Колориметрическая система CIE¶

Колориметрическая система CIE (также известная как система CIE XYZ, колориметрическая система МКО) — это математическая модель описания цвета, разработанная Международной комиссией по освещению (фр. Commission Internationale de l'Éclairage, CIE). Она служит международным стандартом для количественного определения и воспроизведения цвета, независимо от устройства отображения или условий наблюдения. Система основана на физиологических особенностях цветового зрения человека и позволяет однозначно задавать любой видимый цвет в трёхмерном координатном пространстве.

¶История создания

До появления стандартизированных систем цвет измерялся субъективно, с помощью словесных описаний или образцов-эталонов. С развитием цветной фотографии, полиграфии и промышленности в начале XX века возникла необходимость в объективных методах численного описания цвета.

В 1924 году CIE стандартизировала кривую спектральной световой эффективности для дневного зрения \( V(\lambda) \), которая описывает чувствительность человеческого глаза к излучению разных длин волн. В 1931 году на VIII сессии CIE в Кембридже была принята первая колориметрическая система, основанная на результатах экспериментов Уильяма Дэвида Райта и Джона Гилда. Эти эксперименты заключались в подборе трёх основных цветов (красного, зелёного и синего) для уравнивания каждого монохроматического излучения видимого спектра группой наблюдателей.

Полученные данные были усреднены и математически преобразованы, чтобы исключить отрицательные значения координат цвета. В результате была создана система CIE RGB (с реальными основными цветами) и её производная — система CIE XYZ (с гипотетическими, нефизическими основными цветами). В 1964 году CIE дополнила систему данными для дополнительного колориметрического наблюдателя с углом обзора 10°, что улучшило точность для больших цветовых полей.

¶Основные понятия

¶Стандартный колориметрический наблюдатель

Центральное понятие системы — «стандартный колориметрический наблюдатель CIE 1931 года» (Standard Observer). Это математическая модель, описывающая усреднённую цветовую чувствительность человеческого глаза. Она задаётся тремя функциями сложения цветов (colour matching functions): \( \bar{x}(\lambda) \), \( \bar{y}(\lambda) \), \( \bar{z}(\lambda) \). Функция \( \bar{y}(\lambda) \) совпадает с кривой спектральной световой эффективности \( V(\lambda) \), что позволяет использовать координату Y как меру яркости (светлоты).

¶Цветовое пространство CIE XYZ

Цветовое пространство CIE XYZ является трёхмерным. Любой цвет описывается тремя координатами \( X, Y, Z \), которые вычисляются как интегралы от спектральной плотности излучения источника, умноженной на функции сложения. Координаты \( X, Y, Z \) всегда неотрицательны. Координата Y соответствует яркости, а X и Z — цветности.

¶Цветность и диаграмма цветности

Для отделения яркости от цветового тона и насыщенности используются координаты цветности \( x, y, z \), которые вычисляются по формулам:

\[ x = \frac{X}{X+Y+Z}, \quad y = \frac{Y}{X+Y+Z}, \quad z = \frac{Z}{X+Y+Z} \]

Поскольку \( x + y + z = 1 \), для описания цветности достаточно двух координат, обычно \( x \) и \( y \). Диаграмма цветности CIE xy (или CIE 1931 xy) — это двумерная проекция цветового пространства на плоскость. Она представляет собой подковообразную область, ограниченную линией спектральных цветов (монохроматических излучений) и линией пурпурных цветов (соединяющей крайние синий и красный концы спектра). Внутри этой области находятся все возможные цвета, воспринимаемые человеком.

¶Применение

¶Калибровка и управление цветом (Color Management)

Система CIE является основой для всех современных систем управления цветом (ICC-профили). Любое устройство (монитор, принтер, сканер) описывается своим цветовым охватом в координатах CIE XYZ или CIE Lab. Это позволяет преобразовывать цвета между устройствами с минимальными потерями.

¶Промышленность и производство

В производстве красок, пластиков, текстиля и других материалов колориметрические измерения по CIE используются для контроля качества и обеспечения соответствия цвета эталону. Спектрофотометры измеряют спектр отражения образца, а затем вычисляют его координаты CIE XYZ или CIE Lab.

¶Наука и исследования

В психофизике зрения, астрономии, биологии и материаловедении система CIE применяется для стандартизированного описания цвета объектов и источников света.

¶Критика и ограничения

Система CIE 1931 года имеет ряд недостатков, выявленных с течением времени:

• Неравномерность восприятия: одинаковые расстояния на диаграмме цветности CIE xy не соответствуют одинаковым различиям в восприятии цвета человеком. Это привело к созданию более равномерных цветовых пространств, таких как CIE Lab и CIE Luv (1976 год).
• Ограниченность для малых углов: стандартный наблюдатель 1931 года (2°) не точен для оценки цвета мелких деталей или при периферическом зрении.
• Не учитывает контекст: система описывает цвет изолированного стимула при стандартном освещении, но не учитывает эффекты цветовой адаптации, контраста и окружения, которые сильно влияют на восприятие в реальных условиях.

¶Интересные факты

• Координата Y в системе CIE XYZ была специально подобрана так, чтобы совпадать с кривой световой эффективности глаза, что делает её прямой мерой яркости.
• Диаграмма CIE xy охватывает все цвета, видимые человеком, но не все из них могут быть воспроизведены современными устройствами отображения (мониторами, телевизорами). Цветовой охват устройства — это треугольник (или многоугольник) внутри диаграммы CIE, вершины которого соответствуют основным цветам устройства.
• Система CIE была принята до изобретения цветного телевидения и стала основой для стандартов цветного вещания (NTSC, PAL, SECAM).

¶Источники

1. Wyszecki, G., & Stiles, W. S. (1982). Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae (2nd ed.). John Wiley & Sons.
2. Hunt, R. W. G. (2004). The Reproduction of Colour (6th ed.). John Wiley & Sons.
3. CIE Publication 15:2004. Colorimetry (3rd ed.). Commission Internationale de l'Éclairage.
4. Fairchild, M. D. (2013). Color Appearance Models (3rd ed.). John Wiley & Sons.
5. International Commission on Illumination. (1932). Proceedings of the Eighth Session, Cambridge, 1931. Cambridge University Press.