и только 2 % воспринимают синий цвет (однако эти колбочки являются наиболее чувствительными). На рис.3 представлены экспериментальные кривые спектральной чувствительности колбочек каждой из трех групп для среднего нормального глаза. Вследствие таких спектральных характеристик человеческий глаз воспринимает цвета как различные сочетания так называемых первичных основных цветов: красного (R), зеленого (G) и синего (B). В 1931 г. Международная комиссия по освещению (МКО) разработала стандартный набор монохроматических первичных основных цветов: синий с длиной волны 435,8 нм, зеленый — 546,1 нм и красный — 700 нм.



Рис. 2. Длины волн видимой части электромагнитного спектра. (Изображение предоставлено General Electric Co., Lamp Business Division)
Этот стандарт был установлен до того, как в 1965 г. стали доступны представленные на рис.3 кривые спектральной чувствительности. Поэтому стандарт МКО лишь приблизительно соответствует экспериментальным данным. Как показывают рис. .2 и 3, никакой монохроматический цвет в отдельности не может быть назван красным, зеленым или синим. Кроме того, важно понимать, что наличие стандартного набора монохроматических первичных основных цветов не означает, что все цвета спектра могут быть получены на основе этих фиксированных RGB-цветов. Использование термина «основные» часто приводит к тому заблуждению, что все видимые цвета могут быть воспроизведены при смешении основных первичных цветов в различных пропорциях. Как вскоре будет видно, такое утверждение неверно, за исключением того случая, когда длина волны основных цветов также может изменяться. В этом последнем случае, однако, мы уже не будем иметь трех стандартных первичных основных цветов.

Рис. 3. Кривые спектральной чувствительности колбочек человеческого глаза (зависимость относительного коэффициента поглощения от длины волны)

Первичные основные цвета могут складываться, что дает вторичные основные цвета: пурпурный (красный плюс синий), голубой (зеленый плюс синий) и желтый (красный плюс зеленый). Смешение трех первичных основных цветов или вторичного основного цвета и противоположного ему первичного в правильных пропорциях дает белый цвет. Результат такого смешения представлен на рис.4(а), где также показаны три первичных основных цвета и их сочетания, дающие вторичные основные цвета.

Рис. 4. Первичные и вторичные основные цвета световых источников и красителей. (Изображение предоставлено General Electric Co., Lamp Business Division)
Важно различать первичные основные цвета световых источников и первичные основные цвета красителей (светофильтров). В последнем случае первичный основной цвет определяется как цвет красителя, который поглощает, или вычитает, некоторый один первичный основной цвет светового источника и отражает либо пропускает два оставшихся. Поэтому для красителей первичными основными цветами являются пурпурный, голубой и желтый, а вторичными — красный, зеленый и синий. Эти цвета показаны на рис.4(б). Правильная комбинация трех первичных основных цветов красителей или вторичного основного цвета и противоположного ему первичного дает черный цвет.
Цветное телевидение дает пример аддитивного цветовоспроизведения (т. е. основанного на сложении первичных основных цветов световых источников). Внутренняя поверхность экрана электронно-лучевых трубок (ЭЛТ) цветных телевизоров составлена из большого числа триад — расположенных треугольником точек люминофоров. При возбуждении электронным лучом каждая точка триады способна излучать свет одного из первичных основных цветов. Интенсивность свечения красного люминофора модулируется с помощью, расположенной внутри кинескопа электронной пушки, которая генерирует импульсы в соответствии с энергией, измеренной телекамерой в красном диапазоне. Управление излучением зеленого и синего люминофоров осуществляется аналогично с использованием своих электронных пушек. Эффект, наблюдаемый на экране телевизионного приемника, состоит в том, что три первичных основных цвета от каждого люминофора смешиваются и воспринимаются чувствительными к цветам колбочками глаза как полноценное цветное изображение. Смена изображений со скоростью тридцать кадров в секунду делает иллюзию непрерывного воспроизведения цветного изображения на экране полной.
В последнее время ЭЛТ заменяются цифровыми технологиями «плоских панелей», такими как жидкокристаллические дисплеи (ЖКД-LCD) и плазменные экраны. Хотя по конструктивному принципу они и отличаются кардинально от ЭЛТ, эти и другие технологии используют тот же самый принцип восприятия — все они для формирования одного цветового пикселя требуют наличия трех элементарных «подпикселей» (красного, зеленого и синего). ЖКД используют поляризационные фильтры, позволяющие задерживать или пропускать поляризованный свет через экран. В дисплеях, использующих активные матрицы, для адресации и передачи сигнала каждому из пикселей экрана используются тонкопленочные транзисторы. Для формирования трех первичных цветов в триадах каждого из пикселей используются цветные фильтры. В плазменных экранах пиксели представляют собой крошечные капсулы с газом, покрытые фосфоресцирующим веществом, излучающим один из трех первичных цветов. Каждая из капсул адресуется способом, аналогичным используемому в ЖКД. Эта возможность индивидуальной адресации триады каждого из пикселей является основой цифровых дисплеев.
Параметрами, обычно используемыми для различения цветов, являются светлота, цветовой тон и насыщенность. Светлота отображает ахроматическое ощущение интенсивности. Цветовой тон характеризует доминирующий цвет, воспринимаемый наблюдателем, причем большинство цветовых тонов в своем восприятии эквивалентны тому или иному спектральному цвету (см. рис. 5). Таким образом, когда мы называем некоторый объект красным, оранжевым или желтым, мы тем самым обозначаем его цветовой тон. Насыщенность цвета связана с его относительной белизной или с количеством белого цвета в нем. Спектрально чистые (монохроматические) цвета являются полностью насыщенными. Такие цвета, как розовый (смесь красного и белого) или бледно-лиловый (смесь фиолетового и белого), менее насыщены, причем величина насыщенности цвета обратно пропорциональна количеству белого цвета в смеси.
Цветовой тон и насыщенность вместе называются цветностью, и поэтому цвет может быть охарактеризован своей светлотой и цветностью. Величины красного, зеленого и синего, необходимые для получения некоторого конкретного цвета, называются координатами цвета и обозначаются соответственно X, Y и Z. Часто при описании цвета светлота не представляет интереса, и в таком случае цветовой тон и насыщенность можно выразить в координатах цветности, которые определяются как:
(1)
(2)
(3)
Из приведенных выражений видно, что:
(4)

