2.4. Цветовой контраст

Цветовой контраст определяется порогами цветоразличения по цветовому тону, насыщенности и яркости. Порог цветоразличения по цветовому тону представляет собой минимальную разность длин волн Δλ двух соприкасающихся полей (поля сравнения, заполненные однородными излучениями одинаковой яркости и насыщенности), которые впервые с заданной вероятностью различаются разноцветными.

Пороги цветоразличения по цветовому тону для всего видимого непрерывного спектра по данным многих исследователей [26, 32] показаны на рис. 2.20 пунктирными линиями. Сплошные линии на рисунке соответствуют усредненным данным для яркости испытуемых объектов в 5 и 50 кд/м². Наиболее быстрое изменение зрительного ощущения цветового тона происходит в зоне длин волн λ=490 нм при переходе от синего участка спектра к зеленому, а также в зоне λ=580 нм при переходе от оранжевого к красному. Изменение зрительного ощущения цветового тона отмечается также в зонах длин волн λ=440 нм и λ=630 нм. Наличие в спектре участков с быстрым изменением зрительного ощущения по λ определяется минимальными порогами цветоразличения по цветовому тону в этих зонах спектра. Количество порогов цветоразличения по цветовому тону зависит от яркости полей сравнения.

Рис. 2.20. Пороги цветоразличения n по цветовому тону λ для всего видимого спектра при 5 и 50 кд/м² - - - для наблюдателей; _____ усредненные данные

Минимальные пороги цветоразличения по цветовому тону в сине-зеленой и оранжево-красной зонах спектра составляют Δλ≈1 нм. По краям видимого участка спектра пороги цветоразличения по цветовому тону резко возрастают (до 6 нм), причем цветовые тона становятся неразличимыми для излучения с длинами волн λ_кр>680 нм и λ_син<420 нм.

Рис. 2.21. Число порогов цветоразличения по цветовой насыщенности n от белого до монохроматического излучения: - - - для двух наблюдателей; __________ усредненные данные

Качество цвета характеризуется двумя параметрами: цветовым тоном (цветовой тональностью) и чистотой (цветовой насыщенностью). Между чистотой цвета излучения и насыщенностью вызванного им зрительного ощущения имеется качественное соответствие, которое заключается в том, что чистота цвета, так же как и насыщенность, уменьшается по мере разбавления монохроматического излучения белым.

Критерием насыщенности может служить число порогов цветоразличения на участке изменения цветности от монохроматического излучения (или исследуемого цвета) до белого в условиях постоянства цветового тона и яркости сравниваемых излучений. Из рис. 2.21, где изображены кривые цветовой насыщенности, оцениваемой двумя наблюдателями, а также усредненная кривая [26], видно резкое снижение насыщенности в желтой зоне 550 - 580 нм.

Зависимость насыщенности цвета от его чистоты [33] (рис. 2.22) показывает, что минимальное количество порогов для нее соответствует длинам волн 560 нм, затем 580 и 540 нм. Эта зависимость наиболее выражена для красной части спектра (700 нм) и несколько меньше для синей (480 нм).

Рис. 2.22. Зависимость насыщенности цвета H от чистоты цвета P для определенной длины волны

Зависимость контрастов по светлоте K_s в порогах от коэффициентов отражения объекта и фона показана на рис. 2.23 [33]. Для объектов светлее фона контрасты определяются в верхней части рисунка (выше 0), а для объектов темнее фона - в нижней его части.

Рис. 2.23. Зависимость контраста по светлоте Ks от коэффициентов отражения объекта Qo и фона дф

Порогом цветоразличения по цветности называется наименьшая разница в цветности, замечаемая средним человеческим глазом. Возьмем на цветовом графике точку, соответствующую цвету, с координатами цветности x, y. Начнем постепенно изменять координату x. Пока это изменение мало, глаз его не может оценить. Когда же изменение достигает величины Δx, глаз зафиксирует новый цвет, отличный от исходного. Аналогично можно рассуждать и в отношении координаты y. На цветовом графике мы можем оценить пороговую разность цветности расстоянием между двумя точками, характеризующими разнояркие излучения, различаемые по цветности с заданной вероятностью.

