Модели XYZ и xyY

Исследования человеческого зрения показали, что аддитивный синтез цвета по схеме с тремя базовыми световыми потоками (см. рис. 1.3.8) имеет существенные ограничения. В частности, если источники излучают свет визуально воспринимаемого диапазона, то при любом сочетании базовых цветов не удается получить все цвета, видимые глазом.

На протяжении первой трети XX века Международная комиссия по освещению проводила исследования физиологии человеческого зрения, на основе которых в 1931 году была предложена перцептивная цветовая модель, получившая название XYZ.

Примечание

Международная комиссия по освещению, МКО (Commission Internacionale de l'Eclairage, CIE) – интернациональный орган, работавший первоначально под эгидой Парижской палаты мер и весов, внесла огромный вклад в изучение цвета. На основе полученных этой комиссией научных результатов работают все современные технологии, связанные с воспроизведением цвета. Термин "перцептивный" происходит от слова perception – восприятие. Таким образом, перцептивная модель цвета – это модель, основанная на особенностях восприятия цвета человеком.

По результатам исследований, проведенных над группой наблюдателей, была определена усредненная цветовая реакция на световые потоки с различным спектральным распределением (т. н. стандартный наблюдатель). В результате были определены спектральные распределения для базовых световых потоков аддитивной схемы синтеза цвета, получившие названия X, Y и Z (рис. 1.3.11).

Рис. 1.3.11. Спектральное распределение источников света в цветовой модели XYZ

Смешивая световые потоки от источников с таким спектральным распределением, можно синтезировать любой цвет спектра. Следует отметить, что X,Y и Z нельзя называть базовыми цветами, – таких цветов в природе не существует. Кроме того, и не любое сочетание значений этих цветовых координат соответствует видимому цвету. Поэтому цветовые пространства моделей цвета XYZ (рис. 1.3.12) и RGB существенно различаются.

Рис. 1.3.12. Цветовое пространство модели цвета XYZ

Цветовое пространство модели цвета XYZ представляет собой криволинейный конус с вершиной в начале цветовых координат. По мере удаления от вершины светлота цветов, соответствующих точкам, лежащим внутри этого конуса, возрастает. Представленная на рис. 1.3.12 видимая часть цветового треугольника в модели цвета XYZ имеет форму сегмента неправильной параболы. На ее криволинейной границе располагаются спектрально чистые цвета, на прямолинейной хорде – цвета, полученные смешиванием красного и пурпурного. При удалении от границы фигуры насыщенность цвета уменьшается и в центре располагается ахроматическая точка.

Поскольку работать с объемным представлением цветового пространства в виде неправильного конуса не слишком удобно, на практике чаще пользуются нормированным цветовым пространством, получившим название xyY.

Примечание

Это название объясняется тем, что в нормированном варианте координаты х и y сохраняются, а координата z исчезает, поскольку этот вариант цветового пространства двухмерный (цветовая диаграмма или локус). Она строится путем проецирования треугольника цветности на плоскость xy. Конечно, на цветовой диаграмме представлены не все цвета пространства XYZ, но для сравнения цветовых охватов и преобразования цветовых пространств, ради которых и создавалась эта цветовая модель, фактор светлоты оттенков можно не рассматривать.

Нормирование выполняется следующим образом: вместо координат XYZ вводятся координаты х = X/(X + Y + Z), y = X/(X + Y + Z) и z = X/(X + Y + Z). Затем из всего множества точек нового цветового пространства выбираются удовлетворяющие условию принадлежности к треугольнику цветности: х + у + z = 1. Для треугольника цветности значение третьей координаты не требуется, поскольку оно однозначно определяется значениями первых двух координат: z = 1 – (х + у). Тем не менее третья цветовая координата необходима для полного описания любого цвета. Поэтому в нормированную цветовую модель вводят еще одну координату (Y), описывающую светлоту, не имеющую прямого отношения к цветности, но влияющую на образование оттенков. На рис. 1.3.13 приведено графическое представление нормированной модели цвета xyY – цветовая диаграмма CIE 1931.

