Введение к работе
Актуальность темы.
В настоящее время в мировой практике для цветовых расчетов в основном используется рекомендованная МКО цветовая система XYZ. Эта система хорошо описывает условие равенства двух или нескольких цветов. Однако она неравноконтрастна, поэтому с большой погрешностью описывает цветовые отличия. Неравноконтрастность системы XYZ привела к появлению на ее основе многих более равноконтрастных графиков и систем: Д. Джадда, u,v; U',V',W'; L',u',v; L\a',b' и др. Все эти равноконтрастные системы и графики используют формальные нелинейные преобразования координат системы XYZ для трансформации эллипсов Мак-Адама в окружности постоянного радиуса. Предполагалось, что это приведет к лучшему совпадению величины отличия цветов, рассчитанной в этих равноконтрастных системах, с результатами экспериментального определения этого отличия наблюдателями. Недостаточная эффективность этих попыток заставляет искать другие способы построения равноконтрастных систем и оценок цветовых различий.
Одним из очевидных способов решения данной проблемы является использование метода прямых экспериментальных исследований, однако это требует в каждом случае создания экспериментальной установки, обучения наблюдателей, или привлечения обученных наблюдателей, а это в свою очередь требует больших временных, трудовых и экономических затрат. Поэтому разработка методов математического моделирования, в частности, создание равно-контрастных систем, является актуальной задачей.
Один из способов построения достаточно эффективной равноконтрастной системы был разработан в работах А.Б. Матвеева. Созданная им равноконтра-стная система vK,v3,vc, основанная на физиологической системе, обладает наилучшей «равноконтрастностью» среди всех аналогичных систем. Успешность подобного подхода объясняется возможностью учитывать при разработке системы известные из физиологии особенности строения глаза и его сетчатки. Однако развитие этого направления может быть успешным, только если с достаточной точностью известны удельные координаты цвета к(Л),з{А),с(Л) физиологической системы.
Традиционный способ определения координат цветности основных цветов физиологической системы и её удельных координат цвета основан на ис-
пользовании результатов уравнивания цветностей полей сравнения дихроматами, людьми у которых от природы имеется только два из трёх типов рецепторов. Этот подход, предложенный еще в 19 веке Д. Максвеллом, А. Кёнигом и К. Дитеричи, дает правильные результаты только при одном условии: кривые спектральной чувствительности оставшихся у дихромата приемников должны совпадать с аналогичными кривыми спектральной чувствительности трихрома-та, то есть человека с нормальным цветовым зрением. Данное утверждение всегда вызывало большие сомнения и не доказано до настоящего времени.
Устранение указанных недостатков возможно путем создания математической модели порогового цветового зрения (ММЦЗ) наблюдателя. В этом случае можно рассчитать пороговые характеристики наблюдателя (при заданных к(Я),з(Л),с(Л)), а при известных пороговых зависимостях, путем решения обратной задачи, определить к(Л),з(Л),с(Л) наблюдателя, обладающего нормальным цветовым зрением. При этом отпадает необходимость в привлечении дихроматов, у которых к(Л),з(Л),с(Л) могут отличаться от аналогичных зависимостей человека с нормальным цветовым зрением. Подход, основанный на физиологической системе, позволяет уточнить существующие равноконтраст-ные системы, создать новые равноконтрастные системы, а также разработать методы расчета цветовых пороговых характеристик наблюдателя. Построение таких равноконтрастных систем и разработка новых методов расчета пороговых характеристик позволит проводить расчетные оценки качества освещения, приближающиеся к субъективным оценкам людей с нормальным цветовым зрением. Все это определяет актуальность решаемой в диссертационной работе задачи.
Задачи, решаемые в работе:
-
Проведение анализа литературных данных по характеристикам физиологической системы и их взаимосвязи с другими колориметрическими системами.
-
Разработка математической модели порогового цветового зрения.
-
Разработка методики определения удельных координат цвета к(Л),з(Л),с(Л) физиологической системы, методики экспериментальных исследований и программного обеспечения, необходимого для реализации разработанных методик.
