Investigation of CIE color spaces for differences in color differentiation thresholds in different regions of the color locus

Full Text

Введение

Равноконтрастностью цветового пространства называется свойство цветового пространства, которое обеспечивает равные изменения визуального восприятия цвета при равном изменении координат цвета в данном цветовом пространстве. Согласно литературным данным [1; 2], в настоящее время широко используемые цветовые пространства не могут претендовать на строгую равноконтрастность, что говорит о том, что пороги цветоразличения по Мак-Адаму, приведенные в [3], в колориметрической системе будут отображаться не в виде окружностей, а в виде эллипсов различных размеров (рис. 1). Этот факт указывает на различие величины самого порога цветоразличения в разных областях цветового локуса, т. е. не существует единой величины порога цветоразличения на поверхности цветового локуса.

 

Рис. 1. Эллипсы Мак-Адама, нанесенные на график МКО 1931 г. (для наглядности представления эллипсы увеличены в 10 раз). Эти эллипсы приблизительно соответствуют пределам, границы которых для стандартного наблюдателя соответствуют области визуально одинаковой цветности

Fig. 1. McAdam ellipses plotted on the CIE 1931 graph (for clarity, the ellipses are enlarged 10 times). These ellipses correspond approximately to the limits, the boundaries of which, for a standard observer, correspond to an area of visually identical chromaticity

 

1. Цветовое пространство МКО 1931 (RGB) и МКО 1931 (x, y)

Первыми исследуемыми цветовыми пространствами, которые стали широко использоваться в телевидении, являются цветовые пространства МКО 1931 (RGB) и МКО 1931 (x, y). Первое цветовое пространство использует реально существующие цвета RGB и основано на особенностях цветовосприятия человеческого глаза. Основателями данного цветового пространства можно считать двух независимых ученых – Райта и Гилда [4], чьи исследования были усреднены и интерпретированы как кривые сложения цветов для стандартного наблюдателя (рис. 2).

 

Рис. 2. Кривые сложения цветов при R = 700 нм, G = 546,1 нм, B = 435,8 нм по Райтеру и Гилду

Fig. 2. Color addition curves at R = 700 nm, G = 546,1 nm, B = = 435,8 nm according to Reiter and Gild

 

Проблемой цветового пространства RGB являлось наличие отрицательных значений для красной кривой, для чего данное цветовое пространство подверглось линейному математическому преобразованию. Полученное цветовое пространство стало носить название МКО 1931 (x, y) (рис. 1), которое использовало не реальные цвета, а мнимые. Кривые сложения данного цветового пространства представлены на рис. 3.

 

Рис. 3. Кривые сложения цветового пространства МКО 1931 (x, y)

Fig. 3. Curves of addition of color space CIE 1931 (x, y)

 

Табл. Соотношения размеров эллипсов Мак-Адама для различных цветовых систем

Table. McAdam ellipse size ratios for different color systems

№ п/п	Цветовая система	Отношение площадей эллипсов Мак-Адама	Величина порога цветоразличения	Эллиптичность, ε
1	МКО 1931 (RGB)	158,8	0,0146	24
2	МКО 1931 (х, y)	83,0	0,0059	25,9
3	МКО1960 (u, v)	7,2	0,0038	2,2
4	МКО 1976 (u*, v*)	228,8	4,9275	13,9
5	CIE LAB (a*, b*)	22,8	3,0624	15,4

 

При исследовании данных цветовых пространств были получены результаты, представленные в таблице, из которых видно, что данные цветовые пространства не являются равноконтрастными и, как следствие, непригодны для определения цветового различия в системах передачи цвета.

2. Цветовое пространство МКО 1960 (u, v), МКО 1976 (u*, v*) и CIE LAB (a*, b*)

Цветовое пространство МКО 1960 (u, v) появилось в результате поисков равноконтрастных цветовых пространств, было выяснено, что неравномерность цветового пространства невозможно убрать полностью, а только свести к минимуму. Поэтому в ходе многочисленных дискуссий МКО в 1960 г. временно утвердило равноконтрастный цветовой график, разработанный Мак-Адамом и получивший название МКО 1960 (u, v) (рис. 4).

 

Рис. 4. Цветовое пространство МКО 1960 (u, v) с эллипсами Мак-Адама

Fig. 4. CIE 1960 color space (u, v) with McAdam ellipses

 

В дальнейшем, в 1974 г., цветовое пространство МКО 1960 (u, v) было подвергнуто модификации введением новых координат, обозначенных u’ и v’ [5], а уже в 1976 г. данное пространство было расширено введением третьей координаты W*. В 1976 г. были предложены еще две модификации этого цветового пространства [6; 7]: Luv и Lab.

Система МКО LABUV является проективным равноконтрастным преобразованием системы МКО XYZ, в то время как L*a*b* – криволинейным. Поэтому прямые линии, построенные на графике xy, будут передаваться прямыми на графике u*v*, однако на графике a*b* станут кривыми. Координаты a* и b* уже не являются независимыми координатами цветности, поскольку в формулы для их определения включен коэффициент яркости Y0 белого света

Достоинством цветовой модели L*a*b* МКО (сокращенно МКО Lab), определившим ее широкое использование в колориметрии и промышленности, явилось не только то обстоятельство, что она очень эффективно решила проблему разработки равноконтрастного цветового пространства, но также и то, что описание цвета в этой системе фактически моделирует процесс представления цвета аппаратом человеческого зрения.

Результаты исследования данных цветовых пространств представлены в таблице.

Заключение

В результате исследования цветовых пространств МКО можно сделать вывод, что цветовые пространства МКО, которые используются в настоящее время, не являются строго равноконтрастными, т. е. не существует ни одной известной колориметрической системы координат, в которой бы эллипсы Мак-Адама изображались бы равновеликими окружностями, что говорит о том, что данные цветовые пространства непригодны для определения цветового различия в системах передачи цвета. Наиболее приближенной к равноконтрастным цветовым пространствам является МКО1960 (u, v), но и она имеет овальность в красной и пурпурной области. Из существующих колориметрических систем как пример строго равноконтрастного цветового пространства можно привести цветовое пространство (α, β), представленное в [7], эллиптичность которого составляет 0,2, что намного меньше, чем у других цветовых пространств.

About the authors

Leonid D. Lozhkin

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Email: leon.lozhkin@yandex.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department of Radio Electronic Systems

Russian Federation, Samara

Alexander A. Kuzmenko

Povolzhskiy State University of Telecommunications and Informatics

Author for correspondence.
Email: alexandr291294@mail.ru

Engineer of the Department of Radio Electronic Systems

Russian Federation, Samara

References

Supplementary files