Для любой длины волны в диапазоне видимого спектра соответствующие координаты цвета могут быть найдены непосредственно при помощи кривых или таблиц, которые были составлены на основе обширного экспериментального материала [Poynton, 1996]. Отметим также более ранние работы [Walsh, 1958], [Kiver, 1965].

Другой способ задавать цвета основан на использовании диаграммы цветностей МКО (см. рис.5), на которой вся совокупность цветов представлена как функция x (красной) и y (зеленой) координат цветности. Для любых значений координат x и y соответствующее значение z (синей) координаты цветности может быть получено из выражения (4): . Например, точка, отмеченная на рис. 6.5 как зеленая, содержит приблизительно 62% зеленого и 25% красного. Из (4) следует, что содержание синего равно приблизительно 13 %.
Вдоль границы диаграммы цветностей, имеющей форму языка, расположены различные цвета спектра — от фиолетового с длиной волны 380 нм до красного с длиной волны 780 нм. Эти чистые (монохроматические) цвета показаны в спектре на рис.2. Любая точка, расположенная не на границе, а внутри диаграммы, представляет некоторую смесь цветов. Точка равной энергии на рис.5 соответствует равным долям трех первичных основных цветов; она представляет опорный белый цвет стандарта МКО. Любая точка, расположенная на границе диаграммы цветностей, имеет максимальную цветовую насыщенность. По мере того как точка смещается от границы к точке равной энергии, соответствующий ей цвет содержит в своем составе все большую долю белого и становится все менее насыщенным. Цветовая насыщенность точки равной энергии равна нулю.
Диаграмма цветности полезна при рассмотрении процедуры смешения цветов, поскольку отрезок, соединяющий любые две точки диаграммы, определяет всевозможные различные цвета, которые могут быть получены при смешении двух данных цветов. Рассмотрим, например, отрезок, который соединяет точки, отмеченные на рис.5 как красная и зеленая. Точки, представляющие смесь этих цветов, будут лежать на рассматриваемом отрезке. Если в смеси больше красного, чем зеленого, то новому цвету такой смеси будет соответствовать точка, находящаяся ближе к красной точке. Аналогично отрезок, проведенный от точки равной энергии к любой точке границы диаграммы, определяет все оттенки выбранного цвета.
Рассмотренная процедура непосредственно обобщается на случай смешения трех цветов. Для того чтобы определить диапазон цветов, которые могут быть получены комбинацией трех любых заданных цветов, нужно просто соединить между собой отрезками соответствующие точки на диаграмме цветности. В результате получится треугольник, и все цвета, соответствующие точкам внутри и на границе этого треугольника, могут быть получены как различные комбинации трех первоначальных цветов. Никакой треугольник с вершинами в трех точках с неизменными цветами не может включать весь диапазон цветов на рис.5. Это геометрическое наблюдение подтверждает сделанное выше замечание о том, что не все цвета могут быть получены с помощью трех фиксированных первичных основных цветов.
Треугольник на рис.6 представляет типичный для RGB-мониторов диапазон воспроизводимых цветов, называемый цветовым охватом (цветовым га мутом). Область сложной формы внутри этого треугольника представляет цветовой охват современных печатающих устройств высокого качества. Граница области охвата для печатающих устройств имеет сложную форму, потому что в процессе цветной печати одновременно используются аддитивные и субтрактивные процедуры смешения цветов. Управлять таким процессом намного труднее, чем процессом воспроизведения цветов на экране монитора, основанном на смешении трех очень хорошо контролируемых первичных основных цветов.

Рис.5. Диаграмма цветностей. (Изображение предоставлено General Electric Co., Lamp Business Division)