CIE 1931 색 공간

CIE 1931 색 공간은 전자기 가시 스펙트럼의 파장 분포와 인간의 색각에있어 생리적으로 인식되는 색 사이의 첫 번째 정의 된 양적 연결이었습니다. 이러한 색상 공간을 정의하는 수학적 관계는 색상 관리, 색상 잉크, 조명 디스플레이 및 디지털 카메라와 같은 기록 장치를 다룰 때 중요한 색상 관리를위한 필수 도구입니다.

CIE 1931 RGB 색 공간과 CIE 1931 XYZ 색 공간은 1931 년 국제 조명위원회 (CIE)에서 창안되었습니다. 1920 년대 후반 William David Wright와 John Guild가 일련의 실험을 통해 얻은 결과입니다. 실험 결과는 CIE XYZ 색 공간이 파생 된 CIE RGB 색 공간의 사양으로 결합되었습니다.
CIE 1931 색 공간은 1976 CIELUV 색 공간과 마찬가지로 여전히 널리 사용되고 있습니다.

삼자 극치
인간의 시력이 정상인 시력은 빛을 감지하는 세 종류의 원뿔 세포를 가지고 있는데, 짧은 ( “S”, 420 nm – 440 nm), 중간 ( “M”, 530 nm – 540 nm) ( “L”, 560 nm – 580 nm) 파장을 갖는다. 이러한 원뿔 세포는 중간 밝기 및 높은 밝기의 조건에서 사람의 색상 인식의 밑바탕이됩니다. 매우 희미한 색의 시력이 감소하고 저휘도, 단색의 “야간 투시경”수용체 인 “막대 세포”가 효과적입니다. 따라서 3 종류의 원추 세포의 자극 수준에 해당하는 세 가지 매개 변수는 원칙적으로 인간의 색감을 나타냅니다. 3 종류의 원뿔 세포의 개별적인 분광 감도에 의해 총 광 파워 스펙트럼을 가중함으로써 3 가지 유효 값의 자극을 얻는다. 이 3 가지 값은 광 스펙트럼의 객관적인 색의 3 자극 스펙을 구성합니다. “S”, “M”및 “L”로 표시된 세 매개 변수는 인간의 색각을 정량화하기 위해 고안된 많은 색 공간 중 하나 인 “LMS 색 공간”이라는 3 차원 공간을 사용하여 표시됩니다.

색 공간은 인간의 눈에 등록 된 색감의 객관적인 설명에 혼합 된 빛, 안료 등의 물리적으로 생성 된 색의 범위를 일반적으로 삼자 극치 값으로 매핑하지만 일반적으로 스펙트럼으로 정의 된 LMS 색 공간에서는 그렇지 않습니다 원추 세포의 민감도. 색 공간과 관련된 삼자 극치는 삼색, 부가 색상 모델에서 삼원색의 양으로 개념화 할 수 있습니다. LMS 및 XYZ 공간을 포함한 일부 색상 공간에서 사용되는 기본 색상은 어떤 광 스펙트럼에서도 생성 될 수 없다는 점에서 실제 색상이 아닙니다.

CIE XYZ 색상 공간은 평균 시력을 가진 사람이 볼 수있는 모든 색상 감각을 포함합니다. 이것이 CIE XYZ (Tristimulus 값)가 색상의 장치 불변 표현 인 이유입니다. 다른 많은 색상 공간이 정의되어있는 표준 참조로 사용됩니다. LMS 색상 공간의 스펙트럼 감도 곡선과 같은 색상 매칭 기능 세트는 음수가 아닌 민감도에만 국한되지 않고 물리적으로 생성 된 광 스펙트럼을 특정 삼자 극치와 연관시킵니다.

다양한 파장의 다른 혼합물로 구성된 두 개의 광원을 고려하십시오. 이러한 광원은 동일한 색상으로 보일 수 있습니다. 이 효과는 “메타 메리즘”이라고 부른다. 이러한 광원은 광원의 스펙트럼 파워 분포에 관계없이 동일한 삼자 극값을 생성 할 때 관찰자에게 동일한 뚜렷한 색을 갖는다.

