Standardowy system walencyjny CIE

CIE standardowy system wartościowość lub CIE system typu kolor jest system kolorów , który został zdefiniowany przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (CIE - Commission Internationale de l'Eclairage) w celu utworzenia związku między ludzkim postrzegania koloru ( kolorów ) i przyczyn fizycznych na bodziec kolorze ( kolor walencyjne ). Ujmuje całość wyczuwalnych kolorów. Gdy używane są współrzędne przestrzeni kolorów, powszechne jest również oznaczenie przestrzeni kolorów Yxy lub CIE-Yxy , a także trójbodźcowa przestrzeń kolorów, głównie w obszarze anglojęzycznym .

Normalny obserwator CIE z lat 1931 i 1964

Nieco inne linie widmowe dla pola widzenia 2° i 10°

Przestrzeń kolorów RGB używana w 1931 z 3 kolorami światła przy 436, 546 i 700 nm:
Punkt bieli E to x = y = 1/3.

Wagi trzech podstawowych kolorów dla czystych kolorów widmowych wzdłuż zewnętrznej krawędzi „podkowy” od 360 do 830 nm

System norm walencyjnych CIE ( CIE 1931 ) opracowany w 1931 r. opierał się na zmierzonych wartościach dotyczących normalnego obserwatora . Ten „uśredniony” obserwator patrzy na obszar o polu widzenia 2° pośrodku głównej linii widzenia. To pole jest mniej więcej wielkości monety 1 euro trzymanej przed tobą z wyciągniętym ramieniem. Ograniczenie to wynikało z wielkości strefy największej gęstości fotoreceptorów wrażliwych na kolor w oku . Czopki są skoncentrowane na siatkówce w obszarze najlepszego widzenia kolorów . Jednak normalne pole widzenia ludzkiej percepcji jest większe niż ten zakres 2 °. W 1964 roku wprowadzono więc system dla normalnego obserwatora o polu widzenia 10°. System kolorów CIE 1964 odnosi się do „szerokokątnego” pola widzenia ludzi, jest to rozmiar arkusza A4 przy normalnej odległości oglądania 30 cm. W obszarze krawędzi 10 ° liczba czopów na powierzchnię znacznie się zmniejsza, wartości odniesienia są odpowiednio różne.

Zastosowana metoda polegała na wizualnej korekcie barwy przez obserwatorów , którzy mieli za zadanie ustawić daną powierzchnię kolorystyczną jako „równą” zgodnie z własnym wrażeniem. Eksperymenty z mieszaniem przeprowadzili W. David Wright (1928) i John Guild (1931). W oparciu o wspomniane względy fizjologiczne wybrali pole widzenia 2°. Zastosowano dzielony ekran, na którego stronie A wyświetlany był określony kolor. Na stronę B rzucono trzy reflektory w jasnych kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim. Te nakładały się na siebie i każdy świecił podstawowym kolorem . Jasność każdego emitera kolorów była regulowana, a długość fali ustalana przez zdefiniowane filtry.

Wright i Guild wybrali 435,8 nm (niebieski) i 546,1 nm (zielony), ponieważ te linie widmowe mogą być łatwo generowane przez lampy rtęciowe i odfiltrowywane przez filtry interferencyjne . W tym czasie (pod koniec lat 20. XX wieku) dla koloru czerwonego stosowano lampy żarowe z czerwonymi filtrami ze względu na brak dostępności intensywnych czerwonych barw widmowych, które umożliwiały przechodzenie fal o długości od około 700 nm. Dokładny skład spektralny jest stosunkowo nieistotny, ponieważ kolory spektralne od około 700 nm nie są już rozróżniane przez ludzkie oko pod względem ich odcienia.

