Физиология восприятия цвета. Цветовое пространство CIE XYZ
Автор: Антон Мелешкевич
Что такое свет и цвет
Свет — это электромагнитное излучение волн длиной примерно от 400 до 700 нанометров, которое улавливает наш глаз.
Так сложилось эволюционно, что наши глаза способны улавливать данный диапазон волн, а наш мозг интерпретирует эту информацию и делает какие-то выводы на основе, если так можно выразиться, «увиденного». Это мы называем зрением. А цвет — это просто наш способ различать разные длины волн в данном диапазоне.
И если мы видим зеленую траву, это значит, что трава поглотила диапазон волн всего видимого излучения, кроме того, который нами воспринимается как зеленый цвет. И этот диапазон волн трава отражает. То есть, проще говоря, трава поглотила весь солнечный свет (все цвета радуги) и отразила нам в глаза зеленый цвет.
Конечно, в реальности трава (как и любой другой объект) отражает множество разных длин волн. И наш мозг для суждения о цвете, а точнее, об оттенке цвета, выбирает длины волн наибольшей интенсивности.
Как «видит» глаз
Глаз имеет два вида фоторецепторов: колбочки и палочки. Колбочки отвечают за цветное зрение. А когда становится темно, то интенсивности света не хватает для их возбуждения, и тогда начинают работать палочки, которыми мы цвета уже не различаем.
Колбочки бывают трех видов, каждый из которых воспринимает свой диапазон волн. Диапазон длинных волн, средних и коротких. Или long, mid, short. Или LMS. Либо эти диапазоны можно обозначить условно и с большой натяжкой как красный, зеленый и синий.
И когда мы смотрим на предмет желтого цвета, то наиболее интенсивно он отражает электромагнитную волну длиной 580 нанометров. Как видно из графика выше, ее улавливают зеленая и красная колбочки с некоторым соотношением чувствительностей.
То есть, если нам в глаза светить зеленым и красным светом, то видеть мы будем желтый, хоть 580 нм нам в глаза и не попало. Это свойство зрения называется метамеризм. А многообразие цветов, которое можно получить таким смешением, называется аддитивным. От ‘add’ — «добавлять».
Белый цвет
Любой свет с равномерным спектром излучения мы видим как белый. А еще наш мозг можно обмануть, заставив нас видеть белый свет там, где его на самом деле нет. Это делается с помощью трех основных цветов, если взять их в условно равном количестве. Стоит добавить, что под белым цветом всегда подразумевается просто частный случай серого или нейтральный цвет, который, в данном случае, просто обладает высокой интенсивностью относительно его окружения.
Мы уже выяснили, что в зависимости от того, волна какой длины из всех волн, отраженных объектом, будет наиболее интенсивной, такого цветового оттенка (Hue) мы и будем видеть объект. И чем меньше будет отражаться (или излучаться) волн других длин, помимо самой интенсивной, тем большей насыщенностью (Saturation) будет обладать этот цвет. Есть еще третья характеристика цвета — это его яркость (Brightness, Lightness, Value и др.), которая является интенсивностью или мощностью излучаемого спектра. Эти три характеристики могут описать вообще любой цвет.
Зная это, давайте теперь посмотрим, как выглядит излучаемый спектр разных источников света.
Вот эта неравномерность спектров (резкие пики и провалы) измеряется в условной единице CRI. Так называемый индекс цветопередачи или Color Rendering Index. У солнца он равен 100 и мы условно принимаем его за эталон. А если посмотреть на спектр флуоресцентной лампы, то мы видим, что к примеру, длин волн, соответствующих красному цвету, она почти не излучает. А это значит, что красным предметам будет особо нечего отражать, чтобы выглядеть такими же красными, какими мы их видим при дневном свете, у которого спектр гораздо более полный и равномерный. Так, у флуоресцентных ламп индекс цветопередачи в районе 40.
Абсолютно черное тело
Абсолютно черное тело — физическое тело, которое при любой температуре поглощает всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах. То есть оно поглощает все цвета, чем на него ни свети.
Но хоть оно и называется абсолютно черным телом, оно само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь цвет. И его спектр определяется только температурой этого абсолютно черного тела. Допустим, сажа поглощает до 99% падающего на неё излучения (то есть имеет альбедо, равное 0,01). Правда это только в видимом диапазоне длин волн.
Куда ближе к свойствам абсолютно чёрного тела обладает Солнце. Мощнее всего Солнце излучает волны длиной 450 нм, что соответствует температуре около 5505 градусов. Но применительно к абсолютно черному телу принято использовать другую единицу измерения температуры — градус Кельвина, или более современный вариант — просто кельвин. Думаю, все в школе на физике проходили абсолютный ноль, который равен -273 градусам Цельсия. Вот этот абсолютный ноль также равен 0 кельвин. То есть температура солнца в кельвинах 5505+273=5778 кельвин.
