Физиологические аспекты

Лекция 1 в. Базовые основы цветового восприятия

В случае ввода – вывода цветных изображений возникает проблема адекватного их описания, для того, что бы зрительное восприятие реального цветного объекта соответствовало его цветному изображению при выводе на соответствующее устройство.

Далее мы рассмотрим, как решается эта проблема, но вначале напомним базовые физические основы восприятия и описания цветов.

Доказано, что цвет имеет не только информационную, но и эмоциональную составляющую. Человеческий глаз в сочетании с высокоорганизованным мозгом является очень тонким инструментом, который может воспринимать, различать и интерпретировать чрезвычайно тонкие оттенки цвета, но, при этом, ощущение цвета субъективно.

Очень трудно пересказать другому человеку свое видение цвета, даже если это какой-нибудь известный или привычный цвет, например, цвет неба или листвы. Устоявшиеся в языке определения цвета типа "светло-серый", "темно-каштановый" и прочие у разных людей вызовут различные представления.

Длительное исследование проблем, связанных с понятием цвета, привело к парадоксальным выводам: цвет — это не субстанция материи, а скорее особенность человеческого восприятия. Это означает, что цвет возникает только при определенных условиях: если имеется источник излучения — освещение, наличествует пигмент или краска у предмета и, что особенно важно, если присутствует наблюдатель.

Физические аспекты

Для физики нет различия между понятиями "свет" и "цвет". Все, что относится к свету, равным образом характеризует и цвет.

Свет с точки зрения физики представляет собой фундаментальное природное явление (одной из мировых констант является скорость света в вакууме). Это природное явление вызывается электромагнитными колебаниями. Диапазон волн занимает довольно незначительное место в общей шкале электромагнитных колебаний, а именно так называемую "видимую часть".

Световые волны образуются в результате нагревания (например, металлическая спираль электрической лампочки) или химической реакции (например, реакции горения). Образовавшиеся потоки световых волн, отражаясь от других объектов, которые сами не "светятся", обеспечивают зрительное восприятие этих объектов.

Любые колебания, в том числе и световые, характеризуются длиной волны — расстоянием между двумя соседними гребнями синусоиды. И этот диапазон чрезвычайно узок: примерно от 400 до 700 нанометров (нм) (см. таблицу).

Таблица. Длины волн диапазонов цветов

Нанометр (нм, nm) — это одна миллионная часть миллиметра, или одна миллиардная часть метра, а диапазон длин волн света составляет всего около 300 единиц. Для сравнения: весь известный диапазон электромагнитных колебаний простирается от 10⁴ метров (десять в четвертой степени, т. е. 10 километров) до 10^{-14 метров. Спектр видимых волн можно наблюдать после дождя в радуге или в физической лаборатории, пропустив тонкий луч белого света через треугольную призму (знаменитые опыты Исаака Ньютона).}

В цветовой спектр входят следующие основные диапазоны длин волн: красные, оранжевые, желтые, зеленые, голубые, синие и фиолетовые. Для того чтобы запомнить эту последовательность, вспомним поговорку: "Каждый Охотник. Желает Знать, Где Сидит Фазан".

Световые волны, которые падают на поверхность любых объектов, изменяются в силу характера этой поверхности: часть световых волн определенной длины поверхность поглощает, оставшаяся часть световых волн отражается. Таким образом, поверхность изменяет состав длин волн, достигающих органов зрения наблюдателя. У наблюдателя возникает ощущение "цвета объекта".

Физиологические аспекты

Из вышесказанного можно сделать вывод, что цвет в отсутствие человека не существует в природе. Такую проблему (и не только в отношении цвета) уже много веков обсуждают философы. Вопрос об объективности цвета, с философской точки зрения – открыт.

В настоящее время общепринятым считается подход «с позиций здравого смысла», а именно. В природе цвета действительно нет, но поскольку источник энергии излучения расположен вне человека, то световой поток для человека объективен (не зависит от него), хотя восприятие субъективно (зависит от конкретного человека).

Фундамент органов зрения — сетка чувствительных рецепторов, которые реагируют на разные длины волн и посылают в мозг комбинации электрических сигналов. Эти сигналы и формируют то ощущение, которое мы называем "цветом" — зрительное восприятие света и цвета.

Рецепторы, которые называются "палочками", ориентированы только на восприятие яркостных характеристик.

Можно сказать, что они создают изображение в режиме "серая шкала" (grayscale). Эти рецепторы довольно чувствительны и позволяют воспринимать зрительную информацию при недостаточном освещении (в сумерках) (рис. 1).

Рис. 1. Относительное восприятие интенсивности света палочками

Второй тип рецепторов, которые называются "колбочки", отвечает за цветовое восприятие. Но поскольку цвет нельзя воспринимать непосредственно, то эти "колбочки" бывают трех видов, каждый из которых ориентирован только на свой цветовой диапазон: красный, зеленый или синий. По степени возбуждения каждого вида рецепторов мозг "судит" об интенсивности светового потока в каждом из цветовых диапазонов и формирует ощущение определенного цвета (рис. 2).

Рис. 2. Относительная чувствительность колбочек

Анализ цвета

Для описания цвета, необходимо представить цветовую информацию как некий световой поток. В общем случае цвет — это совокупность разных световых волн с преобладанием определенных частот.

