Tác giả: Glenn Kennel
Thuỳ sưu tầm và biên dịch

Trong quá khứ, các hệ thống hình ảnh màu đã dùng nhiều phương pháp mã hoá màu tam-sắc, thường được gọi là không gian màu (color space). Biểu diễn màu sắc dưới dạng màu cộng của ba màu cơ bản dựa trên các nghiên cứu về các đặc điểm cơ bản của hệ thống thị giác ở người, và có thể truy nguồn đến các đặc tính của các thụ thể nhạy sáng cơ bản trên võng mạc của mắt người.

Các tế bào cảm quang trong mắt người được chia làm hai loại, hình que và hình nón, được đặt tên dựa trên hình dạng vật lý của chúng. Khả năng nhìn thấy màu sắc có nguồn gốc từ đầu ra của các tế bào hình nón ở mức độ chiếu sáng bình thường. Để nhìn thấy thì độ sáng cần phải ở vào khoảng vài cd/m2 hoặc hơn. Có 3 loại thụ thể hình nón: nhạy cảm với các vùng dài, trung bình và ngắn của phổ thị giác của con người, thường được gọi một cách danh nghĩa là loại đỏ, xanh lá và xanh dương. Ba loại nón này được phân bố ngẫu nhiên trên võng mạc, nhưng có ít tế bào nón xanh dương hơn đỏ hoặc xanh lá.

Ở độ sáng thấp (dưới vài phần trăm cd/m2), thị lực của con người phụ thuộc vào các tế bào hình que đơn sắc. Khả năng nhìn của mắt trong điều kiện ánh sáng rất yếu, gần như bóng tối, được gọi là “thị giác thích nghi tối” (scotopic vision, tiếng Việt còn gọi là “dạ thị” hoặc “thị giác ban đêm”). Ánh sáng từ máy chiếu phim sẽ nằm trong khoảng từ 48cd/m2 (màu trắng) đến 0.02 cd/m2 (màu đen), tiệm cận mức thị giác thích nghi tối. Thị giác thích nghi trung gian sáng tối (mesopic vision) là thuật ngữ chỉ phản ứng thị giác ở mức độ ánh sáng trung gian, khi khả năng nhìn của con người đến từ sự kết hợp hoạt động giữa tế bào hình nón và tế bào hình que. Màu đen của phim rạp rõ ràng nằm trong vùng dạ thị. Hình 3.1 cho thấy độ nhạy quang phổ của mắt, so sánh với phản ứng thị giác thích nghi sáng (photopic, tiếng Việt còn gọi là thị giác ban ngày) đối với các nón nhạy cảm với màu đỏ, xanh lá và xanh dương với phản ứng thị giác thích nghi tối của các tế bào hình que.

Một trong những nền tảng quan trọng nhất của khoa học màu sắc là các định luật thực nghiệm của Grassmann mô tả các đặc tính khớp màu của các hỗn hợp màu cộng:

1. Ba biến độc lập là cần thiết và đủ để xác định một màu.

2. Đối với một màu cộng, chỉ có các giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản (tristimulus value) của nó (ba số liệu đại diện cho cường độ của ba màu cơ bản (đỏ, xanh lá cây, xanh dương) cần thiết để tạo ra màu đó) mới là quan trọng chứ không phải thành phần quang phổ của màu đó.

3. Trong một hỗn hợp màu cộng, nếu một hoặc nhiều thành phần của hỗn hợp này được thay đổi dần dần, giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản cũng thay đổi dần dần.

Phim màu âm bản ghi lại hình ảnh thành ba bản: đỏ, xanh lá và xanh dương. Các màu hình ảnh này được ghi lại ở hệ màu trừ bằng thuốc nhuộm màu cyan, magenta và vàng. Khi in phim màu âm bản, thuốc nhuộm âm bản điều chỉnh độ phơi sáng trong ba bản ghi màu đỏ, xanh lá và xanh dương của phim in, tạo ra hình ảnh dương bản được tạo thành từ thuốc nhuộm cyan, magenta và vàng. Cần lưu ý rằng hệ thống phim màu thương mại đầu tiên là quy trình hai-dải (two-strip) của Technicolor, ghi lại hình ảnh trong hai dải (đỏ và xanh lá), nhưng hệ thống này đòi hỏi các phương pháp hết sức cực đoan về chỉ đạo nghệ thuật và phục trang để kiểm soát màu sắc trên phim trường và không thể cho ra hình ảnh với màu sắc trung thực theo như tự nhiên mà không có kênh màu xanh dương.