Две точки на цветовом графике x, y, отстоящие друг от друга на расстоянии √Δx²+Δy² соответствуют двум цветам, различающимся между собой на один порог по цветности. Таким образом, расстояние между двумя точками (цветностями) на цветовом графике может быть использовано для оценки разницы в их цветоразличении путем определения количества порогов по цветности, уложенных на прямой, соединяющей эти точки. Это можно сделать, если бы пороги по цветности на цветовом графике были бы одинаковы по расстоянию для всех цветов. Количество порогов зависит не только от расстояния между двумя цветностями, но и от направления, в котором меняется цветность (рис. 2.24). Замкнутые кривые, приближающиеся по форме к эллипсам [14, 34], показанные на рисунке, соответствуют изменению цветности на равное число порогов для точек внутри эллипсов. Наибольшая величина порога по цветности наблюдается в области зеленых и голубых цветов, наименьшая - в фиолетово-пурпурной области.

Рис. 2.24. Эллипсы равных цветовых контрастов

Для того чтобы можно было определить разницу в цветности по цветовому графику непосредственным измерением, необходимо так трансформировать цветовой график, чтобы все эллипсы порогов по цветности превратились в равные окружности. Такое преобразование было выполнено различными способами многими авторами. Полученные в результате трансформации цветовые графики называются равноконтрастными [14, 33, 35, 36, 37, 38, 58]. График [33, 35], используемый при цветовом оформлении (рис. 2.25), построен на основе колориметрической системы КЗС: K(x_K=0,747, y_K=0,250); З(x_з=1,72, y_з=-0,72), C(x_c=0,174, y_c=0,005). Новые координаты цветности в указанной системе V_K, V_з и V_c приняты для равноконтрастного пространства в виде гиперболоида. Причем в первом приближении оказалось возможным заменить поверхность гиперболоида гиперболическим цилиндром, так как сечения гиперболоида плоскостями V_c=const весьма близки к прямым. Ось цилиндра перпендикулярна координатной оси V_c и наклонена к оси V_K примерно под углом 45°. Данный цветовой график (рис. 2.25) разработан для углового размера объекта 4° и при наблюдении его на ахроматическом фоне и освещении стандартным источником света С МКО.

При наблюдении объекта, расположенного на хроматическом фоне, можно к примеру, представить, что на этот график накладывается другой, соответствующий цвету фона, после чего определяются координаты данной точки (цвета объекта) с учетом влияния фона при одинаковых остальных условиях. Расстояние между двумя точками при ахроматическом фоне будет отличаться от расстояния между этими точками при цветном фоне, а следовательно, количество цветовых порогов между ними изменится.

Координатная сетка x, y равноконтрастного цветового графика (см. рис. 2.25) криволинейная, а не прямоугольная, как это показано на цветовом графике x, y (см. рис. 1.8). Источник белого света C на равноконтрастном цветовом графике имеет координаты x= 0,31 и y=0,316.

Рис. 2.25. Равноконтрастный цветовой график

Разница в восприятии цвета, т. е. цветовой контраст K_цв, определяется

где K_ц - контраст по цветности, пороги; K_s - контраст по светлоте, пороги; n - коэффициент, учитывающий различие в восприятии цветности в зависимости от светлоты (рис. 2.26) [33].

Различают три степени цветового контраста: малый M, средний C и большой Б, каждая из которых [33] подразделяется на три группы (табл. 2.2).

