Хант Р.В.Г. Цветовоспроизведение
Подождите немного. Документ загружается.
2 ТРИХРОМАТИЧЕСКОЕ
ЦВЕТОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ
И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
2.1 ВВЕДЕНИЕ
Н
а протяжении XVIIго и XVIIIго веков версия тройственной природы цвета
неуклонно крепла, и в 1722 г. Жакоб Кристофель Леблон впервые применил
т.н. «трехцветную» (трихроматическую) печать (Weale, 1957; Wall, 1925; Birren,
1981). Около 1807 года Томас Юнг инструментально подтвердил тот факт, что сетчат
ка человеческого глаза отвечает за цветовое триединство стимулов реальных сцен,
а в 1861 г. Джеймс Клерк Максвелл получил первую трихроматическую цветную фо
тографию, и, что примечательно, отнюдь не в личных интересах, но в качестве иллю
страции тройственной природы цветового зрения (Maxwell, 1858—1862).
2.2 МЕТОД МАКСВЕЛЛА
Максвелловский метод лежит в основе всех современных систем цветовоспроизве
дения. Ученый взял три негатива: один, выполненный за красным фильтром, вто
рой — за зеленым, и третий — за синим, сделал с них три позитивных слайда, которые
затем установил перед тремя отдельными проекторами, подававшими все три изобра
жения на белый экран (рис. 2.1). Перед проектором, в котором был закреплен слайд,
полученный с «красного» негатива, был установлен красный фильтр; перед проекто
рами, в которых закреплялись слайды, полученные с «зеленого» и «синего» негати
вов, — соответственно зеленый и синий фильтры. В результате на экране возникала
цветовая репродукция оригинала. Физически все цветовые стимулы, отраженные от
экрана, были лишь смесью красного, зеленого и синего световых потоков, но зрение
воспринимало их как белый, желтый, оранжевый, сиреневый и т.п. Фактически пол
ный диапазон ненасыщенных и насыщенных цветов воспринимался как дополнение
к красному, зеленому и синему.
Сегодняшнее цветовоспроизведение, реализуемое в фотографии, телевидении и пе
чати, имеет весьма мало общего с методом Максвелла, но сам принцип воспроизведе
ния, воплощаемый через разновеликие смеси красного, зеленого и синего световых по
токов, остается универсальным. Стоит сказать, что тройное проектирование в сово
купности с современными технологическими возможностями (triple projection) дает
результаты высочайшего качества.
В течение многих лет оставалось загадкой то, как именно Максвелл смог получить
изображения за красным и зеленым фильтрами, поскольку его фотоматериалы были
чувствительны лишь к коротковолновому (синему) свету, а возможность расширять
чувствительность до зеленой и красной областей спектра появилась только 25 лет
спустя благодаря открытию Вогеля, применившего т.н. сенсибилизирующие красите
ли. Секрет Максвелла был раскрыт Эвансом (Evans, 1961), показавшим, что максвел
11
ловский зеленый фильтр на самом деле пропускал синезеленый свет, которого оказа
лось достаточно для экспонирования пластин, а регистрация изображения за красным
фильтром на самом деле произошла благодаря пропущенному этим фильтром ультра
фиолетовому излучению. Наконец, Эванс продемонстрировал то, что многие красные
краски, которые, вероятно, использовались для отделки шотландской ткани, бывшей
предметом максвелловского изображения, отражали не только красный свет, но так
же и ультрафиолет. Таким образом, хотя максвелловские трихроматические изобра
жения и оказались полученными за счет синего, синезеленого и ультрафиолетового
излучений, они смогли воспроизвести цветовую репродукцию вполне приемлемого ка
чества. То есть, как это иногда случается с великими людьми, Максвелл оказался прав
в принципе, ошибаясь при этом в частном!
