Színrendszerek, színmérés

A színek egyértelmű, objektív meghatározására és leírására 1931-ben alkotta meg az éppen száz éve, 1913-ban megalakult Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (Commission Internationale de L’Éclairage, azaz CIE) az additív színkeverésen alapuló trikromatikus színmérő rendszert.

A CIE nonprofit szervezet, célja a fényhez, világításhoz, színekhez, látáshoz és az ezekhez kapcsolódó tudományos és művészeti vonatkozású információk nemzetközi szintű cseréjének elősegítése, az információk megosztása. Az évek során 200 technikai jelentést és mintegy 15 szabványt adott ki. Több nemzetközi és európai regionális szabványosítási szervezettel (ISO, IEC, CEN) is megállapodást kötöttek, melyek így a fény- és világítástechnika területén kidolgozott CIE szabványokat gyorsított eljárással veszik át.

1931-es határozatában a CIE a nemzetközi színmérő rendszer alapszínértékeiként az alábbi három monokromatikus sugárzást rögzítette: a 700,0 nm-es hullámhosszúságú vöröset (R), az 546,1 nm-es hullámhosszúságú zöldet (G) és a 435,8 nm-es hullámhosszúságú kéket (B) (lásd 2. ábra és 18.A. ábra).

Egyenlő energiájú (W) fényforrásnak azt a fényforrást nevezzük, amelynek spektrális teljesítményeloszlása állandó, vagyis a 380 nm–780 nm közötti hullámhosszak esetében (azaz a látható fény tartományában) egyenlő hullámhossztartományokban a kisugárzott teljesítmény ugyanakkora.

18.A. ábra. A CIE RGB színrendszer. – Az ábrán az R, G, B jelű pontok a választott alapszíneknek felelnek meg, W pedig az egyenlő energiájú fényforrásnak megfelelő pont (fehérpont). A patkóvonal mentén sorakozó számok: az adott színhez tartozó monokromatikus sugárzás hullámhossza, nanométerben kifejezve.

(Ábra forrása: Bernolák Kálmán: A fény. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981, 293. o.)

Kísérletekkel megállapították, hogy a fenti három választott alapszínt (R-t, G-t és B-t) L R :L G :L B =1,0000:4,5907:0,0601 arányban keverve az a fehér szín adódik, amely azonos az egyenlő energiájú fényforrás (W) színével.

Az alapszínek „egységeit” ezek után úgy definiálták, hogy összegükként az 1 lumen erősségű, egyenlő energiájú fehér szín álljon elő. Ilyen megállapodással tehát 1 egységnyi (0,17697 lumen) vörös + 1 egységnyi (0,81240 lumen) zöld + 1 egységnyi (0,01063 lumen) kék keveréke 1 lumen erősségű fehér fény lesz.

Ha az alapszíneket nem a fenti arányban és mennyiségben keverjük, előállíthatóak a különböző színek. A különféle színekhez szükséges keverési arányok kísérletileg meghatározhatóak.

A különböző színekhez így tehát 3–3 együtthatót (ún. színösszetevőt), avagy – mindezeket egy háromdimenziós térben ábrázolva – egy-egy vektort, ún. színvektort rendeltünk. Az általuk kifeszített teret nevezzük színtérnek.

Amennyiben a 3 együtthatót úgy választjuk, hogy összegük 1 legyen [ezt bármely szín (r, g, b) együtthatói esetében megtehetjük az r’=r/(r+g+b), g’=g/(r+g+b), b’=b/(r+g+b) transzformációval, hiszen ekkor r’+g’+b’=(r+g+b)/(r+g+b)=1], az adott szín egységnyi világossághoz tartozó trikromatikus komponenseit határoztuk meg, ezeket színkoordinátáknak nevezzük.

A színkoordináták segítségével a színeket így két dimenzióban is ábrázolhatjuk, hiszen az egyik tengelyre az r’, a másikra a g’ koordinátát felmérve a b’ koordinátát már nem szükséges ábrázolni, hiszen a definícióból következően b’=1–r’–g’.

Bár az ábráról ez nem olvasható le, de ebben a rendszerben a három színkoordináta valamelyike az alapszíneken kívül minden spektrumszín esetében negatívnak adódik, ami azt mutatja, hogy egyetlen másik spektrumszínt sem lehet az alapszínként választott három spektrumszínből kikeverni. Ezenfelül más olyan színek is vannak a spektrumvonal és a bíborvonal által határolt területen, amelyek nem keverhetőek ki a három fent választott alapszínből.

A számítástechnikában célszerűnek tűnik olyan alapszíneket választani a fenti R, G, B alapszínek helyett, amelyek minden valóságos szín esetében kizárólag pozitív koordinátákat adnak.

Az új, X, Y, Z jelű alapszíneket több egyéb szempontot is figyelembe véve választották meg, ezek nem valóságos, hanem képzetes alapszínek.

Adott szín esetén a fenti (r’, g’, b’) színkoordináták egy lineáris transzformációval átszámíthatóak az új (x, y, z) színkoordinátákká. A transzformáció linearitása az egyik feltételből következik, abból, hogy megköveteltük, hogy az egyenlő világosságú színek az új XYZ‑rendszerben is egy egyenesre essenek, amint azt a korábbi RGB‑rendszerben tapasztalhattuk.

18.B. ábra. A CIE XYZ színrendszer. – W az egyenlő energiájú fényforrásnak megfelelő pont (fehérpont), a patkóvonal mentén sorakozó számok jelentése pedig ugyanaz, mint a 18.A. ábrán: az adott színhez tartozó monokromatikus sugárzás hullámhossza, nanométerben kifejezve.

(Ábra forrása: Bernolák Kálmán: A fény. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1981, 297. o.)