Zmieniając jasność trzech dostępnych źródeł światła (strona B), obserwator powinien odtworzyć dane wrażenie koloru strony A w oparciu o jego subiektywne postrzeganie. W tym czasie wprowadzono podstawową teorię trzech kolorów i mówiono, że każde wrażenie świetlne można przedstawić za pomocą trzech odpowiednich źródeł światła. Na trzech źródłach światła po stronie B wyznaczono wartości nastawcze dla koloru zielonego, niebieskiego i czerwonego, które można wykorzystać jako miarę barwy światła określonej po stronie A. Z kilkoma określonymi kolorami testowymi w obszarze ustawień zielono-niebieskich, obserwator nie mógł jednak osiągnąć pełnej zgodności poprzez swoje opcje ustawień (po stronie B). Obserwator musiał więc „regulować” czerwone światło po stronie A (czyli na określonej). Taka wartość skali została wpisana do arkusza wyników jako ujemna wartość czerwona . Dodatek po stronie A odpowiadał „usunięciu czerwonego światła” po stronie B. W ten sposób cały zakres bodźców barwnych, które mogą być postrzegane przez człowieka, może być rejestrowany numerycznie.

Do dziś standardowa tablica kolorów CIE z 1931 r. jest najszerzej stosowanym systemem opisu kolorów związanym z percepcją. System pola widzenia 2 ° jest nadal przyjmowany jako system CIE, chyba że zaznaczono inaczej. Kształt obszaru wartościowości kolorów w standardowych tabelach kolorów obu systemów (obserwator 2° i 10°) jest nieco inny.

Poniższy rysunek przedstawia wagi trzech podstawowych kolorów dla nasyconych kolorów wzdłuż zewnętrznej krawędzi standardowej tabeli kolorów. Ponieważ żaden kolorowy wyświetlacz ani projektor nie mogą wytworzyć czerwonego koloru z ujemną intensywnością, kolory z zakresu zielono-turkusowego mogą być wyświetlane tylko jako nienasycone, tj. zbyt blade. Jeśli wybierzesz inne podstawowe kolory, trójkąt kolorów przesunie się, a kolory zostaną zafałszowane. Dla każdego wyboru istnieją w naturze kolory, które leżą poza trójkątem i dlatego nie mogą być reprezentowane w zasadzie ( gama ).

Trójbodźc

Zwłaszcza na obszarze anglojęzycznym trzy podstawowe wartości X, Y i Z określane są jako tristimulus . W tym sensie są to trzy części znormalizowanych kolorów podstawowych zdefiniowanych (w tym celu). Każdy kolor można utożsamić z taką trójką liczbową. W związku z tym termin system trójbodźcowy jest wspólny dla systemu norm CIE. Krzywe zmierzone w 1931 roku nazywane są również krzywymi trójchromatycznymi. Szmaragdowa zieleń ma wartości trójbodźca {X, Y, Z} = {22,7; 39,1; 31,0}. W tym celu wartości tabelaryczne mnoży się przez energię widmową emitowaną przez źródło światła dla każdej długości fali w odległości 20 nm, 10 nm, 5 nm lub 1 nm . Wartości te są mnożone przez remisję próbki w każdej pozycji długości fali. Tę remisję mierzy się względem dyfuzora idealnie odbijającego światło. Zwykle jest to standard BaSO ₄ , czasem też bardziej odporny na ślady użytkowania standard politetrafluoroetylenu (Teflon). Remisja tego dyfuzora jest ustawiona na 100 przy każdej próbkowanej długości fali. Ostatecznie sumy wszystkich trzech serii wartości są tworzone i dzielone przez sumę energii widmowych y, ponieważ Y jako idealna biel musi z definicji wynosić 100. Publikacja 15.2 CIE z 1986 r. zawiera istotne informacje dotyczące skali kolorów XYZ i funkcji obserwatora standardowego CIE. ${\ displaystyle {\ bar {x}} (\ lambda), {\ bar {y}} (\ lambda), {\ bar {z}} (\ lambda)}$

Ze względu na ograniczenia techniki pomiarowej od początku XX wieku, kolory wyobrażone zostały również wprowadzone jako konstrukcja myśli w procesie opisu zjawiska koloru .

Standardowa tabela kolorów

Standardowa tabela kolorów CIE: Kolory grafiki reprezentują przybliżoną orientację w przestrzeni kolorów.Kolory, które mogą być wyświetlane na urządzeniach wyjściowych, są ograniczone do trójkątnego obszaru wewnątrz grafiki. Kolor ilustracji jest zmniejszany do gamy monitorów . W miarę możliwości jak najbardziej (najsilniejsze) kolory są na krawędzi trójkąta.