В 7й главе принципы трихроматического цветовоспроизведения будут выведены
из экспериментов по цветовому сравнению. Такой подход академически строг, но дос
таточно сложен, поэтому в данной главе мы будем рассуждать несколько иначе: за ос
нову рассуждений мы примем физиологию цветового зрения человека, на базе которой
(в общих чертах и весьма коротко) рассмотрим, в чем состоят преимущества и недос
татки трихроматического цветовоспроизведения.
Трихроматический подход к цветовоспроизведению не зависит, однако, от
какихлибо специальных физиологических теорий, но скорее от того факта, что весь
ма широкий диапазон промежуточных цветовых стимулов можно получить смешива
нием красного, зеленого и синего световых потоков. Такая смесь может быть получена
или непосредственно, или же путем использования трех красителей или пигментов:
желтого, поглощающего синий свет, пурпурного, поглощающего зеленый, и
синезеленого (циан), поглощающего красный.
2.3 ФИЗИОЛОГИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА
Общеизвестно, что сетчатка человеческого глаза содержит в себе светочувствитель
ные клетки двух типов: т.н. палочки и колбочки. К 1900 г. было четко установлено, что
бесцветным зрение становится при очень низких уровнях освещенности (таких как
12
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
Рис. 2.1 Аддитивное цветовоспроизведение с помощью тройного проектирования.
слабый лунный свет или свет звезд) и зависит от отбеливания (bleaching) некоей свето
чувствительной субстанции, содержащейся в палочках и именуемой зрительным пур
пуром. В данной логике вполне естественно приписать трехкомпонентность и цветово
му зрению, объяснив природу последнего отбеливанием трех разных светочувстви
тельных субстанций, содержащихся в колбочках. Однако такое объяснение неочевид
но: отчасти изза того что, вопервых, колбочек гораздо меньше, чем палочек, и,
вовторых, изза того что их чувствительность меньше, поскольку они содержат суще
ственно менее реактивный фотопигмент.
Вместе с тем у разных животных были обнаружены фоточувствительные пигмен
ты, поглощающие свет в разных зонах видимого спектра, как то и требуется системе
цветового зрения, основанной на таких пигментах (Dartnall и Lythgoe, 1965). Измере
ния показали, что при облучении человеческой сетчатки сильным светом, доля света,
отраженная от сетчатки, возвращается через зрачок с такой цветностью, как если бы
три пигмента были отбелены (Rushton, 1957 и 1958; Weale, 1959; Ripps и Weale, 1963;
Brown и Wald, 1964; Mitchell и Rushton, 1971). То есть, подтвердилось то, что первый
пигмент поглощает красный свет, второй пигмент — зеленый, и третий — синий. Мно
го позже человеческий колбочковый пигмент был получен искусственно в специаль
ной биотканевой культуре (Oprian, Asenjo, Lee и Pelletier, 1991).
Экстренное посмертное микроскопическое исследование отдельных колбочек по
казало, что в разных колбочках содержатся разные пигменты (Marks, Dobelle
и MacNichol, 1964; Brown и Wald, 1964; Bowmaker и Dartnall, 1980). После того как
свет поглотится пигментами, генерятся электрические сигналы (в форме нервных им
пульсов), несущие в мозг цветовую (и прочую) информацию об изображении внешнего
мира на сетчатке. В тех слоях сетчатки, где сигналы, идущие по нервным волокнам от
колбочек и палочек, объединяются между собой, возникает великое множество слож
ных, запутанных связей, и после этого цветовая информация кодируется принципи
ально иными сигналами, уже не представляющими результат абсорбции света тремя
пигментами. Так, например, у некоторых животных (в том числе и у человека) переда
ваемые сигналы подобны яркостному и цветоразностным сигналам, используемым в
цветном телевидении (Svaetichin и MacNichol, 1958; De Valois, 1970; MacNichol, 1964;
Hurvich и Jameson, 1957; Hunt, 1982).
После поглощения света пигментами сетчатки, в ней начинается поэтапная обра
ботка сигналов, причем характер обработки остается неизменным, если неизменен ха
рактер поглощения (при условии неизменности условий просмотра). Следовательно,
ключ к успеху трихроматического цветовоспроизведения нужно в первую очередь ис
кать на стадии поглощения света фотопигментами сетчатки.