Для анализа спектральной составляющей светового потока используются автоматизированные спектрографические системы.

Пример такой системы приведен на фотографиях.

На фотографии: большой и угловатый чёрный ящик – это монохроматор Solar TII MS3504i, слева виден его входной порт, напротив которого закреплён световод с оптической системой, справа виден оранжевый цилиндр фотодатчика, закреплённого на выходном порту монохроматора; сверху стоит источник питания системы.


На фотографии: оптическая система, к которой подключается второй конец световода.

На фотографии: расположение оптической системы перед монитором. Управление осуществляется компьютером.

Строить описание цветовой информации на частотных характеристиках — задача очень сложная с практической точки зрения. Поэтому выполняется принудительное разделение светового потока с помощью совокупности фильтров. Этот этап называется анализом цвета.

Для того чтобы описать цветовую информацию, необходимо преобразовать его в такую форму, которая позволяет осуществлять непосредственное измерение, а именно в форму яркостных характеристик. Для этого используются фильтры.

Каждый из фильтров создает после себя однородный цветовой поток, т. е. по сути, тоновое изображение, которое достаточно легко фиксировать и кодировать — преобразовывать в цифровую форму. Практика показала, что достаточно всего трех фильтров (красного, зеленого и синего цветов). Вспомним рецепторы «колбочки».

Световой поток дублируется на три идентичных, которые проходят через три разных фильтра, а за каждым фильтром располагается устройство, фиксирующее яркость элемента дискретизации.

Цветовые модели

С физической точки зрения цвет — это набор определённых длин волн, отражённых от предмета или пропущенных сквозь прозрачный предмет. С развитием компьютерных технологий, появилась необходимость объективных способов описания и обработки цвета.

Цвета в природе редко являются простыми. Большинство цветов получаются смешением каких-либо других. Например, сочетание красного и синего даёт пурпурный цвет, синего и зелёного — голубой. Таким образом, путём смешения из небольшого количества простых цветов, можно получить множество сложных (составных). Поэтому для описания цвета используется подход — разложение его на простые составляющие.

Теоретические проблемы, затронутые выше, в настоящее время решены в определенной степени тем, что в компьютерных технологиях используется цветовые модели.

Цветовая модель (или цветовое пространство) — это способ описания цвета с помощью количественных характеристик. В этом случае не только становится возможным сравнивать отдельные цвета и их оттенки между собой, но и использовать их в цифровых технологиях.

В цветовой модели (пространстве) каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. Таким образом, цветовая модель — это геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

Однако цвет, как сложное физическое и психофизиологическое явление, не укладывается в единственную и простую модель, поэтому создано несколько моделей, исходя из разных практических требований. В цифровых технологиях используются, в основном две модели: RGB, CMYK.

Цветовая модель RGB

Множество цветов видны за счет излучения света определенных длин волн. К излучаемым цветам относятся белый свет, цвета на экране телевизора, монитора, кино, проектора и т. д. Цветов огромное количество, но из них выделено только три, которые считаются основными (первичными): это — красный, зеленый и синий (рис. 3).

Рис. 3. Цветовая модель RGB

Перечисленные цвета совпадают с теми цветами, которые упоминались при обсуждении основ физиологии зрения.

При смешении двух основных цветов результат осветляется: из смешения красного и зеленого получается желтый, из смешения зеленого и синего — голубой, синий и красный дают пурпурный. Если смешиваются все три цвета, образуется белый цвет. Поэтому такие цвета называются аддитивными.

Модель, которую мы рассматриваем, называется RGB по первым буквам английских слов Red (Красный), Green (Зеленый) и Blue (Синий).

Поскольку в модели используется три независимых значения, ее можно представить в виде трехмерной системы координат.

Каждая координата отражает вклад одной из составляющих в результирующий цвет.

В результате получается некий куб, внутри которого и "находятся" все цвета, образуя цветовое пространство модели RGB. Любой цвет, который можно выразить в цифровом виде, входит в пределы этого пространства (рис. 4).

Рис. 4. Цветовой куб

Объем такого куба (количество цифровых цветов) легко рассчитать: поскольку на каждой оси можно отложить 256 значений, то 256 в кубе (или 2 в двадцать четвертой степени) дает число 16 777 216.

Это означает, что в цветовой модели RGB можно описать более 16 миллионов цветов, но использование цветовой модели RGB вовсе не гарантирует,

что такое количество цветов может быть обеспечено на экране или на оттисках. В определенном смысле это число — скорее предельная (потенциальная) возможность.

Замечание

Следует отметить, что у аддитивной модели синтеза цвета существуют ограничения. В частности, не удается с помощью физически реализуемых источников основных цветов получить голубой цвет (как в теории — путем смешения синей и зеленой составляющих), на экране монитора он создается с некоторыми техническими ухищрениями. Кроме того, любой получаемый цвет находится в сильной зависимости от вида и состояния применяемых источников. Одинаковые числовые параметры цвета на различных экранах будут выглядеть по-разному. И, по сути дела, модель RGB — это цветовое пространство какого-то конкретного устройства, например сканера или монитора.