Aby móc wyraźniej przedstawić trójwymiarową przestrzeń kolorów postrzeganą przez widza (zgodnie z typem koloru ), opracowano dwuwymiarową standardową tabelę kolorów CIE . Trzecia składowa z (niebieska w przypadku wykresu po prawej stronie) dla każdego punktu w tablicy kolorów jest obliczana z dwóch pozostałych przy użyciu zależności x + y + z = 1. W przypadku standardowej karty kolorów CIE obszar możliwych kolorów w kształcie podkowy jest wykreślany w układzie współrzędnych na składnikach x i y (znormalizowanych CIE teoretycznych kolorów podstawowych X (czerwony), Y (zielony) i Z ( niebieski), (patrz CIE XYZ -Przestrzeń kolorów)) dowolnego koloru P można odczytać bezpośrednio. Przy podstawowym warunku x + y + z = 1, składową z można wyznaczyć matematycznie (z = 1 - x - y). Całość możliwych kolorów (bez uwzględniania wariantów jasno-ciemnych) jest otoczona przez linię kolorów widmowych (kolory widmowo czyste) i dolną fioletową linię, która otacza podkowę .

Centralnym punktem odniesienia tablicy jest punkt bieli W, który jest niezbędny w każdej sytuacji pomiaru koloru . Punkt oznaczony W na schemacie to teoretyczny biały punkt, który reprezentuje wszystkie trzy kolory do 1/3 każdy (x, y i z = 0,333 ...) . W zależności od sytuacji oświetleniowej punkt bieli może znajdować się praktycznie w dowolnym miejscu podkowy. Jedynie krzywa ciała doskonale czarnego ma znaczenie techniczne . W jego przebiegu kolory podane są jako temperatura idealnego grzejnika ( czarny korpus ) w kelwinach . Począwszy od punktu bieli, wszystkie kolory postrzegane jako mające ten sam odcień można odczytać na linii przechodzącej przez punkt P. Oprócz użytej przestrzeni kolorów ( tutaj pokazano przestrzeń kolorów Adobe RGB ), na linii kolorów widmowych (P') można odczytać kolor widmowy odpowiadający sytuacji specjalnej . Po przeciwnej stronie W , kolory dopełniające można odczytać na przedłużonej linii WQ . Punkt Q ' reprezentuje najbardziej zewnętrzny (najczystszy) kolor dopełniający, który w tym przypadku jest określony przez przecięcie z fioletową linią .

Standaryzowane CIE krzywe czułości 3 receptorów kolorów X (czerwony), Y (zielony) i Z (niebieski): Są to krzywe trójbodźcowe w X, Y i Z.

Znormalizowane krzywe czułości CIE: pokazane jako proporcja odpowiedniego koloru widmowego w odpowiednim kolorze podstawowym X (czerwony), Y (zielony) lub Z (niebieski)

System kolorów CIE jest dokładnie zdefiniowany tylko na podstawie pierwotnie ustalonych eksperymentalnie względnych czułości trzech receptorów kolorów aparatu percepcji kolorów człowieka (tzw. normalnego obserwatora) dla każdego widzialnego koloru widmowego. Krzywe czułości podlegają pewnym wahaniom w zależności od osoby, ale są definiowane jako wartości średnie jako tak zwani obserwatorzy normalni (Obserwator Standardowy CIE).

Fizjologiczną przestrzeń barw można określić na podstawie pomiaru czułości widmowej trzech czopków ludzkich przy użyciu tego samego szablonu. Trzy stożki są nazwane od ich maksymalnej czułości jako stożki L, M, S, dla długich, średnich i krótkich. Wynikowa przestrzeń kolorów, która również reprezentuje wszystkie dostrzegalne kolory, nazywana jest przestrzenią kolorów LMS . Przy odpowiedniej standaryzacji można w tym celu również określić tabelę typów kolorów. Jest znormalizowany przez dzielenie przez sumę L + M + S. Daje to wartości l = L / (L + M + S), m = M / (L + M + S), s = S / (L + M + S), które mają zależność l + m + s = Spotkaj 1.