Tín hiệu truyền hình màu được tạo ra từ các máy quay thu tín hiệu đỏ, xanh lá và xanh dương bằng các ống riêng lẻ hoặc cảm biến CCD từ cảnh gốc. Các tín hiệu đỏ, xanh lá và xanh dương này được tái tạo trên màn hình tivi, với mỗi tín hiệu điều chỉnh biên độ của chất phát quang đỏ, xanh lá và xanh dương tương ứng với nó trên các màn hình ống tia âm cực (cathode ray tube – CRT). Tuy nhiên, để tiết kiệm băng thông cho việc lưu trữ và truyền tải, tín hiệu truyền hình màu được chuyển mã thành kênh độ sáng (luminance – Y) và hai kênh màu (chrominance – u và v). Các kênh này được tạo ra từ các kênh R, G và B đã thu được từ việc áp dụng một ma trận tuyến tính.

Bằng cách chuyển đổi tín hiệu thành các thành phần độ sáng và sắc độ, người ta có thể tận dụng một đặc tính quan trọng của thị giác của con người – mắt nhạy cảm nhất với chi tiết trong thông tin độ sáng. Điều này có nghĩa là băng thông của hai kênh sắc độ có thể được giảm mà không làm ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của ảnh màu. Trong NTSC (được đặt theo tên gọi của Ủy ban Tiêu chuẩn Truyền hình Quốc gia (National Television Standards Committee), đơn vị đã thiết lập mã hoá màu cho phát sóng truyền hình Hoa Kỳ vào năm 1953), băng thông phát sóng của kênh độ sáng là 4.2 MHz, trong khi băng thông của các kênh sắc độ u và v tương ứng là 1,5 và 0,5 MHz.

Việc chuyển màu NTSC từ đỏ, xanh lá và xanh dương sang các giá trị độ sáng và sắc độ, và quá trình dựng lại của nó, nếu được thực hiện theo chiều ngược lại, sẽ không làm thay đổi gamut hay chất lượng của tín hiệu. Vậy có nghĩa là không gian màu được xác định bởi gamut của tín hiệu đỏ, xanh lá và xanh dương gốc. Mặc dù vậy, quy trình giới hạn băng thông trên thực tế có loại bỏ một số chi tiết màu và điều chế vuông góc (quadrature modulation) của hai kênh sắc độ trên một sóng phụ mang thông tin màu sắc, trong khi một cách hết sức thông minh để làm cho việc phát sóng tín hiệu màu tương thích ngược với các tivi trắng đen có sẵn đã dẫn đến việc giải mã lỗi (nhiễu) do các tivi analog có các bộ giải mã không hoàn hảo. Sự ra đời của công nghệ kỹ thuật số vào những năm 1990 cho phép tích hợp bộ lọc kỹ thuật số hình lược vào các tivi dân dụng, là đầu tiên trích xuất và hiển thị đầy đủ chất lượng tín hiệu NTSC trong khi loại bỏ nhiễu tín hiệu một cách hiệu quả. Điều trớ trêu là các tivi này được bán ra thị trường một cách phổ biến ngay vào thời điểm các hệ thống truyền hình NTSC bắt đầu bị thay thế bởi các hệ thống truyền hình cáp kỹ thuật số và truyền hình vệ tinh kỹ thuật số.

Khi xem xét không gian màu cho điện ảnh kỹ thuật số, các hệ thống cũ này đã được xem xét để ứng dụng. Rõ ràng, cách tiếp cận đơn giản nhất và dễ triển khai nhất với công nghệ hiện tại là sử dụng không gian màu truyền hình hoặc mở rộng không gian màu đó để dùng cho điện ảnh. Trên thực tế, các buổi chiếu phim điện tử thử nghiệm với máy chiếu truyền hình đã được tiến hành từ năm 1940.

Vào cuối những năm 1980, Sony và những người ủng hộ HDTV (high definition television – truyền hình độ nét cao) đã thử nghiệm công nghệ trình chiếu điện tử trên màn hình nhỏ (rộng 20 feet ~ 6m). Tuy nhiên, công nghệ chiếu CRT bị hạn chế nghiêm trọng về cả độ sáng lẫn tỉ lệ tương phản và rõ ràng là chưa sẵn sàng để ứng dụng vào điện ảnh. Công nghệ van ánh sáng (light valve) của GE Eidophor với bóng Xenon có khả năng chiếu sáng màn hình lớn nhưng phức tạp và đắt đỏ nên đã bị bỏ qua.