대부분의 파장은 세 종류의 스펙트럼 감도 곡선이 겹치기 때문에 두 종류 또는 세 종류의 원뿔 세포를 자극합니다. 따라서 특정 삼자 극치 값은 물리적으로 불가능합니다. 예를 들어 M 성분의 경우 0이 아니고 L 및 S 구성 요소의 경우 0입니다. 또한, 순수 스펙트럼 색상에 대한 LMS 삼자 극치는 임의의 정상적인 삼색 첨가물 색상 공간, 예를 들어 RGB 색상 공간에서 색도가 원색에 의해 정의 된 색 삼각형의 바깥에 있기 때문에 세 원색 중 적어도 하나에 대해 음의 값을 암시합니다 . 이러한 음의 RGB 값을 피하고 인식 된 밝기를 설명하는 하나의 구성 요소를 갖기 위해 “가상의”기본 색상과 해당 색상 일치 기능이 공식화되었습니다. CIE 1931 색 공간은 “X”, “Y”및 “Z”로 표시되는 결과 삼자 극 값을 정의합니다. XYZ 공간에서 음이 아닌 좌표의 모든 조합은 의미가 있지만 기본 위치 [1, 0, 0], [0, 1, 0] 및 [0, 0, 1]과 같은 대부분은 허수 가능한 LMS 좌표 공간 밖의 색; 상상의 색은 어떤 파장의 분광 분포에도 해당하지 않으므로 물리적 인 현실이 없습니다.

X, Y 및 Z의 의미
밝은 조명 상황에서 서로 다른 색의 상대적 휘도 (밝기)를 판단 할 때 사람은 스펙트럼의 녹색 부분의 빛을 동등한 빨간색 또는 파란색 빛보다 밝게 인식하는 경향이 있습니다. 서로 다른 파장의 지각 된 밝기를 나타내는 광도 함수는 M 원뿔의 스펙트럼 감도와 대략 유사합니다.

CIE 모델은 Y를 휘도로 정의함으로써이 사실을 이용합니다. Z는 청색 자극 또는 S 원뿔 응답과 준 – 동일하고, X는 음이 아닌 것으로 선택된 원뿔 응답 곡선의 혼합 (선형 조합)입니다. 따라서 XYZ 삼자 극치는 인간 눈의 LMS 콘 응답과 유사하지만 다른 점입니다. 휘도를 Y로 정의하면 주어진 Y 값에 대해 XZ 평면에 해당 휘도에서 가능한 모든 색도가 포함된다는 유용한 결과가 있습니다.

삼자 극치 X, Y 및 Z의 단위는 종종 Y = 1 또는 Y = 100이 컬러 디스플레이가 지원하는 가장 밝은 백색이되도록 임의로 선택됩니다. X 및 Z에 해당하는 흰색 점 값은 표준 광원을 사용하여 추론 할 수 있습니다.

CIE 표준 옵저버
눈의 원뿔 분포 때문에, 삼자 극값은 관찰자의 시야에 따라 달라집니다. 이 변수를 없애기 위해 CIE는 표준 (비색계) 관측기라고하는 색 매핑 기능을 정의하여 중심부 안의 2 ° 호 내에서 평균 인간의 색채 응답을 나타냅니다. 이 각도는 색상에 민감한 콘이 중심부의 2 ° 호 안에 존재한다는 믿음 때문에 선택되었습니다. 따라서 CIE 1931 Standard Observer 기능은 CIE 1931 2 ° Standard Observer라고도 알려져 있습니다. 보다 현대적이지만 덜 사용되는 대안으로는 Stiles and Burch와 Speranskaya의 작업에서 파생 된 CIE 1964 10 ° Standard Observer가 있습니다.

10 ° 실험에서 관측자는 중심 2 ° 지점을 무시하도록 지시 받았다. 약 4 ° 이상의 시야를 다루는 경우 1964 보충 표준 관찰자 기능이 권장됩니다. 두 표준 관찰자 기능은 380 nm에서 780 nm 사이의 5 nm 파장 간격으로 이산화되어 CIE로 분배됩니다. 모든 해당 값은 보간법을 사용하여 실험적으로 얻은 데이터로부터 계산되었습니다. 표준 관찰자는 세 가지 색상 일치 기능이 특징입니다.

색상 매칭 실험에서 CIE 표준 관찰자의 유도는 CIE RGB 공간에 대한 설명 후에 아래에 나와 있습니다.
색상 일치 기능
CIE의 컬러 매칭 기능  ,  과  관찰자의 색채 응답에 대한 숫자 설명입니다 (위에서 설명). 그들은 CIE 삼자 극치 X, Y 및 Z를 산출하는 3 개의 선형 광 검출기의 스펙트럼 감도 곡선으로 생각할 수 있습니다.이 세 가지 기능은 CIE 표준 관찰자로 알려져 있습니다.