Zasada budowy

Kolory „czyste” o największym nasyceniu znajdują się na skraju tego obszaru (ciąg kolorów widmowych) . Linia łącząca fiolet krótkofalowy (≤ 420 nm) i czerwień długofalową (≥ 680 nm) nazywana jest linią fioletową . Kolejną krzywą jest krzywa kolorów źródeł promieniowania cieplnego. Rozpoczyna się w niskich temperaturach intensywnymi czerwonymi tonami, które są postrzegane jako ciemnoszare od 700 K ze względu na niską intensywność, przybierają czerwonawy odcień od około 800 K i przybierają intensywną wiśniową czerwień od około 1100 K. Ponad pomarańczowy w 1700 K i żółty w 3000 K, przybiera w większości biały kolor w temperaturach między 5000 K a 6500 K i osiąga niebieskawy odcień w jeszcze wyższych temperaturach, który jednak nigdy nie staje się czystym niebieskim, nawet w ekstremalnie wysokich temperatury, ale pozostaje niebieskawy odcień z x = 0,241 i y = 0,236.

nasycenie

punktu (a więc odcienia) przestrzeni kolorów CIE jest określana przez ułożenie linii prostej od punktu neutralnego W do punktu koloru. Miarą nasycenia jest stosunek odległości punktu bieli do punktu koloru (W – F) oraz odległość od punktu bieli do krawędzi zewnętrznej (W – P). Każdy punkt koloru na widmowej ścieżce kolorów ma zatem nasycenie 1 (odpowiadające 100%).

odcień

jest określony jako długość fali o tym samym odcieniu: Linia prosta od punktu bieli (W) przez punkt koloru (F) do krawędzi linii widmowej (P) kończy się na tej długości fali. Tony fioletowe charakteryzują się przeciwną długością fali, gdy linia prosta jest przedłużona poza biały punkt.

Wartość jasności

Płaszczyzna chrominancji xy jest tylko odwzorowaniem korpusu kolorowego należącego do systemu według Röscha. Trzecią wielkością wymaganą do zdefiniowania koloru jest wartość odniesienia jasności A, która z definicji jest identyczna i ma taką samą wielkość jak parametr jasności Y. Nazywa się to również przestrzenią kolorów Yxy.

Psychologiczno-artystyczną kategorię koloru przeciwstawnego ( kolor dopełniający) uzyskuje się przez określenie położenia koloru przeciwstawnego dla położenia koloru w zestawie xy przez odbicie w punkcie bieli W. Ta sama procedura służy do uzyskania ich nasycenia i długości fali w tym samym odcieniu.

Metameria

Na obszarze F  z X + Y + Z = 1 , każdy punkt reprezentuje stosunek podstawowych kolorów X, Y i Z. Rzutowany obszar f rezygnuje ze składowej Z, która wynika rekurencyjnie z X i Y.

Od dawna wiadomo malarzom, że kolory można mieszać z trzech składników. Hermann von Helmholtz i Thomas Young wysunęli tę teorię :

• każde wrażenie koloru można uzyskać z trzech podstawowych promieni koloru ( dodatkowe mieszanie kolorów ) i
• różny skład spektralny może być postrzegany jako dokładnie taki sam ( metamery ).

Teoria trzech kolorów opracowana przez Helmholtza i Younga na podstawie praktycznych doświadczeń wymaga, aby w ludzkim oku istniały trzy różne receptory kolorów. Muszą one również mieć określone widmo absorpcji. Z drugiej strony dla percepcji jest to wrażliwość widmowa podmiotu. Każde widmo absorpcji ma maksimum przy określonej długości fali. Percepcja wzrokowa składa się z trzech elementów. Tak więc każde dostrzegalne wrażenie koloru można mieszać z kolorów widmowych odpowiadających maksimum wrażeń. Hermann Günther Graßmann sformułował bardziej ogólnie w swoim pierwszym prawie Grassmanna, że każdy kolor jest jasno opisany przez trzy (wystarczająco niezależne) wielkości. Może to być na przykład:

• Jasność, odcień i nasycenie kolorów lub
• Intensywność czerwieni, zieleni i błękitu.

„Oko” (i następujący aparat percepcyjny) aranżuje dowolne „złożone” widma światła przy użyciu „kilku” parametrów. Światła o różnych widmach (z odpowiednią – metameryczną – intensywnością) stwarzają w ten sposób to samo wrażenie kolorystyczne. Bodźce barwne ciągłego widma widzialnego od 380 nm do 780 nm są mapowane na percepcyjną wielkość trzech wartościowości barw .

