Dla danego widma może istnieć tzw. dominująca długość fali. Gdyby światło obserwowane przez oko było mieszaniną (w odpowiednich proporcjach) światła o tej długości fali ze światłem białym3, to wrażenia byłyby identyczne jak wrażenia wywołane przez światło o danym widmie. Światło białe jest rozszczepiane przez pryzmat na tęczę. Poszczególne barwy tęczy odpowiadają różnym dominującym długościom fali.
Jedną z podstaw postępu technicznego jest standaryzacja. W zastosowaniach technicz-nych podstawą do opracowywania standardów jest powszechnie używany diagram CIE, ustalony w 1931r. przez Międzynarodową Komisję Oświetleniową (Commision Internationale de l’Eclairage), przedstawiony na rysunku 12.3. Układ współrzędnych barw, w którym jest przedstawiany ten diagram, będący także podstawą do określania innych układów współrzęd-nych w przestrzeni barw, nazywa się układem XY Z. Obszar płaszczyzny, który reprezentuje barwy widzialne, ma kształt podkowy4 wpisanej w trójkąt, którego wierzchołki stanowią układ odniesienia. Dzięki temu współrzędne wszystkich widzialnych barw w układzie XY Z są nie-ujemne.
Punkty na krzywej ograniczającej diagram od góry odpowiadają barwom światła monochro-matycznego (w którym występują tylko fale o jednej długości). Na krzywej tej leżą kolejne barwy
3
Określenie „światło białe” jest niejednoznaczne, przez co jest źródłem wielu nieporozumień. Można umawiać się, że jest to światło o stałym widmie w całym zakresie długości fali albo światło wysyłane przez „ciało doskonale czarne” o ustalonej temperaturze. Chwilowo stosuję pierwszą umowę.
4 Z moich obserwacji wynika, że końska podkowa ma inny kształt, ale wszystkie opisy diagramu CIE, a więc i ten, zawierają wzmiankę o podkowie.
tęczy. Odcinek ograniczający diagram od dołu to tzw. linia purpury. Światło reprezentowane przez punkty tego odcinka jest mieszaniną światła fioletowego i czerwonego i nie można dla niego wskazać dominującej długości fali. Punkty wewnątrz diagramu reprezentują światło „złamane”, z domieszką bieli.
Rysunek 12.3. Diagram CIE (przybliżony).
Uwaga: Światło o barwie reprezentowanej przez punkty spoza obszaru ograniczonego krzywą tęczy i linią purpury nie istnieje. Także barwy określające układ odniesienia są tylko umowne, wbrew temu, co można przeczytać w niektórych publikacjach. Ponieważ obszar reprezentujący barwy światła widzialnego nie jest wielokątem, więc nie istnieje żaden skończony zbiór źródeł światła, którego mieszanie pozwoliłoby otrzymać wszystkie widzialne barwy (ale jest oczywiste, dlaczego obszar ten jest wypukły).
Płaski obrazek umożliwia przedstawienie pewnego przekroju trójwymiarowego zbioru wrażeń rozróżnianych przez ludzki narząd wzroku; diagram CIE przedstawia światło o stałej mocy. Bry-ła, której punkty reprezentują światło widzialne o ograniczonej mocy całkowitej, przedstawiona w układzie XY Z, jest pokazana na rysunku 12.4.
Pojęcie bieli jest umowne, ponieważ oko przyzwyczaja się do różnych warunków oświetlenia i odbiera jako „białe” światło o różnych barwach. Na ogół za białe przyjmuje się światło wysy-łane przez ciało doskonale czarne (np. pogrzebacz, żarówka, Słońce), ogrzane do odpowiedniej temperatury (np. pogrzebacz — 700K, żarówka — 3000K, Słońce — 6000K, oświetlenie przez promienie słoneczne rozproszone w atmosferze — 9000K). Na diagramie CIE barwy światła białego o różnych temperaturach leżą na pewnej krzywej (uwidocznionej na rysunku12.3).
Mając ustaloną barwę białą można wprowadzić pojęcia nasycenia barwy i barwy dopeł-niającej. Barwa jest nasycona wtedy, gdy reprezentujący ją punkt leży na brzegu obszaru barw widzialnych. Nasycenie jest równe 0 wtedy, gdy światło jest białe i 1 jeśli odpowiedni punkt
Rysunek 12.4. Bryła barw widzialnych w układzie CIE XY Z.
Rysunek 12.5. Barwy dopełniające na diagramie CIE.
znajduje się na brzegu obszaru barw widzialnych. Dla ustalonej barwy można narysować prostą przechodzącą przez reprezentujący ją punkt i punkt bieli. Nasycenie można odczytać mierząc proporcję podziału odcinka łączącego punkt bieli z brzegiem obszaru, przez punkt reprezentują-cy barwę daną. Barwa dopełniająca jest reprezentowana przez pewien punkt na rozpatrywanej prostej po przeciwnej stronie punktu bieli. Ma ona to samo nasycenie i moc, co barwa przez nią dopełniana.
Różne urządzenia mają różne zbiory barw, które mogą reprodukować. Na przykład tele-wizory i monitory komputerowe z lampą kineskopową mają trzy rodzaje luminoforów, które
Rysunek 12.6. Barwy możliwe do zrealizowania na ekranie monitora.
świecąc z różną intensywnością, zawsze nieujemną, odwzorowują barwy reprezentowane przez punkty należące do trójkąta, którego wierzchołki odpowiadają barwom światła wysyłanego przez poszczególne luminofory. Drukarki kolorowe mają co najmniej trzy różne atramenty, co teore-tycznie umożliwia reprodukcję barwy o dowolnym odcieniu. Częściej jednak atramentów jest więcej (np. sześć), ponieważ dla otrzymania wydruku o dobrej jakości potrzebne jest uzyskanie barw o wysokim nasyceniu, a to jest trudne dla barw otrzymanych przez zmieszanie różnych atramentów, których barwy są odległe od barw reprodukowanych. Zwykle zbiór barw możliwych do wydrukowania nie zawiera, ani nie jest zawarty w zbiorze barw możliwych do otrzymania na monitorze. Oczywiście, zadrukowany papier nie jest źródłem światła, tylko obiektem odbija-jącym światło, a zatem reprodukcja barw przez urządzenia drukujące jest zależna od światła, w jakim obraz oglądamy. Zwróćmy jednak uwagę, że wzrok osoby oglądającej wydrukowany obrazek przyzwyczaja się do światła w otoczeniu (przez co uważamy, że „biała” kartka papieru wygląda tak samo w świetle dziennym i sztucznym).
Tworzenie i przesyłanie obrazu wiąże się z błędami reprezentacji barw. Konieczne jest zatem zbadanie następującego problemu: na jakie zniekształcenia barw ludzki wzrok jest najbardziej i najmniej wyczulony?
Odpowiedź na to pytanie ma znaczenie dla opracowania metod transmisji (w tym kompresji) obrazów i dla reprodukcji obrazu na urządzeniu, które nie może oddać wszystkich barw obecnych w obrazie danym. W dużym uproszczeniu można stwierdzić, że najmniej dostrzegalne są zmiany nasycenia i jasności całego obrazu, a najbardziej widoczne są różne zmiany odcienia (czyli długości fali dominującej) oraz różne zmiany jasności sąsiednich obszarów. Z tego powodu, aby wydrukować obraz na drukarce, która nie odtwarza takich barw jak monitor, trzeba dokonać tzw. desaturacji obrazu — wszystkie punkty reprezentujące barwy na obrazie będą „przesunięte” w stronę bieli.