Трехкомпонентная теория цвета

Обычно встречаются не чистые монохроматические цвета, а их смеси. В основе трехкомпонентной теории цвета служит предполо­жение о том, что в центральной части сетчатки находятся три типа чувствительных к цвету колбочек. Первый воспринимает длины волн, лежащие в середине видимого спектра, т. е. зеленый цвет; второй — длины волн у верхнего края видимого спектра, т. е. крас­ный цвет; третий — короткие волны нижней части спектра, т. е. синий.

Если на все три типа колбочек воздействуют волны одинаковой интенсивности (яркости), то свет кажется белым. Естественный белый свет содержит все длины волн видимого спектра, однако ощущение белого света можно получить, смешивая любые три цвета, если ни один из них не является линейной комби­нацией двух других. Такие три цвета называются основными.

В машинной графике применяются две системы смешения ос­новных цветов, рис. 9.3: аддитивная — красный, зеленый, синий (RGB); субтрактивная — голубой, пурпурный, желтый (CMY).

Рисунок 9.3 – Цветовые системы: аддитивная RGB (а) и субтрактивная CMY (б)

Аддитивная цветовая система RGB удобна для светящихся по­верх­ностей, например экранов ЭЛТ. Поверхность экрана ЭЛТ, ЖК-дисплея, цветной панели или другого устройства отображения цветной графической информации состоит из участков, излучающих свет трех основных цветов — обычно красного, зеленого и синего. Поскольку эти участки располо­жены рядом и весьма малы, при наблюдении такого экрана с некоторого расстояния они сливаются, т.е. в один светочувствительный рецептор глаза наблюдателя попадает свет из нескольких участков различных цветов. Глаз «суммирует» эти излучения и воспринимает их как единый световой поток с некоторым спектральным составом — суммой спектральных составов излуче­ний расположенных рядом источников света, рис. 9.3 а.

Субтрактивная система CMY применяется для отражающих поверхностей, например типографских красок, цвет­ных фотоизображений, а также прозрачных пленок и несветящихся экранов. В субтрактивных системах из спектра белого света, падающего на изображение или проходящего сквозь пленку, поглощаются (вычита­ются) волны некоторого цвета, рис.9.3 б. Например, чтобы получить красный цвет, из белого нужно вычесть голубой (сумму синего и зеленого). При отраже­нии или пропускании света сквозь пурпурный объект поглощается зеленая часть спектра. Такие цвета называются дополнительными.

Дополнительный цвет — это разность белого и данного цвета: голубой это белый минус красный, пурпурный — белый минус зеленый, желтый — белый минус синий. Цвета одной системы явля­ются дополнительными к другой: голубой — к красному, пурпур­ный — к зеленому, желтый — к синему. Интересно, что в спектре радуги пурпурного цвета нет, т. е. он порождается зрительной системой человека.

Передача произвольного цвета с помощью трех основных цветов производится следующим образом. Пусть на некоторый фон па­дает произвольный контрольный свет. Наблю­датель пытается опытным путем уравнять на фоне рядом с контрольным светом его цветовой фон, насыщенность и светлоту при помощи монохроматических потоков света разной интенсивности, рис. 9.4.

Рисунок 9.4 – Схема уравновешивания цветов: R, G, B - источники красного, зеленого и синего монохроматического света; К – контрольный источник

Если используется только один инструментальный (уравнивающий) цвет, то длина волны у него должна быть такой же, как у кон­трольного. В противном случае, если не принимать в расчет цветовой тон и насыщенность кон­трольного света, можно уравнять цвета по светлоте. Эта процеду­ра называется фотометрией. Таким способом создаются монохро­матические репродукции цветных изображений.

Если в распоряжении наблюдателя есть два монохроматических источника, то он может уравнять ограниченное количество контрольных образцов. Добавляя третий инструментальный цвет, можно получить почти все контрольные варианты, при условии, что эти три цвета достаточно широко распределены по спектру и ни один из них не является линейной комбинацией других, т. е. что это основные цвета. Желательно, чтобы первый цвет лежал в области спектра с большими длинами волн (красный), второй — со средними (зеленый) и третий — с малыми длинами волн (синий). Объединение этих трех цветов для уравнивания контрольного цвета математи­чески выражается как

C = rR + gG + bB

где С — цвет контрольного света; R, G, B — красный, зеленый и синий инстру­мен­тальные потоки света; r, g, b — относительные количества соответ­ствующих потоков света. Изучени­ем вопросов цветопередачи занимается колориметрия.

Результаты колориметрических исследований обобщаются в трех законах Грассмана:

1. Глаз реагирует на три различных стимула, что подтверждает трех­мер­ность природы цвета. В качестве стимулов можно рассматривать, например, доминирующую длину волны (цветовой фон), насыщенность и яркость или крас­ный, зеленый и синий цвета.

2. Цвета всегда линейно зависимы, т. е. C = rR + gG + bB. Следовательно, для смеси двух цветов С ₁, и С ₂ имеет место равенство

C ₁ + C ₂ = r ₁ R+g ₁ G+b ₁ B + r ₂ R +g ₂ G+b ₂ B = (r ₁ +r ₂) R + (g ₁ +g ₂) G + (b ₁ +b ₂) B

При этом структура спектров цветов C ₁и C ₂значения не имеет.

3. Если в смеси трех цветов один непрерывно изменяется, а другие оста­ются постоянными, то цвет смеси будет меняться непре­рывно, т. е. трехмерное цветовое пространство непрерывно.

Известно, что зрительная систе­ма способна различать примерно 350 000 цветов. Если цвета разли­чаются только по тонам, то в центральной сине-желтой части спектра различ­ными оказываются цвета, у которых доминирующие длины волн отличаются на 1 нм, в то время как у краев спектра — на 10 нм. Четко различимы примерно 130 цветовых тонов. Если меняется только насы­щенность, то зрительная система способна выделить уже не так много цветов. Существует 16 степеней насыщенности желтого и 23 — красно-фиолетового цвета.