Co je barevný prostor CIE?

Barevný prostor CIE je standardizovaný matematický systém pro číselný popis barev a barevných podnětů. Nejznámějším základem je CIE XYZ z roku 1931, ze kterého lze odvodit chromatické souřadnice x a y a známý podkovovitý diagram chromatičnosti CIE 1931.

Ve světelné technice se systémy CIE používají například pro popis barvy světla, teploty chromatičnosti, barevných tolerancí LED a rozdílů mezi jednotlivými barevnými podněty.

Co je barevný prostor CIE?

Barevné prostory CIE jsou matematické systémy, pomocí kterých lze jednoznačně číselně popsat barvu světelného nebo barevného podnětu.

Jejich význam spočívá v tom, že nemusíme barvu popisovat pouze subjektivními slovy jako:

• teplá,
• nazelenalá,
• namodralá,
• žlutobílá,
• nebo sytě červená.

Můžeme ji místo toho vyjádřit pomocí konkrétních číselných souřadnic.

To umožňuje barvy:

• měřit,
• porovnávat,
• specifikovat,
• kontrolovat jejich odchylky,
• a převádět mezi různými kolorimetrickými systémy.

Co znamená zkratka CIE?

CIE je zkratka francouzského názvu Commission Internationale de l'Éclairage, tedy Mezinárodní komise pro osvětlování.

CIE byla založena v roce 1913 a zabývá se vědou a standardizací v oblasti světla, barev, vidění a osvětlování.

Jedním z nejvýznamnějších výsledků její práce je právě kolorimetrický systém CIE 1931, který tvoří základ velké části moderní kolorimetrie.

Co je barevný prostor CIE XYZ?

CIE XYZ je trojrozměrný barevný prostor zavedený v roce 1931. Barvu popisuje pomocí tří tristimulových hodnot:

• X,
• Y,
• Z.

Nejde o skutečné červené, zelené a modré světlo ani o klasický RGB systém obrazovky. X, Y a Z jsou matematicky definované tristimulové hodnoty odvozené z funkcí standardního kolorimetrického pozorovatele CIE.

Hodnota Y je definována tak, aby nesla také informaci související s fotometrickou světelností daného podnětu.

Co je CIE xyY?

Z hodnot X, Y a Z lze vypočítat normalizované chromatické souřadnice x a y.

Třetí souřadnici z lze dopočítat:

Proto pro popis samotné chromatičnosti stačí dvě souřadnice x a y.

Pokud k nim ponecháme také hodnotu Y, vznikne systém CIE xyY:

• x, y – popisují chromatičnost, tedy barevný charakter podnětu,
• Y – nese informaci o jeho světelné úrovni.

Právě dvojice x a y se používá ve známém diagramu chromatičnosti CIE 1931 xy.

Jak číst diagram chromatičnosti CIE 1931 xy?

Diagram CIE 1931 xy má charakteristický podkovovitý tvar a představuje chromatické souřadnice barev, které lze popsat v rámci standardního kolorimetrického systému.

Každé místo v diagramu lze určit pomocí dvojice souřadnic:

x = …     y = …

Dvě světla s prakticky stejnými souřadnicemi x a y proto mohou mít velmi podobný barevný vzhled, i když jejich spektrální složení může být zcela rozdílné.

To je ve světelné technice důležité například u LED. Stejnou chromatičnost lze vytvořit různými kombinacemi vlnových délek.

Co představuje okraj diagramu CIE?

Zakřivený okraj podkovy se označuje jako spektrální lokus.

Jednotlivým bodům na této hranici odpovídají chromatické souřadnice monochromatického záření jednotlivých vlnových délek viditelného spektra.

Najdeme zde například oblasti odpovídající:

• fialové,
• modré,
• zelené,
• žluté,
• oranžové,
• a červené části spektra.

Spodní přímá hrana mezi červenou a fialovou oblastí se nazývá linie purpurů. Tyto barvy nemají jednu samostatnou monochromatickou vlnovou délku a vznikají kombinací různých částí spektra.

Kde se v diagramu nachází bílá barva?

Bílé světlo se nachází přibližně ve střední oblasti diagramu, ale neexistuje pouze jeden bod, který by představoval všechny možné bílé odstíny.

Bílá může být:

• teplejší,
• neutrálnější,
• chladnější,
• lehce nazelenalá,
• nebo lehce narůžovělá.

Právě proto nestačí někdy u světelného zdroje uvést pouze náhradní teplotu chromatičnosti CCT. Dva zdroje označené například 3000 K mohou mít lehce rozdílnou chromatičnost.

Pro přesnější kontrolu barvy LED se proto používají například chromatické souřadnice nebo tolerance barev MacAdam.

Planckův lokus a teplota chromatičnosti

Velmi důležitou křivkou uvnitř diagramu CIE je Planckův lokus neboli Black Body Locus.