Контраст по цветности K_ц на равноконтрастном цветовом графике можно определить для двух случаев, когда известны:

координаты цветности x, y двух цветов и отношение их коэффициентов отражения _o/_ф или яркостей L_o/L_Ф;

чистота цвета P и цветовой тон λ для двух цветов, а также отношение их коэффициентов отражения _o/_ф или яркостей L_o/L_ф.

В первом случае на равноконтрастном цветовом графике (см. рис. 2.25) определяют две точки, соответствующие координатам цветности x, y для предложенных двух цветов, и измеряют длину отрезка между ними в порогах. Для этого найденное расстояние (в миллиметрах) умножают на масштабный коэффициент равноконтрастного графика (для графика на рис. 2.25 этот коэффициент равен 3,4) и на коэффициент и (см. формулу (2.5) и рис. 2.26).

Пример. Определить контраст по цветности между объектом и фоном, если известны: x_o=-0,25, y_o=0,41, _o=20%, x_ф=0,39, y_ф=0,42, _ср=50%.

Контраст по цветности K_ц на равноконтрастном графике (см. рис. 2.25) находим как длину отрезка в миллиметрах между двумя цветами (а и б), умноженную на масштабный коэффициент 2,4 и на n (см. рис. 2,26) (по отношению коэффициентов отражения _o/_ф=20/50 находим n=0,87)

Цветовой контраст для указанных двух цветов рассчитываем по формуле (2.5). Для этого на рис. 2.23 определяем контраст по светлоте в порогах для отношения коэффициентов отражения _o/_ср=20/50 K_s=45 порогов, откуда

Этот цветовой контраст классифицируется, как Б₁.

Во втором случае по известным P, λ и _o/_ф или L_o/L_ф определяют насыщенность H этих цветов в порогах в зависимости от чистоты P и длины волны λ по рис. 2.22. Затем на равноконтрастном графике (см. рис. 2.25), соединив прямыми точку белого света C с точками, характеризующими длины волн предложенных цветов, откладывают на этих прямых отрезки, соответствующие измеренным значениям насыщенности в порогах. По расстоянию между найденными двумя точками на равноконтрастном графике определяют контраст по цветности.

Пример. Требуется найти контраст по цветности между объектом и фоном, если известны: λ_o=580 нм, P_o=70%, _{o=40%, λф = 600 нм, Pф=65%, ф=25%.}

По значениям P и λ на рис. 2.22 устанавливается насыщенность H_o=12 порогов, H_ф=26 порогов. Проводим на равноконтрастном графике (см. рис. 2.25) прямые линии из точки белого света С до точек для длин волн λ=580 нм и λ=600 нм. На этих прямых от точки С откладываем отрезки, соответствующие насыщенности H_o и H_ф. Определяем расстояние в миллиметрах между точками концов этих отрезков (в и г), а затем контраст по цветности, как указано выше:

Контраст по светлоте для _o=40% и _ф=25% (см. рис. 2.23) составляет K_s=25 порогов.

Цветовой контраст согласно формуле (2.5)

который классифицируется, как C₃.

Количество цвета Q, определяемое числом порогов цветоразличения, имеет те же градации, что и цветовой контраст (см. табл. 2.2).

Таблица 2.2. Цветовой контраст по группам

Возможны два случая расчета количества цвета:

когда известны координаты цветности образца x, y и отношение коэффициентов отражения _o/_ф или яркостей объекта и фона L_o/L_ф. В этом случае находят насыщенность цвета H по равноконтрастному графику (см. рис. 2.25) и умножают ее на коэффициент n (см. рис. 2.26);

Рис. 2.26. Зависимость коэффициента n у контраста по цветности от отношения яркостей или коэффициентов отражения объекта и фона

когда известны чистота цвета P, цветовой тон λ образца и отношение коэффициентов отражения _o/_ф или яркостей объекта и фона L_o/L_ф, определяют насыщенность по графику (см. рис. 2.22) и умножают ее на коэффициент n (см. рис. 2.26).

