Стандартный колориметрический наблюдатель¶

Стандартный колориметрический наблюдатель — это математическая модель усреднённого человеческого цветового зрения, принятая Международной комиссией по освещению (МКО, CIE) для количественного описания цвета. Наблюдатель представляет собой набор функций чувствительности, которые описывают, как средний человек воспринимает излучение видимого спектра, и служит основой для расчёта координат цвета в колориметрии.

¶История создания

Необходимость стандартизации цветового зрения возникла в начале XX века в связи с развитием фотографии, полиграфии и производством красителей. В 1924 году МКО утвердила функцию спектральной световой эффективности \( V(\lambda) \) для фотометрических измерений, описывающую яркостную чувствительность глаза.

В 1931 году МКО приняла первую стандартную колориметрическую систему RGB, основанную на экспериментах Джона Гилда и Уильяма Райта. Используя метод цветового уравнивания, они определили средние функции чувствительности трёх типов колбочек сетчатки. Однако полученные значения содержали отрицательные компоненты, что затрудняло расчёты. Для устранения этого недостатка путём линейного преобразования была разработана система XYZ, в которой все координаты имеют положительные значения. Соответствующие функции \( \bar{x}(\lambda) \), \( \bar{y}(\lambda) \), \( \bar{z}(\lambda) \) определяют так называемого стандартного колориметрического наблюдателя МКО 1931 года.

¶Устройство и характеристики

¶Функции сложения цветов

Стандартный наблюдатель описывается тремя функциями сложения цветов, которые соответствуют чувствительности трёх типов светочувствительных рецепторов глаза — колбочек, с пиками чувствительности в длинноволновой (около 570 нм), средневолновой (около 540 нм) и коротковолновой (около 445 нм) областях спектра. Функция \( \bar{y}(\lambda) \) по построению совпадает с функцией \( V(\lambda) \), что позволяет использовать координату Y для описания яркости.

¶Углы зрения

Различают два основных типа наблюдателя:

• Наблюдатель МКО 1931 года (2°) — используется для цветов, рассматриваемых под углом 2°, что соответствует центральной области сетчатки с максимальной плотностью колбочек.
• Наблюдатель МКО 1964 года (10°) — дополнительный стандарт для полей зрения 10° и более, учитывающий вклад периферических зон сетчатки, где спектральная чувствительность несколько смещена.

¶Применение

Стандартный колориметрический наблюдатель является фундаментом всех современных колориметрических систем. На его основе построены цветовые пространства CIE XYZ, CIE Lab, CIE Luv, а также многочисленные промышленные стандарты (sRGB, Adobe RGB, ProPhoto RGB). Он применяется в:

• Цифровой фотографии и видеотехнике — для калибровки матриц камер, мониторов и принтеров;
• Полиграфии и лакокрасочной промышленности — для контроля соответствия цветов эталонам;
• Осветительной технике — для расчёта индекса цветопередачи (CRI) и коррелированной цветовой температуры;
• Научных исследованиях — в психофизике зрения, астрофизике, спектроскопии.

¶Ограничения и критика

Модель стандартного наблюдателя описывает усреднённое зрение человека с нормальным цветовосприятием (трихромата) и не учитывает индивидуальные вариации, возрастные изменения хрусталика, а также аномалии цветового зрения (дальтонизм). Кроме того, модель основана на условиях апертурного зрения (наблюдение однородного цветового поля) и не описывает восприятие текстур, блеска и метамерных эффектов в сложных сценах.

В 2015 году МКО приняла уточнённую модель наблюдателя CIE 2006, учитывающую возрастные изменения, однако на практике система 1931 года продолжает оставаться доминирующей в промышленности.

¶Интересные факты

• Функции наблюдателя МКО 1931 года были рассчитаны на основе данных всего 17 испытуемых, однако они оказались настолько удачными, что используются до сих пор.
• Система XYZ была специально сконструирована так, чтобы координаты любого реального цвета были положительными, что упрощало арифметические расчёты в докомпьютерную эпоху.
• Стандартный наблюдатель лёг в основу международного эталона цвета: все цветовые измерения в мире проводятся с привязкой к нему.

¶Источники

• CIE Publication 15:2004. Colorimetry, 3rd edition. — Vienna: CIE, 2004.
• Wyszecki G., Stiles W. S. Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae. — 2nd ed. — New York: Wiley, 1982.
• Fairchild M. D. Color Appearance Models. — 3rd ed. — Wiley, 2013.