Năm 1997, Texas Instruments (TI) đã giới thiệu một mẫu máy chiếu DLP (digital light processing) sử dụng các thiết bị gương vi mô kỹ thuật số (digital micro-mirror device – DMD) để điều chế một nguồn sáng Xenon với cả độ sáng cao và độ tương phản cao. Những bản demo đầu tiền này đã thu hút sự chú ý của các chuyên gia từ các hãng phim của Hollywood, những người đã nhìn thấy triển vọng của việc công nghệ kỹ thuật số có thể thay thế phim nhựa trong tương lai. So với các bản in phim nhựa, các máy chiếu DLP đời đầu này có độ phân giải kém hơn, độ tương phản và gamut màu cũng kém, và các kỹ sư tại TI đã gửi chúng trở lại phòng thí nghiệm để cải tiến thêm.

Vì công nghệ chiếu DLP đã được phát triển cho các nguồn đồ hoạ và video để ứng dụng trong thuyết trình kinh doanh và sự kiện/sân khấu, nên các lăng kính tách màu (beam-splitting color prism) đã được thiết kế cho không gian màu video. Trong các thử nghiệm ban đầu ở Hollywood, rõ ràng là không gian màu này không đủ lớn để thể hiện được đầy đủ gamut màu của một bộ phim điện ảnh.

Dựa trên các đo đạc và các thử nghiệm mở rộng với các colorist và cinematographer, các kỹ sư tại Texas Instruments sử dụng các bộ lọc cắt tỉa để thu hẹp đáp ứng của các kênh đỏ, xanh lá và xanh dương trên máy chiếu và mở rộng gamut màu của nó về phía màu đỏ và xanh lá để có thể khớp với gamut màu của phim hơn. Máy chiếu DLP sử dụng bóng Xenon như trên máy chiếu phim truyền thống với đầu ra quang phổ ổn định và liên tục, đây là một điều tốt. Tuy nhiên, việc cắt tỉa quang phổ màu của các kênh đỏ và xanh lá đã làm ảnh hưởng đến cường độ ánh sáng đầu ra, vậy nên cần phải có giải pháp để hiệu năng chiếu sáng của hệ thống được tăng lên. Song song với đó là việc phải tăng độ phân giải và độ tương phản của các thiết bị DMD.

Các cải thiện về gamut màu, độ phân giải và độ tương phản đã được giới thiệu cho ngành vào năm 1999 như một phần của thông số kỹ thuật của sản phẩm DLP Cinema. Gamut màu của DLP Cinema được so sánh với Rec 709 (HDTV) và phim nhựa trong hình 3.2. Gamut màu của DLP Cinema được mở rộng đáng kể, vượt xa gamut màu của HDTV (CCIR 709) và gần như tương đồng với gamut màu của phim nhựa, ngoại trừ các màu cyan và magenta đậm. Màu magenta không xuất hiện trong tự nhiên, nhưng các màu cyan đậm có thể có trong bầu trời và nước biển trong một số vùng khí hậu nhất định. Trong hơn 5 năm thử nghiệm, giới hạn này không thực sự là một vấn đề. Cùng với đó, các máy chiếu DLP Cinema có thể thể hiện các màu cơ bản (đỏ, xanh lá và xanh dương) ở độ sáng cao hơn so với phim.

Những khác biệt về hiệu suất này có thể bắt nguồn từ thiết kế cơ bản của hai hệ thống hình ảnh. Phim mạnh hơn ở các màu trừ, vì hình ảnh của nó được hình thành từ các thuốc nhuộm màu cyan, magenta và vàng, vậy nên các màu cyan tối và magenta thường là các màu no nhất. Mặt khác, các máy chiếu kỹ thuật số thì hoạt động trên cơ sở màu cộng và vậy cho nên các màu bão hòa nhất là đỏ, xanh lá và xanh dương.

Cách tiếp cận rõ ràng đối với điện ảnh kỹ thuật số sẽ là áp dụng các màu cơ bản của DLP Cinema và gamut màu tương ứng, vì nó đã được chứng minh qua 5 năm thử nghiệm, bao gồm việc phát hành hơn 150 phim điện ảnh (tính đến thời điểm cuốn sách này được viết ra là năm 2007). Nhưng các hãng phim và cộng đồng sáng tạo muốn nhiều hơn thế. Trước khi chúng ta thảo luận về các lựa chọn đã được cân nhắc, hãy xem xét các yêu cầu được xác định bởi Liên minh Sáng kiến Điện ảnh Kỹ thuật số (Digital Cinema Initiatives  – DCI), một liên minh do các hãng phim lớn của Hollywood thành lập để phát triển một thông số kỹ thuật chung dùng cho điện ảnh kỹ thuật số.