Пример 1. Определить Q образца на фоне с коэффициентом отражения _ф=70%. Известны характеристики образца λ=540 нм, P=70%, = 35%. Находим насыщенность цвета по графику для чистоты P=70% (см. рис. 2.22) H=56 порогов. Отношение коэффициентов отражения _o/_{ф=0,5. Сограсно графику (см. рис. 2.26) для o/ф=0,5 коэффициент n=0,9, тогда Q=56·0,9=49 порогов. Найденное количество цвета классифицируется, как C2.}

Пример 2. Определить Q образца на фоне с коэффициентом отражения _ф=70%. Известны координаты цветности образца x_o= 0,35, y_o=0,52 и коэффициент его отражения _o=40%. Находим насыщенность цвета образца на равно-контрастном графике (см. рис. 2.25) как расстояние от точки С до точки с указанными координатами цветности x, y (в миллиметрах), умноженное на 3,4,- масштабный коэффициент равноконтрастного графика

Отношение коэффициентов отражения _o/_ф=0,57. По графику (см. рис. 2.26) для _o/_ф=0,57 коэффициент n=0,9, тогда 61,2×0,9=55,1 порога. Найденное количество цвета классифицируется, как C₃.

Равноконтрастный график (см. рис. 2.25) для расчета цветовых различий (количества цветовых порогов) применяется в основном при цветовом оформлении объектов народного хозяйства.

В последнее время благодаря использованию аналитических методов расчета с применением ЭВМ большие успехи достигнуты в получении равноконтрастных пространств. Разработаны и начали применяться формулы для расчета малых цветовых различий [36, 37]. Получила признание колориметрическая система Адамса-Никкерсона (AN). Комитетом международной организации по стандартизации, ответственным за измерение цвета в текстильной промышленности, для определения цветовых различий рекомендована формула AN

В этой системе координаты цвета выражаются:

Для перевода координат цвета X, Y, Z в значения V_x, V_y, V_z необходимы громоздкие таблицы, что составляет определенные неудобства, которые можно устранить, используя ЭВМ. В координатах V_x, V_y, V_z цветовое различие

Цветовой график AN, определяемый координатами A, B, базируется на нелинейном преобразовании координат цвета X, Y, Z системы МКО 1931 г. В дальнейшем была предложена более усовершенствованная формула для определения цветовых различий с использованием кубического корня

Величины X₀, Y₀, Z₀ характеризуют координаты цвета эталона белого цвета при стандартном излучателе МКО (например, C или Д₆₅). При этих условиях X₀, Y₀, Z₀ тождественны координатам цвета используемого стандартного излучения с Y₀=100.

Формула ΔE(Lab) является более удобной модификацией формулы ΔE(L_ANAB). При этом цветовые различия, рассчитанные по этой формуле, соответствуют цветовым различиям, определенным по формуле ΔE (Lab) с постоянным коэффициентом 0,9 [14, 37].

Комитет по колориметрии МКО рекомендовал проводить исследования по двум формулам цветовых различий:

варианту формулы Адамса-Никкерсона, учитывающему кубический корень ΔE (Lab);

несколько модифицированному варианту формулы цветовых различий МКО 1964 г. Координаты цветов в этой формуле определяются:

где U′=4X/(X+15Y+3Z);

В этом случае формула цветовых различий имеет вид

Последнее уравнение является усовершенствованным вариантом уравнений, определяющих цветовое пространство (L, U, V) и формулу цветовых различий МКО 1964 г. Предполагается, что в недалеком будущем МКО официально будет рекомендовать две формулы ΔE(LUV) и ΔE(Lab) для использования в промышленности [14].

Между координатами a, b пространства Lab и координатами U, V пространства LUV не существует простой зависимости. График (a, b) является криволинейной трансформацией цветового графика (X, Y) МКО, а график (U, V) - проективной трансформацией, преобразующей прямые линии на графике (X, Y) МКО в прямые линии на графике (U, V) [14].