2.4 КРИВЫЕ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ СЕТЧАТКИ
Чтобы детально разобраться в процессах, происходящих на стадии сетчаточной аб
сорбции, нам следует познакомиться с тем, по какому принципу меняется на протяже
нии всего спектра способность каждого из трех пигментов поглощать свет (и обесцве
чиваться), производя тем самым т.н. визуальный отклик (visual response). То есть мы
должны знать кривую спектральной чувствительности каждого из трех пигментных
механизмов.
Всегда считалось, что чувствительности, измеренные косвенными методами, не
плохо аппроксимируются кривыми, показанными на рис. 2.2 (а) (Wright, 1946;
Thomson и Wright, 1953; Stiles, 1978), и следует отметить, что прямые измерения, вы
13
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
полненные путем оценки света, отраженного от сетчатки и прошедшего назад через
зрачок, дают сходные результаты (рис. 2.2 [b]). Однако прямые измерения весьма за
труднительны в «синей» части спектра, поскольку продукты обесцвечивания пигмен
тов, поглощая свет в разных количествах, не дают при этом соответствующих цвето
вых откликов. По упомянутой причине измерения по «сине»поглощающему пигмен
ту менее точны, чем по «красно» или «зелено»поглощающему, а в ряде исследований
по «синему» пигменту вообще нет результатов.
Параметры кривых, наилучшим образом отражающих т.н. спектральную свето
вую эффективность (action spectra), то есть визуальный отклик по различным длинам
волн света, падающего на роговицу человеческого глаза, попрежнему остаются пред
метом активного обсуждения. Некоторые кривые достигают максимума на длинах
волн порядка 440, 535 и 565 нм (Smith и Pokorny, 1975); кривые, показанные на
рис. 2.2 (а), имеют пики на 440, 545 и 580 нм, что получено при иных исследованиях,
выполненных, в частности, Estevez (Estevez, 1979). Прочие варианты кривых, одна
ко, аналогичны обсуждаемым в данной главе и в целом столь же верны.
Далее. Очевидно, что колбочковые чувствительности накладываются друг на дру
га: чувствительность первого типа покрывает красную, оранжевую и желтую части
спектра, чувствительность второго типа — оранжевую, желтую, зеленую и сине
14
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
Рис. 2.2 (а) — предполагаемые кривые чувствительностей (b, g и r) трех типов фоторецепторов,
отвечающих за цветовое зрение (кривые получены косвенными методами), совокупно с тремя
спектральночистыми RGBсветовыми потоками, наиболее подходящими аддитивному цвето
воспроизведению; (b) — кривые спектральной чувствительности, обычно получаемые в резуль
тате экспериментов по обесцвечиванию пигментов в сетчатке чеовеческого глаза.
зеленую, третьего — синезеленую, синюю и фиолетовую. Мы будем расценивать эти
чувствительности как принадлежащие колбочкам трех разных типов: r, g и b соответ
ственно (если бы в некоторых колбочках присутствовало несколько пигментов, то кри
вые их спектральной чувствительности были бы суммой показанных кривых и ниже
следующие рассуждения не имели бы смысла [Hunt, 1952 и 1959]; однако исследова
ния сетчатки свидетельствуют, что каждая колбочка содержит в себе только один из
трех возможных пигментов [Marks, Dobelle и MacNichol, 1964]).
Теперь, возвращаясь к максвелловскому методу, мы начинаем понимать, что цве
товая репродукция будет верной в том случае, когда фотопленка с помощью трех нега
тивных сепараций «проанализировала» сцену аналогично зрительной системе челове
ка. Следовательно, спектральные чувствительности трех пленочных фильтров долж
ны походить на те, что показаны на рис. 2.2. Сие не является непреодолимой трудно
стью и весьма эффективно достигается использованием панхроматических пленок и
соответствующих фильтров. Следует отметить, что, вследствие широкого спектраль
ного охвата rиgкривых, красный фильтр фактически выглядит оранжевым, а зеле
ный фильтр — менее насыщенным, чем монохроматический зеленый.