CIE RGB 공간이나 다른 RGB 색상 공간과 같은 다른 관찰자는 다른 세 가지 색상 일치 기능 세트로 정의되며 다른 공간에서는 삼자 극치 값을 사용합니다.

스펙트럼 데이터에서 XYZ 계산

Emissive 케이스
분광 광도가 L e, Ω, λ 인 색상의 삼자 극치는 표준 관측기로 다음과 같이 표시됩니다.



어디에  (nm 단위로 측정 한) 등가 단색광의 파장이고, 적분의 표준 한계는 [380,780]에서 L e, Ω, λ입니다.
X, Y 및 Z의 값은 방사 스펙트럼 L e, Ω, λ 가 한정되어있는 경우 한정됩니다.

반사 및 투과형 경우
반사 및 투과형의 경우는 방사형 인 경우와 매우 유사하지만 몇 가지 차이점이 있습니다. 분광 복사 휘도 L e, Ω, λ 는 측정 대상의 분광 반사율 (또는 투과율) S (λ)에 광원 I (λ)의 분광 분포로 곱합니다.



어디에

K는 배율 인수 (일반적으로 1 또는 100)이며  (나노 미터 단위로 측정 된) 등가 단색광의 파장이며, 적분의 표준 한계는  ..

CIE xy 색도 다이어그램과 CIE xyY 색 공간
인간의 눈에는 다양한 파장 범위에 반응하는 세 가지 유형의 컬러 센서가 있기 때문에 모든 보이는 색상의 전체 플롯은 3 차원 그림입니다. 그러나 색상의 개념은 밝기와 색도의 두 부분으로 나눌 수 있습니다. 예를 들어 색상 흰색은 밝은 색상이지만 색상 회색은 동일한 흰색의 덜 밝은 버전으로 간주됩니다. 다시 말해, 흰색과 회색의 색도는 밝기가 다른 반면 동일합니다.

CIE XYZ 색상 공간은 의도적으로 설계되어 Y 매개 변수가 색상의 광도를 측정합니다. 색상의 색도는 두 개의 파생 된 매개 변수 x 및 y에 의해 지정되며 세 개의 표준화 된 값 중 두 개는 세 개의 3 자극 값 X, Y 및 Z의 함수입니다.



x, y 및 Y로 지정된 파생 색 공간은 CIE xyY 색 공간으로 알려져 있으며 실제로 색을 지정하는 데 널리 사용됩니다.

X와 Z 삼자 극치는 색도 값 x와 y와 Y 삼자 극치로부터 다시 계산 될 수 있습니다 :

오른쪽 그림은 관련된 색도 도표를 보여줍니다. 바깥 쪽 곡선 경계는 파장이 나노 미터 단위로 표시된 스펙트럼 궤적입니다. 색도 다이어그램은 인간의 눈이 주어진 스펙트럼에서 빛을 어떻게 경험할 것인지를 지정하는 도구입니다. 물체를 보면서 관찰되는 색도는 광원에 따라 다르므로 물체의 색 (또는 인쇄 잉크)을 지정할 수 없습니다.
수학적으로 색도 다이어그램의 색은 실제 투영면의 한 영역을 차지합니다.

색도 다이어그램은 CIE XYZ 색 공간의 여러 가지 흥미로운 특성을 보여줍니다.

다이어그램은 일반인이 볼 수있는 모든 색도를 나타냅니다. 이들은 색상으로 표시되며이 영역을 인간 시각의 영역으로 부릅니다. CIE 플롯에서 볼 수있는 모든 색도의 범위는 색으로 표시된 혀 모양 또는 말굽 모양의 그림입니다. 영역의 곡선 가장자리는 스펙트럼 궤적이라고하며 단색광 (각 점은 단일 파장의 순수한 색조를 나타냄)에 해당하며 파장은 나노 미터로 표시됩니다. 영역의 하단에있는 직선 모서리를 purples의 선이라고합니다. 이 색상들은 비록 색역 경계에 있지만 단색의 빛에는 대응할 수 없습니다. 덜 포화 된 색이 그림의 내부에 흰색으로 가운데에 나타납니다.

모든 가시 색도는 x, y 및 z의 음이 아닌 값 (따라서 X, Y 및 Z의 음이 아닌 값)에 해당합니다.