 Składowe X i Y koloru można odczytać bezpośrednio na rzutowanym obszarze f . Kolory widmowe (kreskowane) znajdują się w obszarze poza dodatnimi składowymi koloru X i Y.

Aby uniknąć wartości ujemnych, dla standardowej tabeli kolorów określono teoretycznie zdefiniowane podstawowe wartościowości kolorów, tak aby mimo to rejestrowane były wszystkie dostrzegalne kolory widmowe.

Wszystkie dostrzegalne kolory mogą być zatem reprezentowane jako wektory pozycji w trójwymiarowej przestrzeni kolorów . Trzy współrzędne każdego punktu w przestrzeni kolorów są miarą intensywności składowych koloru czerwonego (R), zielonego (G) i niebieskiego (B). Długość wektora określa całkowitą intensywność światła, podczas gdy jego kierunek przestrzenny odzwierciedla stosunek mieszania trzech podstawowych kolorów. Jeśli pominiemy intensywność, wszystkie możliwe wrażenia kolorystyczne można przedstawić na trójkątnej powierzchni F w przestrzeni, na której R + G + B = 1 na każdy punkt. Jeśli jest to rzutowane na obszar rozpięty przez osie czerwonego i zielonego, istnieje prosta możliwość graficznego przedstawienia relacji między trzema wartościami kolorów: Składowe czerwone (= X) i zielone (= Y) są czytelne bezpośrednio, podczas gdy składnik niebieski (= Z) można obliczyć według B = 1 - R - G.

Gdy próbuje wprowadzić wszystkie istniejące wartościowości widma kolorów na otrzymanej graficznej (linia przerywana BGR - przecięte z naszej linii P ' ), jest zauważalny - niezależnie od wybranego widmowej barw trio - że (czyste) kolory widmowe są poza możliwe relacje komponentów byłyby kłamliwe.

Istnieją ujemne wartości ustawień dla prawie wszystkich kolorów widmowych z wyjątkiem kolorów podstawowych zdefiniowanych w systemie. W celu wygenerowania widmowego niebieskozielonego (C)' z trzech podstawowych kolorów , stosuje się co następuje, opisane w wartościowości kolorów:

Niebieski + zielony (spektralny cyjan + trochę czerwieni)

Wartości liczbowe współrzędnych, czyli bezwzględne ilości wektora miejsca barwnego w tej przestrzeni barw, można matematycznie poprawnie przekonwertować.

cyjan widmowy (niebieski + zielony - trochę czerwony)

Dla praktycznego zastosowania pojawia się wymóg pominięcia „czerwonego” światła z „niebieskiego” i „zielonego” (w wymaganej intensywności) w celu uzyskania pożądanego koloru niebieskozielonego. Dzięki takim przekształceniom możliwe jest ułożenie wszystkich kolorów w jednej (początkowo teoretycznej) przestrzeni barw. W rezultacie dowolna przestrzeń kolorów RGB jest po prostu przesuwana do wnętrza takiej ogólnej przestrzeni kolorów.

Nazwy kolorów według koła kolorów Müllera w standardowej tabeli kolorów

Względy praktyczne

Krzywa czarnego ciała, standardowe oświetlenie i niektóre przestrzenie kolorów RGB / CMYK w standardowej tabeli kolorów CIE

Wprowadzony na całym świecie standardowy system walencyjny CIE jest podstawą najnowocześniejszych systemów pomiaru i reprodukcji barw. Na nim bazuje standardowa przestrzeń barw Lab, szeroko stosowana w grafice komputerowej . Ze względu na fizjologię percepcji jest to zniekształcone logarytmicznie i parametrycznie z przestrzeni barw XYZ do L * a * b * , więc zdolność ludzkiego oka do rozróżniania różnych bodźców kolorystycznych jest lepiej reprezentowana.