Когда спектральные коэффициенты пропускания чувствительности пленочных
фильтров оказываются пропорциональны чувствительностям, кривые которых пока
заны на рис. 2.2, величины фотоизображения по каждой точке наших негативов пред
ставляют собой функции от откликов r, gиbколбочек по соответствующим элемен
там сцены. Следовательно, в позитивах пропускание по каждой точке будет пропор
ционально r, gиbоткликам (при условии, что позитивный фотопроцесс корректно
соотносится с экспонированными негативами).
Если спектральный коэффициент пропускания фильтров, установленных перед
проекторами, окажется таким, что красный свет будет возбуждать только rколбочки,
зеленый — только gколбочки, а синий — только bколбочки, на выходе мы получим
корректную цветовую репродукцию, поскольку каждая точка на экране вызовет те же
самые r, gиbотклики сетчатки, что и соответствующие точки в оригинальной сцене
(при условии, что уровень освещенности и условия просмотра те же). К сожалению,
«если», стоя<щее в начале абзаца, делает желаемое невозможным.
2.5 ПАРАЗИТНОЕ КОЛБОЧКОВОЕ ВОЗБУЖДЕНИЕ
Из рис. 2.2 (а) ясно, что свет, пропущенный красным фильтром, т. е. свет с длинами
волн только порядка 650 нм, будет возбуждать лишь rколбочки, а свет с длиной вол
ны порядка 450 нм, пропущенный синим фильтром, будет стимулировать в основном
bколбочки (и лишь слегка gиr). При этом в спектре нет такой зоны, к свету которой
были бы чувствительны только gколбочки, и, следовательно, невозможно найти
фильтр, который бы пропускал свет, возбуждающий только их. Лучшее, что можно
сделать, это выбрать фильтр, пропускающий узкополосный свет в районе 510 нм (от
метка G на рис. 2.2 [a]; полосы светопропускания красного и синего фильтров отмече
ны соответственно как R и B).
Эффект от действия такого зеленого фильтра заключается в том, что по всем участ
кам экрана, где отражается свет зеленого проектора, возникают паразитные избыточ
ные rиbотклики, и избыток этот, конечно же, наиболее значим в случае зеленых то
нов (которые будут терять насыщенность) и менее значим в случае красных и синих то
нов, при которых gотклик мал. Белые тона будут иметь умеренный (средний) избыток
rиbоткликов, приобретая при этом легкий пурпурный оттенок (что преодолимо за
15
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
счет раздельной регулировки относительных интенсивностей лучей проекторов:
белопурпурный в итоге станет белым, что частично откорректирует и все низконасы
щенные тона; вместе с тем насыщенные окажутся слегка искаженными по цветовому
тону и относительным интенсивностям, что, как правило, существенно менее значимо,
чем искажения в воспроизведении цветовых стимулов, близких к белому или к серому).
Если полосы пропускания фильтров эквивалентны тем, что показаны на рис. 2.2 (a)
(т. е. R, G и B), то это значит, что каждый фильтр пропускает свет лишь очень узкой по
лосы спектра, а бо<льшую часть света, испускаемого лампами проекторов, поглощает.
Чтобы подавать на экран большее количество света от каждого проектора и, следова
тельно, чтобы воспроизводить визуально более яркую картину, на практике всегда ис
16
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
Äëèíà âîëíû (íì)
400 500 600 700
0
50
100
Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü
B
b
g
r
400 500 600 700
0
50
100
Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü
G
b
g
r
400 500 600 700
0
50
100
Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü
R
b
g
r
Рис. 2.3 r, g,иbкривые спектральной чувствительности сетчатки и спектральное распределе
ние энергии света, пропущенного красным, зеленым и синим фильтрами, обычно используе
мыми в аддитивном цветовоспроизведении (сплошные заливки, обозначенные как R, G, B).