색도 다이어그램에서 두 가지 색 점을 선택하면이 두 색을 혼합하여 두 점 사이의 직선에있는 모든 색을 형성 할 수 있습니다. 색 영역은 볼록한 모양이어야합니다. 3 개의 소스를 혼합하여 형성 할 수있는 모든 색상은 색도 다이어그램의 소스 포인트에 의해 형성된 삼각형 내부에 있습니다 (여러 소스의 경우 등등).

두 개의 똑같이 밝은 색상의 균등 한 혼합은 일반적으로 그 선분의 중간 점에 있지 않습니다. 보다 일반적인 용어로, CIE xy 색도 다이어그램상의 거리는 두 색 간의 차이 정도와 일치하지 않습니다. 1940 년대 초 David MacAdam은 색상 차이에 대한 시각적 민감성의 성격을 연구하고 그의 결과를 MacAdam 타원 개념으로 요약했습니다. MacAdam의 작업을 기반으로 CIE 1960, CIE 1964 및 CIE 1976 색상 공간이 개발되어 지각 균일 성을 달성했습니다 (색상 공간에서 동일한 거리가 색상의 동일 차이에 해당함). CIE 1931 시스템과 비교하여 뚜렷한 개선 이었지만 왜곡이 전혀 없습니다.

3 가지 실제 정보원을 감안할 때이 정보원은 인간 시각의 영역을 포괄 할 수 없다는 것을 알 수 있습니다. 기하학적으로 말하면, 전체 색 영역을 포함하는 삼각형을 형성하는 색역 내에 세 가지 점이 없다.또는 더 간단하게, 인간 시각의 범위는 삼각형이 아닙니다.

파장 (1nm 간격으로 동등한 파워)의 관점에서 플랫 파워 스펙트럼을 갖는 광은 점 (x, y) = (1/3, 1/3)에 대응한다.

CIE xy 색도 다이어그램으로 지정된 혼합 색상

2 개 이상의 색을 가산 적으로 혼합하는 경우, 결과 색 (xmix, ymix)의 x 및 y 색도 좌표는 혼합 성분 (x1, y1; x2, y2; …; xn, yn)의 색도 및 그들의 대응하는 휘도 (L1, L2, …, Ln)

이 공식은 개별 혼합물 성분의 삼자 극값 X, Y 및 Z가 직접적으로 가산된다는 사실을 이용하여 앞서 제시된 x 및 y 색도 좌표의 정의로부터 도출 될 수있다. 휘도 값 (L1, L2 등) 대신에 삼자 극치 Y에 직접 비례하는 다른 측광 량을 사용할 수도 있습니다 (당연히 Y 자체도 사용할 수 있습니다).

이미 언급했듯이, 두 가지 색상이 혼합 된 경우 결과 색상 xmix, ymix는 CIE xy 색도 다이어그램에서 이러한 색상을 연결하는 직선 세그먼트에 놓입니다. 이 선분에 특정 xmix, ymix를 생성하는 구성 요소 색상 x1, y1 및 x2, y2의 혼합 비율을 계산하려면 수식을 사용할 수 있습니다

여기서 L1은 색상 x1, y1 및 L2의 휘도이며 색상 x2, y2의 휘도입니다. ymix가 xmix에 의해 명확하게 결정되고 그 반대의 경우도 있기 때문에, 그 중 하나만 알고 있으면 혼합 비율을 계산하기에 충분합니다. 또한, 혼합 비율 L1 / L2는 – xmix 및 ymix에 대한 공식에 관한 설명에 따라 – 휘도보다 다른 측광 량으로 표현 될 수있다.

CIE XYZ 색상 공간의 정의

CIE RGB 색 공간
CIE RGB 색상 공간은 특정 단색 (단일 파장) 원색 세트로 구별되는 많은 RGB 색상 공간 중 하나입니다.

1920 년대 W. David Wright와 John Guild는 CIE XYZ 색상 공간의 기본을 마련한 인간의 시력에 관한 일련의 실험을 독립적으로 수행했습니다. Wright는 10 명의 관측자와 3 색 컬러 매칭 실험을 수행했습니다. 길드는 실제로 7 명의 옵서버와 실험을했습니다.
실험은 인간 중심와의 각도 크기 인 직경 2 도의 원형 분할 스크린 (bipartite field)을 사용하여 수행되었다. 필드의 한쪽에는 테스트 색상이, 다른 한쪽에는 관찰자가 조절할 수있는 색상이 투사되었습니다. 조정 가능한 색상은 고정 된 색도를 가지지 만 조정 가능한 밝기를 가진 3 가지 기본 색상이 혼합 된 것입니다.