Niemiecka implementacja międzynarodowej normy CIE jest określona w DIN 5033-3.

krytyka

System XYZ powstawał w latach do 1931 roku. Precyzja w tamtych czasach dla ścisłych celów naukowych jest niewystarczająca przy dzisiejszych możliwościach technicznych. Podstawowe krzywe wrażliwości są wynikiem protokołów pomiarowych, których zasadność można kwestionować. Do uśredniania danych wykorzystano wartości z różnych źródeł, które również zostały ekstrapolowane i (ze względu na nieodpowiednią technologię obliczeniową) wygładzone filtrem soft focus. Może to prowadzić do błędów w krzywej jasności V _Î . Błąd mógł osiągnąć nawet 10 magnitudo przy długości fali poniżej 400 nm . W każdym razie krzywe tabelaryczne należy stosować ostrożnie, ponieważ dziś długości fal podawane są w odstępach co 1 nm, a wartości odciętej w kilku miejscach po przecinku. Jednak oryginalne dane podano tylko z wartością w przedziale około 10 nm. Aby uniknąć podejrzeń o nieścisłości w wartościach liczbowych, liczne przestrzenie kolorów wyposażono w matematyczne przeliczenia i sztuczki. Niemniej jednak wartości XYZ nadal stanowią podstawę.

Oświetlenie standardowe

Standardowy system walencyjny CIE został pierwotnie opracowany w odniesieniu do kwestii oświetlenia. W zasadzie system pozwala na dowolną wyobrażalną kombinację wartości X, Y i Z. Aby uzyskać znormalizowany przegląd kolorów, zdefiniowano neutralne białe, standardowe barwy światła . Ze względu na postrzeganie barw znajdują się one na krzywej ciała doskonale czarnego , ponieważ są to iluminacje związane z temperaturą barwową .

Przed dzisiejszym rozwojem technologii obliczeniowej konieczne było wyświetlanie wartości w formie tabeli. Aby były porównywalne, wartości natężenia S _λ standardowych oświetlaczy zostały  znormalizowane do S _{560 nm} = 100%, dlatego do obliczeń kolorymetrycznych konieczne jest odpowiednie obliczenie wsteczne.

Konwersja przestrzeni kolorów

Ponieważ kategorię postrzegania „kolor” można zapisać numerycznie wraz z ustaleniem przestrzeni barw CIE, wartościowość barw można również opisać w innych przestrzeniach barw, na przykład poprzez konwersję z odpowiednimi operacjami macierzowymi.

Jako przykład podano tutaj konwersję współrzędnych przestrzeni kolorów sRGB na współrzędne trójbodźcowe X, Y, Z.

${\ displaystyle {\ begin {pmatrix} X \\ Y \\ Z \ end {pmatrix}} = {\ begin {pmatrix} 0 {,} 4124 i 0 {,} 3576 i 0 {,} 1805 \\ 0 { ,} 2126 & 0 { ,} 7152 & 0 {,} 0722 \\ 0 {,} 0193 & 0 {,} 1192 & 0 {,} 9505 \ end {pmacierz}} \ cdot {\ begin {pmacierz} R \ \ G \\ B \ end {pmatrix}}}$

jeśli : wtedy${\ styl wyświetlania X + Y + Z> 0}$${\ displaystyle x = {\ frac {X} {X + Y + Z}}, \; y = {\ frac {Y} {X + Y + Z}}}$

jeśli : wtedy${\ styl wyświetlania X + Y + Z = 0}$${\ styl wyświetlania x = 0, \; y = 0}$

literatura

• David Falk, Dieter Brill, David Stork: Widząc światło . New York 1986, ISBN 0-471-60385-6 , rozdział 9: Kolor . 
• David Falk, Dieter Brill, David Stork: Spojrzenie w światło . 1990, ISBN 3-7643-2401-5 (tłumaczenie powyższego, już niedostępne). 
• Commission Internationale De L'Eclairage: CIE 15: 2004 – Kolorymetria . 2004, ISBN 3-901906-33-9 . 

linki internetowe

• Oficjalna strona CIE
• obszerne zbieranie danych na temat danych CIE (do pobrania)
• Aplety do wizualizacji krzywych spektralnych i obszernego gromadzenia danych
• Tabele barw i percepcji barw, wartości trójbodźców, wartości chromatyczności
• Dokładna kombinacja kolorów — od wrażenia koloru po obiektywny pomiar Konica Minolta Sensing

Indywidualne dowody

1. ↑ ^{a b} Podstawy zarządzania kolorami.pdf