пользуются фильтры, имеющие более широкую полосу пропускания (наподобие тех,
что показаны на рис. 2.3). Последнее неизбежно ведет к дальнейшему ухудшению цве
топередачи, поскольку свет от каждого проектора дает еще большее паразитное возбу
ждение колбочек, чем при использовании фильтров, показанных на рис. 2.2 (а).
При получении красного, зеленого и синего света не вышеописанным способом, а
за счет возбуждения люминофоров (как это делается в цветном телевидении), возника
ет ситуация (рис. 2.4), сходная с той, что показана на рис. 2.3.
Таким образом, становится ясно, что неспособность любых красных, зеленых и си
них световых потоков к раздельному возбуждению колбочек сетчатки в целом затруд
няет процесс трихроматического цветовоспроизведения. Если бы кривые спектраль
17
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
Äëèíà âîëíû (íì)
400 500 600 700
0
50
100
Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü
B
b
g
r
400 500 600 700
0
50
100
Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü
G
b
g
r
400 500 600 700
0
50
100
Îòíîñèòåëüíàÿ ÷óâñòâèòåëüíîñòü
b
g
r
R
Рис. 2.4 r, g,иbкривые спектральной чувствительности сетчатки и кривые спектрального рас
пределения энергии света красного, зеленого и синего фосфоров обычно используемых в цвет
ном телевидении (сплошные заливки, обозначенные как R, G, B).
ной чувствительности rиbколбочек не перекрывались в «синезеленой» части спек
тра, то средневолновый свет возбуждал бы только gколбочки; однако коль скоро r
и bкривые явно накладываются друг на друга, то свет средних длин волн не может
стимулировать одни лишь gколбочки (gфоторецепторы). Цветовому зрению такая на
кладка крайне необходима: она создает основу эффективной детекции изменений
в цветовом тоне стимулов всего спектрального диапазона, но в контексте цветовоспро
изведения это означает, что некоторые цветовые стимулы с помощью трихроматиче
ских методов корректно воспроизвести невозможно (и, как мы видим, причина сего
заключена в физиологии цветового зрения человека). Таким образом, при работе цве
торепродукционных систем мы неизбежно сталкиваемся с проблемой паразитного
возбуждения (unwanted stimulations) колбочковых фоторецепторов.
Сказанное выше продемонстрирует рис. 2.5: если некая часть оригинала вызывает
отклики r
O
, g
O
и b
O
и если интенсивности R, G и B красного, зеленого и синего воспроиз
водящих потоков пропорциональны этим откликам, то результат воспроизведения бу
дет несостоятелен, бо красный луч вызовет паразитный gотклик (g
R
), зеленый луч —
паразитные r и bотклики (r
G
и b
G
), а синий — паразитные отклики r и g (r
B
и g
B
).
Таким образом, проблема состоит в том, что вместо определенных величин красно
го (r), зеленого (g) и синего (b) откликов, эквивалентных оригинальным r
O
, g
O
и b
O
,мы,
при наличии паразитного возбуждения, получим:
rr r r=++
OGB
gg g g=++
ORB
bb b=+
OG
18
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
ÎÐÈÃÈÍÀË
Ñìåñü âñåõ
ñïåêòðàëüíûõ «öâåòîâ»
ÐÅÏÐÎÄÓÊÖÈß
R+G+B
Рис. 2.5 Схематичная иллюстрация неточности трихроматического цветовоспроизведения.
Далее. Воспроизведению белого стимула и промежуточных серых (белый и серый
можно толковать как ощущения, возникающие при равновеликих r, g и bоткликах)
требует того, чтобы интенсивности красного, зеленого и синего световых потоков соот
ветственно уменьшаются. По иным стимулам эффект от появления паразитных возбу
ждений состоит в том, что r, g и bотклики становятся ближе друг другу по величине,
и, следовательно, восприятие стремится к белому или серому, то есть полнота цвета
(colorfulness) падает. То есть наложение кривых колбочковых чувствительностей друг
на друга (рис. 2.2) делает невозможной выборочную стимуляцию колбочек разных ти
пов, что в свою очередь ведет к невозможности корректного воспроизведения некото
рых цветов простыми трихроматическими средствами.