관찰자는 시험 색상에 일치하는 것이 관찰 될 때까지 3 개의 1 차 광선 각각의 밝기를 변경합니다. 이 기술을 사용하여 모든 테스트 색상을 일치시킬 수있는 것은 아닙니다. 이 경우, 원색의 가변 량이 테스트 컬러에 추가 될 수 있고, 나머지 두 원색과의 매치가 가변 컬러 스폿을 사용하여 수행 될 수있다. 이러한 경우, 시험 색상에 첨가 된 1 차 시험 물의 양은 음의 값으로 간주되었다. 이러한 방식으로, 인간 색상 인식의 전체 범위를 다룰 수 있습니다. 시험 색상이 단색 일 때 시험 색상의 파장의 함수로 사용되는 각 원색의 양을 도표로 만들 수 있습니다. 이 세 가지 기능을 특정 실험에 대한 색상 일치 기능이라고합니다.

Wright와 Guild의 실험은 여러 가지 원색을 사용하여 다양한 강도로 수행되었지만 여러 관찰자를 사용했지만 결과는 모두 표준화 된 CIE RGB 색상 일치 기능으로 요약되었습니다  ,  , 및  700 nm (적색), 546.1 nm (녹색) 및 435.8 nm (청색)의 표준화 된 파장에서 3 개의 단색 원색을 사용하여 얻어진다. 색상 일치 기능은 단색 테스트 기본과 일치시키는 데 필요한 기본 색상의 양입니다. 이 기능은 오른쪽 그림 (CIE 1931)에 나와 있습니다. 유의 사항  과  435.8 nm에서 제로이고,  과  546.1 nm 에서 제로이고  과  이 경우 시험 색이 원색 중 하나이기 때문에 700 nm 에서 0입니다. 파장이 546.1 nm 및 435.8 nm 인 원색은 쉽게 재현 할 수있는 수은 증기 방전의 단색 선이기 때문에 선택되었습니다. 1931 년에 단색광으로 재생하기 어려운 700nm 파장이 선택되었는데, 그 이유는 눈의 색채 인식이이 파장에서 다소 변하지 않았기 때문이며, 따라서이 원색 파장의 작은 오차는 결과에 거의 영향을 미치지 않기 때문입니다.

CIE 특별위원회는 색상 매칭 기능과 예비 표식을 심의 한 후 결정했습니다. 다이어그램의 장파장 및 장파장 측의 컷오프는 다소 임의적으로 선택됩니다. 인간의 눈은 실제로 파장이 약 810 nm 인 빛을 볼 수 있지만 녹색 빛보다 수천 배 더 낮은 감도를 가지고 있습니다. 이러한 색상 일치 기능은 “1931 CIE 표준 관찰자”로 알려진 것을 정의합니다. 각 기본 색의 밝기를 지정하는 대신 커브는 그 아래에 일정한 영역을 갖도록 정규화됩니다. 이 영역은 다음을 지정하여 특정 값으로 고정됩니다.

그런 다음 정규화 된 색상 일치 기능은 원본 휘도에 대해 1 : 4.5907 : 0.0601 및 원본 밝기에 대해 72.0962 : 1.3791 : 1의 r : g : b 비율로 조정되어 실제 색상 일치 기능을 재현합니다. CIE는 원색이 표준화되도록 제안함으로써 객관적인 색 표기법의 국제 시스템을 확립했습니다.
이러한 스케일 된 컬러 매칭 함수가 주어지면, 스펙트럼 파워 분포를 갖는 컬러에 대한 RGB 삼자 극치 다음에 의해 주어질 것입니다 :


이것들은 모두 내적 생성물이며 3 차원 색에 대한 무한 차원 스펙트럼의 투영이라고 생각할 수 있습니다.

그래스 만의 법칙
“라이트와 길드의 결과가 실제로 사용 된 것과 다른 원색과 다른 강도를 사용하여 요약 될 수있는 이유는 무엇입니까?” “시험 색상이 일치하면 단색이 아닌 경우는 어떻습니까?” 이 두 가지 질문에 대한 답은 인간의 색채 인식의 (거의) 선형성에 있습니다. 이 선형성은 Grassmann의 법칙으로 표현됩니다.

CIE RGB 공간은 일반적인 방법으로 색도를 정의하는 데 사용할 수 있습니다. 색도 좌표는 r 및 g입니다. 여기서,