Ukazuje, jak se mění chromatičnost záření absolutně černého tělesa s rostoucí teplotou.

Na této křivce můžeme sledovat známé oblasti:

• teplé bílé světlo kolem 2700–3000 K,
• neutrálnější bílou kolem 4000 K,
• a chladnější bílou při vyšších teplotách chromatičnosti.

Pokud chromatický bod LED neleží přímo na Planckově lokusu, používáme náhradní teplotu chromatičnosti CCT, která vyjadřuje nejbližší odpovídající teplotu Planckova zářiče.

MacAdamovy elipsy a tolerance barvy LED

Diagram CIE 1931 sehrál významnou roli také při vzniku MacAdamových elips.

David MacAdam při experimentech zjistil, že naše schopnost rozlišit dva velmi podobné barevné podněty není v celém diagramu stejná.

Oblasti přibližně stejně vnímatelného barevného rozdílu proto nemají v souřadnicích x, y podobu stejně velkých kruhů, ale různě orientovaných a velkých elips.

V LED technice se na tomto principu používá například označení:

• 1 SDCM,
• 2 SDCM,
• 3 SDCM,
• 5 SDCM.

Čím je tolerance menší, tím těsněji jsou jednotlivé LED barevně seskupené.

Více vysvětlujeme v samostatném pojmu Tolerance barev MacAdam.

Co je barevný prostor CIELAB?

CIE XYZ a diagram xy jsou vynikající jako základní kolorimetrické systémy, ale jejich geometrická vzdálenost neodpovídá rovnoměrně tomu, jak velký rozdíl barev skutečně vidíme.

Proto CIE v roce 1976 zavedla mimo jiné barevný prostor CIE L*a*b*, zkráceně CIELAB.

Jeho tři souřadnice jsou:

• L* – přibližný korelát světlosti,
• a* – osa mezi zelenou a červenou oblastí,
• b* – osa mezi modrou a žlutou oblastí.

Právě z CIELAB vychází také známé hodnocení barevného rozdílu ΔE.

Proč CIE 1931 xy není perceptuálně rovnoměrný?

V diagramu CIE 1931 xy neplatí, že stejná geometrická vzdálenost mezi dvěma body vždy znamená stejně velký rozdíl vnímaný lidským okem.

Například posun o určitou hodnotu x nebo y může být v jedné části diagramu téměř nepostřehnutelný, zatímco jinde může být rozdíl velmi zřetelný.

Právě tento problém názorně ukazují MacAdamovy elipsy.

Pro přesnější vyhodnocování rozdílů mezi barvami proto CIE vytvořila další přibližně rovnoměrné systémy, například:

• CIELAB,
• CIELUV,
• a jednotnější diagram chromatičnosti CIE 1976 u′, v′.

CIE sama uvádí, že prostor XYZ ani xyY nejsou vizuálně rovnoměrné a pro hodnocení barevných rozdílů standardizovala rovnoměrnější prostory CIELAB a CIELUV.

K čemu se barevné prostory CIE používají ve světelné technice?

V osvětlovací technice mají systémy CIE řadu praktických využití.

Určení barvy světla

Pomocí chromatických souřadnic lze přesně určit barvu světla konkrétního LED modulu nebo svítidla.

Určení CCT

Poloha světelného zdroje vůči Planckovu lokusu se používá při stanovování náhradní teploty chromatičnosti.

Kontrola barevné konzistence LED

Při výrobě a třídění LED lze sledovat, jak daleko se jednotlivé kusy odchylují od požadované chromatičnosti. K tomu souvisí například MacAdamovy elipsy a SDCM.

Hodnocení barevných rozdílů

Pro porovnávání povrchů, materiálů nebo barev se používají například souřadnice CIELAB a hodnoty ΔE.

Kolorimetrická měření

CIE systémy tvoří základ měření barvy světelných zdrojů, displejů, materiálů a dalších barevných podnětů.

Se systémy CIE se proto setkáme nejen v osvětlování, ale také v:

• fotografii,
• tisku,
• displejové technice,
• automobilovém průmyslu,
• textilním průmyslu,
• a při přesné kontrole barev výrobků.

Proč je CIE diagram důležitý pro LED osvětlení?

U LED nestačí říct pouze „bílá“. Bílé světlo může mít mnoho různých odstínů a i dvě LED se stejným označením 3000 K mohou mít mírně odlišnou chromatičnost.

Diagram CIE nám umožňuje tento rozdíl přesně změřit a zapsat pomocí souřadnic.

Právě proto na něj navazují další důležité pojmy světelné techniky:

• barva světla,
• barevná teplota,
• teplota chromatičnosti,
• náhradní teplota chromatičnosti,
• absolutně černé těleso,
• tolerance barev MacAdam,
• a index podání barev.