В следующих главах мы будем говорить о важности описанного недостатка и о пу
тях его компенсации, и, кстати, о том, что подгонка спектральных чувствительностей
фильтров фотопленки под кривые r, g и b является отнюдь не лучшим решением про
блем, возникающих при трихроматическом цветовоспроизведении. Вместе с тем, опи
санные недостатки трихроматического метода далеко не всегда заметны на практике,
и очень часто изображения, воспроизведенные этим способом, обладают отменным ка
чеством.
ПРЕДМЕТНЫЕ ССЫЛКИ
Birren, F., Color Res. Appl., 6, 85 (1981).
Bowmaker, J.K., and Darnall, H.J.A., J. Physiol., 298, 131 and 501 (1980).
Brown, P.K., and Wald, G., Science, 144, 45 (1964).
Dartnall, H.J.A., and Lythgoe, J.N., Vision Research, 5, 81 (1965).
DeValois, R.L., Proc. 1st A.I.C. Congress, Stockholm, p. 29 (1970).
Estevez, O., Ph.D. Thesis, University of Amsterdam (1979).
Evans, R.M., J. Phot. Sci., 9, 243 (1961).
Hunt, R.W.G., J. Opt. Soc. Amer., 42, 198 (1952).
Hunt, R.W.G., Nature, 183, 1601 (1959).
Hunt, R.W.G., Color. Res. Appl., 7, 95 (1982).
Hurvich, L.M., and Jameson, D., Psychol. Rev., 64, 384 (1957).
MacNichol, E.F., Vision Research, 4, 119 (1964).
Marks, W.B., Dobelle, W.H., and MacNichol, E.F., Science, 143, 1181 (1964).
Maxwell, J.C., Proc. Roy. Inst., 3, 370 (1858–62).
Mitchell, D.E., and Rushton, W.A.H., Vision Research, 11, 1045 (1971).
Oprian, D.D., Asenjo, A.B., Lee, N., and Pelletier, S.L., Biochemistry, 30, 11 367 (1991).
Ripps, H., and Weale, R.A., Vision Research, 3, 531 (1963).
Rushton, W.A.H., Visual Problems of Colour, p. 73, N.P.L. Symposium, H.M.S.O., London
(1957).
Rushton, W.A.H., Nature, 182, 690 (1958).
Smith, V.C., and Pokorny, J., Vision Research, 15, 161 (1975).
Stiles, W.S., Mechanisms of Colour Vision, Academic Press, London (1978).
Svaetichin, G., and MacNichol, E.F., Ann. N.Y. Acad. Sci., 74, 385 (1958).
Thomson, L.C., and Wright, W.D., J. Opt. Soc. Amer., 43, 890 (1953).
Wall, E.J., The History of ThreeColor Photography, p. 1, American Photographic
Publishing Co., Boston (1925).
Weale, R.A., Nature, 179, 648 (1957).
Weale, R.A., Optica Acta, 6, 158 (1959).
Wright, W.D., Researches on Normal and Defective Colour Vision, Chapters 21 and 30,
Kimpton, London (1946).
19
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП
ЛИТЕРАТУРА
Boynton, R.M., Human Color Vision, Holt and RinehartWinston, New York (1979).
Coe, B.W., Colour Photography, the First Hundred Years, Ash and Grant, London (1978).
Evans, R.M., Hanson, W.T., and Brewer, W.L., Principles of Color Photography, Wiley,
New York (1953).
Wall, E.J., The History of ThreeColor Photography, American Photographic Publishing
Co., Boston (1925).
ГЛАВА 2 ТРИХРОМАЗИЯ И АДДИТИВНЫЙ ПРИНЦИП