Рис. 1.3.13. Двухмерное нормированное цветовое пространство xyY

Рассмотрим особенности цветовой диаграммы CIE xyY.

1. Так же, как и треугольник цветности модели RGB, она включает в себя по одному оттенку всех цветов, визуально воспринимаемых стандартным наблюдателем. Таким образом, диаграмма представляет собой графическое отображение цветового охвата человеческого глаза – локус.

2. Чистые спектральные цвета, соответствующие излучению только одной из частот видимой части спектра, расположены в ней на криволинейной части границы – линии спектральной цветности. Цвета, отсутствующие в спектре, но синтезируемые в виде оттенков монохромной шкалы с базовыми красным и фиолетовым цветами, расположены на прямолинейном участке границы – линии пурпурной цветности.

3. В середине хроматической области цветовой диаграммы расположена ахроматическая точка, цветность которой не определена. Эта точка называется также точкой опорного белого цвета. При смещении из этой точки по прямой линии, соединяющей ее с любой точкой границы цветовой диаграммы, определяется насыщенность цвета, т. е. цвет становится ближе к чистому спектральному и менее бледным.

Примечание

Более подробно понятие насыщенности цвета рассмотрено в разд. 1.3.7.

Цветовая диаграмма не может содержать в себе всех цветов из цветового пространства CIE xyY, поскольку при ее построении использованы только две цветовые координаты. Значения координат х и у определяют цветность и насыщенность цвета, но не его светлоту.

Ахроматическая точка на диаграмме может считаться белой только условно. Ее фактический оттенок и местоположение зависит от источника света, выбранного для синтеза цвета, или от источника освещения. Координаты этой точки однозначно определяются цветовой температурой источника. Цветовая температура – это характеристика интенсивности излучения источника света (табл. 1.3.1). Ее значение равняется температуре нагрева абсолютно черного тела, при которой последнее испускает излучение с той же цветностью, что и измеряемый источник.

Таблица 1.3.1. Некоторые источники света и их цветовые температуры

В практических целях цветовая диаграмма xyY применяется для сравнения цветовых охватов устройств ввода и вывода с локусом и между собой. Для этого внутри локуса выбираются точки, соответствующие выбранным для аддитивного синтеза цвета базовым цветам. После соединения их отрезками прямых получается геометрическая фигура, представляющая цветовой охват устройства. На рис. 1.3.14 изображены цветовые охваты стандартных цветовых пространств RGB и полиграфического процесса цветной офсетной печати.

Рис. 1.3.14. Сопоставление цветовых охватов устройств вывода на цветовой диаграмме xyY

Примечание

Цветовой охват модели CMYK, использующейся при цветной офсетной печати, имеет форму шестиугольника, а не треугольника, поскольку приходится учитывать в качестве базовых цветов результаты равномерного попарного смешивания всех трех хроматических базовых цветов этой модели (см. разд. 1.3.6).

Отметим, что для получения адекватных результатов сравнения цветовых охватов различных устройств следует применять стандартные источники освещения (как правило, D50).

Кроме сравнения цветовых охватов, цветовая модель XYZ и производная от нее модель xyY применяются для взаимного преобразования цветов из цветового пространства одной модели в цветовое пространство другой.

К недостаткам цветовых моделей XYZ и xyY следует отнести сложность учета светлоты цвета и отсутствие равноконтрастности. Последнее проявляется в том, что одинаковые расстояния в цветовом пространстве CIE XYZ и на цветовой диаграмме xyY в различных их частях не соответствуют одинаковому зрительному различию между выбранными цветами при одинаковой светлоте. Иными словами, системы цветовых координат получаются нелинейными. Цветоразличительные свойства зрения минимальны на границе локуса (в зоне спектральных цветов) и максимальны в области нулевых цветностей (для ахроматической шкалы).

Эти недостатки были успешно преодолены в равноконтрастных цветовых моделях, одна из которых (CIE Lab) рассмотрена в разд. 1.3.8.