Благодаря эволюции, солнечный свет мы воспринимаем белым. Поэтому любое абсолютно чёрное тело, нагретое до температуры Солнца (5778 кельвин) будет светить так называемым «белым» светом. Но если бы мы зародились и развивались на планете с любой другой температурой ее звезды, то цвет излучаемого света такой звезды нами бы всё равно воспринимался белым. А точнее нейтральным. Например, на планете со звездой температурой 50 000 кельвин ее свечение нам казалось бы не голубым, как сейчас, а белым. А Солнце бы нам казалось не белым, а оранжевым. То есть наше восприятие спектра излучения дневного света эволюционировало так, чтобы любые другие цвета, отличающиеся от дневного, были лучше различимы под таким освещением.
Почему меняется цвет при нагревании абсолютно черного тела? Потому что чем большую мощность испускает объект своим излучением, тем короче должна быть длина волны, чтобы быть способной передать от него эту мощность. Чем короче длина волны, тем визуально «холоднее» нам кажутся цвета.
Рабочая температура нити лампы накаливания меньше, чем температура солнца — 2000-2800 градусов Цельсия. Или где-то, в среднем, 2700 кельвин. Чем мощнее лампа накаливания, тем выше ее температура и тем визуально «холоднее» от нее исходит свет. Несложно догадаться, почему звезды на небе имеют голубоватый оттенок.
Почему мы привыкли считать, что чем теплее объект наощупь, тем более красноватым светом он будет светиться? Потому что всю свою эволюцию мы сталкивались с температурами, которые уже очень для нас горячи, но всё еще недостаточно горячи, чтоб выглядеть так же бело, как Солнце, и уж тем более, как более горячие по температуре и более «холодные» визуально, другие звезды. Отличным примером очень горячего для нас объекта, который всё же холоднее Солнца, является костер, излучающий красно-оранжевое свечение.
И наоборот, дождь, молнии, холод, пасмурная погода — всё это сопровождается сине-голубыми цветами. И потому мы такие оттенки цвета называем «холодными».
Адаптация глаза
Цветовая адаптация
Если мы находимся в комнате с белыми стенами с «теплым» (желто-оранжевым) светом, то мы всё равно видим цвет этих стен как белый. Снова передаем «Привет» эволюции, благодаря которой любой цвет, в наибольшем количестве представленный в поле нашего зрения, наш мозг старается интерпретировать как нейтральный. Для этого он снижает свою чувствительность к сигналам от тех или иных колбочек нашего глаза. И если мы будем какое-то время смотреть, допустим, на этот ромб зеленого цвета, а потом резко посмотрим на нейтральный белый фон, то на короткое время мы увидим пурпурный ромб на белом фоне.
Это происходит потому, что мозг ослабил свою чувствительность к сигналам от некоторых колбочек, отвечающих за восприятие зеленого цвета. И теперь на белом фоне на месте зеленого ромба мы видим пурпурный ромб, который получается при сложении сигналов с красных и синих колбочек. То есть наш мозг от белого цвета отнял зеленый. И осталась только смесь красного и синего, которая и дала нам пурпурный ромб.
А еще, если мы знаем, как объект выглядит под солнцем, то мы будем видеть его таким же при любом освещении. То есть белый лист бумаги мы будем видеть белым и при дневном свете, и при свете от лампы накаливания.
Конечно, речь идет только об источниках, схожих по визуальной «температуре» света с источниками света, с которыми мы сталкивались за всё время нашего существования и эволюции. То есть солнце, костер, луна. В ночном клубе под синими LED-ами всё будет воприниматься нами так же синим.
Световая адаптация
Помимо цветовой адаптации есть еще и световая адаптация. Тут всё просто. Чем ярче вокруг, тем меньше чувствительность глаза к свету. И наоборот.
Раз уж зашла речь про адаптацию глаза, покажу и вот эту картинку, которую все уже миллион раз видели и знают. На самом деле, серые квадратики A и B одного цвета, но из-за разного окружения их яркость нам кажется разной.
Адаптация глаза — одно из важнейших свойств нашего мозга, которые обязательно нужно учитывать в работе.
Цветовое пространство CIE XYZ
На дворе 1929 год. Давайте-ка все эти знания переведем в числа и формулы. В результате гуманных экспериментов над людьми, в которых испытуемые смешивали в разных пропорциях излучаемые красный, зеленый и синий цвета для получения других оттенков, совпадающих со светящими рядом источниками различных референсных цветов, а экспериментаторы записывали пропорции этого смешения, мы получаем вот такие графики.
Все видимые оттенки циана мы получить в ходе эксперимента не могли, так что обходились подмешиванием красного в источники референсных оттенков циана. Оттуда и провал красной кривой на графике.