-
Исследование влияния погрешностей созданного программного обеспечения и получаемых экспериментальных результатов на погрешность определения удельных координат цвета к(Л),з(Л),с(Л).
-
Получение по разработанной методике удельных координат цвета исследуемого набора наблюдателей и сопоставление их с удельными координатами цвета физиологической системы, полученных линейным преобразованием удельных координат цвета стандартного наблюдателя МКО.
Научная новизна:
-
На базе физиологической системы предложена математическая модель порогового цветового зрения (ММІДЗ), позволяющая решать задачу обнаружения отличий цветов двух объектов.
-
Определены координаты цветности основного цвета К, физиологической системы в колориметрической системе XYZ1931. Доказано, что основной цвет К физиологической системы является реальным цветом, а его координаты цветности расположены на локусе. Получено, что в колориметрической системе XYZ1931 координата у3 основного цвета 3 для людей с нормальным цветовым зрением имеет положительное значение.
-
Получено аналитическое выражение для функции, связывающей реакцию нелинейных приемников ММЦЗ с яркостью, в области яркостей, характерных для дневного зрения.
-
На основе ММЦЗ для области яркостей дневного зрения получено выражение, связывающее пороговую энергетическую яркость монохроматического излучения с удельными координатами цвета к(Л),з(Л),с(Л) физиологической системы.
-
Разработана методика определения удельных координат цвета физиологической системы на основе математической обработки результатов экспериментальных исследований порогов обнаружения монохроматических излучений на белом фоне.
-
Получены координаты цветности основных цветов новой физиологической системы в колориметрической системе XYZ 1931 и рассчитаны на их основе удельные координаты цвета к(Л),з(А),с(А) физиологической системы.
Практическая ценность работы:
-
Экспериментальные зависимости пороговой яркости монохроматического излучения на белом и цветном фонах.
-
Полученные в работе зависимости удельных координат цвета физиологической системы для набора из 5 наблюдателей с нормальным цветовым зрением.
-
Расчетное выражение ММЦЗ для пороговой яркости монохроматического излучения при его обнаружении на произвольных по цветности фонах.
-
Расчетное выражение ММЦЗ для порога по цветовому тону.
-
Программа расчета координат цветности в системе XYZ1931 основных цветов любой колориметрической системы по заданным удельным коор-динятям ІГВР.ТЯ этой системы.
-
Программа решения системы нелинейных уравнений методом «плавающей сетки».
Достоверность результатов определяется следующими признаками:
-
Согласованием результатов, опубликованных ранее другими авторами, с выводами, полученными в работе, в той её части, где эти результаты пересекаются.
-
Всесторонним исследованием погрешностей экспериментальной установки и разработанной методики определения удельных координат цвета к(Я),з(Л),с(Л) и оценкой этой погрешности.
-
Совпадением результатов расчета по ММЦЗ порогов обнаружения монохроматических излучений с результатами экспериментальных исследований при вариации спектрального состава фонового излучения.
-
Совпадением расчетного хода зависимостей порогов по цветовому тону с экспериментальными результатами различных авторов.
-
Использованием в методике определения удельных координат цвета к(А),з(Л),с(А) математической модели порогового зрения, апробированной разными авторами для обнаружения ахроматических объектов в самых различных экспериментальных ситуациях.
Апробация работы.
Основные положения и результаты работы докладывались на научно-технических конференциях «Молодые светотехники России» 2008, 2009, 2010 гг., 16 и 17 международных научно-технических конференциях «Радиоэлектро-
ника, электротехника и энергетика» 2010, 2011 гг. и на семинарах кафедры Светотехники МЭИ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе одна работа в рецензируемом журнале, входящем в перечень ВАК РФ.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти разделов, выводов по работе, списка литературы и приложений. Полный объем диссертации - 156 страниц, в том числе 7 таблиц, 55 рисунков, список литературы из 122 наименований и 37 страниц приложений.
