3.7.1. Светимость

Главной международной организацией, занимающейся проблемами света и цвета, является Международный Комитет по Освещению (Commission Internationale de l’Eclairage, CIE). Эта организация отвечает за развитие стандартов и употребление терминов в этой области. Одним из первых достижении CIE явилось создание в 1931 году хроматических диаграмм (см. [Salomon 99]). Было показано, что для правильного отображения цвета достаточно трех компонент. Выражение некоторого цвета в виде триплета  похоже на обозначение точки в трехмерном пространстве, которое по аналогии называется цветовым пространством. Наиболее известным цветовым пространством является пространство RGB, в котором тремя параметрами являются интенсивности красного, синего и зеленого в данном цвете. При отображении цвета на компьютере значения этих трех компонент выбираются в интервале от 0 до 255 (8 бит).

CIE дает определение цвету, как результат восприятия действия света видимого спектрального диапазона с длиной волны от 400 nm до 700 nm, попадающего на сетчатку глаза (nm, нанометр равен  метра). Физическая мощность (или радиация) выражается в виде распределения мощности спектра (spectral power distribution, SPD), которое обычно состоит из 31 компоненты, причем каждая компонента представляет 10 nm видимой полосы.

CIE определяет яркость как атрибут визуального восприятия светящейся области глазом человека. Однако невозможно оценить количественно восприятие яркости мозгом человека, поэтому CIE определяет более практическую величину, которая называется светимостью. Она равна лучистой мощности, разделенной на функцию спектральной чувствительности, которое характеризует зрение. Световая отдача для стандартного наблюдателя определяется как положительная функция длины волны, которая имеет максимум около 555 nm. Если проинтегрировать функцию распределения мощности спектра, деленную на функцию световой отдачи, то результатом будет светимость по CIE, которая обозначается Y. Светимость является весьма важной характеристикой в области обработки изображений и их сжатия.

Светимость пропорциональна мощности источника света. Она подобна интенсивности, но спектральный состав светимости соотносится с восприятием яркости глазом человека. Основываясь на результатах многочисленных экспериментов, светимость определяется как взвешенная сумма красного, зеленого и синего с весами 77/256, 150/256 и 29/256, соответственно.

Наш глаз очень чувствителен к малым изменениям светимости, поэтому удобно иметь цветовое пространство, в котором число Y является одним из трех компонентов. Простейший способ такого построения это вычесть компоненту Y из красной и синей компонент RGB и использовать новое цветовое пространство Y,  и . Последние две компоненты называются хроматическими (от греческого chroma цвет, краска). Они выражают цвет в терминах присутствия или отсутствия синего (Сb) и красного (Сr) при данном значении светимости.

Различные числовые интервалы используются для выражения чисел  и  в разных приложениях. Пространство YPbPr оптимизировано для компонентов аналогового видео, а пространство YCbCr лучше приспособлено для цифрового и студийного видео, а также для стандартов JPEG, JPEG 2000 и MPEG-1.

Цветовое пространство YCbCr было разработано как часть рекомендации ITU-R ВТ.601 (бывшая CCIR 601) при выработке всемирного стандарта для цифрового видео. Компонента Y имеет пределы от 16 до 235, а Сb и Сr изменяются от 16 до 240, причем 128 соответствует нулевым значениям. Существует также несколько форматов YCbCr для семплирования, такие как 4:4:4, 4:2:2, 4:1:1, и 4:2:0, которые также описаны в этих рекомендациях.

Связь между пространством RGB в интервале 16-235 и пространством YCbCr устанавливается в виде простых линейных соотношений. Это преобразование пространств можно записать в виде (заметьте, что синий цвет имеет малый вес)

,

,

,

а обратное преобразование равно

,

,

Если перейти из пространства YCbCr в пространство RGB, то значения компонентов будут лежать в интервале 16-235 с возможным попаданием в области 0-15 и 236-255.