А поскольку у нас хоть уже и 1931 год, но компьютеров всё еще нет, то нам не очень хочется работать с отрицательными значениями. Так что перестроим график с такими условиями, чтобы отрицательных значенией не было. И заодно пусть у нас зеленый график соответствует визуальной яркости сигнала, а синий график трогать не будем. Получим вот такие новые графики. Назовем их X, Y, Z. Красный, зеленый и синий.
Мы получили цветовое пространство. В нем мы можем описать любой видимый цвет тремя числами. А поскольку «мы» — это «Международная комиссия по освещению», а раз «мы» во Франции, то даже Commission internationale de l’éclairage (International Commission on Illumination), то назовем это пространство CIE XYZ.
А теперь как бы нам это наглядно всё изобразить на бумаге? Давайте возьмем X и Y. Выкинем Z, потому что у нас есть вот такие формулы:
x = X/(X+Y+Z)
y = Y/(X+Y+Z)
Сделаем X и Y маленькими буквами. И поскольку букв в алфавите мало и надо экономить, возьмем еще недавно использованную для совсем другого большую букву Y, которая будет обозначать яркость.
Мы получили новое цветовое пространство xyY.
А теперь берем и режем этот трехмерный кусок горизонтально.
И получив вот такой срез, называем его хроматической диаграммой. Или диаграммой цветности. На ней представлены все цвета вне зависимости от яркости, которые мы с вами способны увидеть. А если говорить корректнее, то все цвета, которые удалось описать по результатам вышеупомянутого эксперимента. Так называемые чистые цвета на этой диаграмме расположены по ее краю. Один из краев хроматической диаграммы не острый, а в форме языка, потому что мы не можем перескочить из 400 нанометров в 700 нанометров.
Самый центр этой кривой обозначается буквой E. Ему принадлежат координаты x= 0,33 и y = 0,33. Или не 0,33, а 1/3, если быть точным. Но эта буква нам не пригодится. Она нужна для специфических задач, с которыми сталкиваются инженеры, а не пользователи: колористы, операторы и VFX-артисты.
В центре есть кривая. Это кривая температуры абсолютно черного тела.
Буквой A обозначается примерный цвет, испускаемый домашними лампочками накаливания. Ей соответствует 2856 K. Буква B — Солнце в полдень, 4874 K. Буква C — Усредненный дневной свет, 6774 K.
Однако значения букв B и C были не особо точны. Так что появилась серия обозначений для источников света — D, числа в названиях которых приблизительно обозначают соответствующие им реальные температуры. А именно:
- D50 — 5003 K
- D55 — 5455 K
- D65 — 6504 K
- D75 — 7504 K
Все эти обзначения указывают на координаты так называемой точки белого, или White Point.
Бытовые дисплеи стремятся отображать белый цвет в соответствии с цветовой температурой источника света D65. А допустим, в кинотеатре, из-за особенностей ламп для проекции, точка белого приходится на координаты x=0.314 y=0.351, что соответствует примерно температуре условного D63, но только зеленее. Также стоит обратить внимание, что ни одна из этих букв не пришлась на линию абсолютно черного тела. То есть у них у всех есть отклонение либо в зеленый, либо в пурпурный оттенок. Такое отклонение принятно называть тинт (Tint).
Есть еще серия источников света F. От F1 до F12. Эта серия представляет разные типы флуоресцентного свечения.
Коротко об sRGB
Возвращаясь к бытовым дисплеям, давайте посмотрим, какую часть видимого спектра они способны, а если быть точным, должны быть способны отобразить.
Это пространство цветов называется sRGB (standard Green, Red, Blue). Его разработали в 1996 году Майкрософт совместно с HP.
Углами треугольника являются определенные координаты на этой диаграмме. То есть по этим координатам расположены максимально возможно чистые, или основные, цвета данного цветового пространства, которые принято называть Primary Colors или Primaries. А точка белого этого цветового пространства соответствует источнику света D65. То есть можно сказать, что цветовое пространство sRGB имеет координаты праймериз для красного канала: x = 0.6400, y = 0.3300; зеленого: x = 0.3000, y = 0.6000; синего: x = 0.6400, y = 0.0600; и точку белого с координатами: x = 0.3127, y = 0.3290 (D65).
Праймериз sRGB основано и полностью соответствует праймериз другого цветового пространства ITU-R BT.709, оно же Rec.709 (от ITU-R Recommendation BT.709), которому соответствуют студийные видео-мониторы с электронно-лучевой трубкой.
Большинство картинок взяты из Википедии и других образовательных ресурсов. Некоторые формулировки основаны на вот этой статье. О чем-то там более подробно, о чем-то не сказано. Но лишним не будет ознакомиться и с ней.