Các yêu cầu cơ bản đối với màu của bản gốc (master) phim kỹ thuật số được chiếu có thể được trích xuất từ Thông số kỹ thuật DCI (DCI Specification), bản 1.0 (trang 3).

Điều này dẫn đến việc xem xét hai tuỳ chọn bổ sung ngoài gamut màu của DLP Cinema. Các lựa chọn bổ sung này gồm có không gian RGB wider-gamut bao gồm tất cả các màu phim và một mã hoá RGB tham số mang các màu cơ bản của máy chiếu tham chiếu dưới dạng metadata.

Theo thuật ngữ khoa học màu sắc tiêu chuẩn, ba tuỳ chọn này đều là trạng thái hình ảnh tham chiếu đến đầu ra. Vì mục tiêu của phân phối phim kỹ thuật số là mã hoá màu của hình ảnh đã hoàn thiện, bao gồm cả các thông tin chỉnh màu như được hiển thị trong phòng master, đây là một lựa chọn hiển nhiên. Mã hoá màu được tham chiếu đến cảnh sẽ phù hợp hơn cho hình ảnh gốc vì nó thể hiện màu sắc của cảnh gốc. Tuy nhiên, việc tái tạo lại màu sắc một cách chân thực hoặc chính xác như trong tự nhiên không phải là mục tiêu chính của việc làm phim; mà là sự mô phỏng trung thực ý định sáng tạo của đạo diễn và DP, và ý định sáng tạo của họ thường bao gồm các thay đổi có chủ đích đối với màu sắc của cảnh gốc để truyền tải câu chuyện và bối cảnh cảm xúc của nó. Mặc dù điều này giống như việc thao túng ngữ nghĩa của câu chữ, nhưng việc tạo ra hình ảnh không chỉ đơn thuần là ghi lại hoặc chụp lại cảnh gốc.

Hình ảnh ở trạng thái tham chiếu đến đầu vào cũng có thể được sử dụng, kết hợp với các đặc tính của phim âm bản gốc hoặc camera kỹ thuật số được dùng để quay/chụp. Mặc dù vậy, trạng thái này cũng loại trừ ý định sáng tạo, vì vậy nó cũng bị cho là không phù hợp cho việc phân phối phim kỹ thuật số.

Hơn nữa, vì hình ảnh điện ảnh được xem trong môi trường tối, nên khả năng thích ứng của mắt rất khác so với việc quan sát cảnh gốc trong môi trường tự nhiên của nó. Nói chung, độ tương phản của hình ảnh phải được tăng lên khoảng 50% để bù cho điều kiện xem khi xung quanh là một môi trường tối. Việc xuất hình cho môi trường xem tối được bao gồm trong trạng thái hình ảnh được tham chiếu đến đầu ra.

Mặc dù dựa trên kinh nghiệm thực tế và các thực nghiệm đã được chứng minh, nhưng các màu cơ bản của DLP Cinema và gamut màu liên quan không phải là giải pháp chấp nhận được vì chúng không cung cấp những cải tiến trong tương lai cho công nghệ hiển thị. Hơn nữa, các màu cơ bản này dựa trên một triển khai cụ thể chứ không phải là một tiêu chuẩn được quốc tế công nhận. Cuối cùng, DLP Cinema không bao gồm đầy đủ gamut màu của phim nhựa và không đáp ứng đầy đủ yêu cầu cơ bản là phải tốt hơn phim 35mm truyền thống.

Khi nhóm làm việc đặc biệt SMPTE DC28, do Hiệp hội Kỹ sư Điện ảnh và Truyền hình (Society of Motion Picture and Television Engineers – SMPTE) thành lập để nghiên cứu về màu sắc, tìm hiểu về các tùy chọn này, đã có nhiều đề xuất về việc tạo ra một gamut màu rộng hơn, một số được thiết kế để sử dụng các nguồn sáng laser có sẵn và một số đẩy gamut màu ra rộng hơn vừa đủ để bao gồm toàn bộ gamut màu của phim nhựa. Tuy nhiên, đã có nhiều cuộc tranh luận diễn ra mà không tìm được một sự đồng thuận đủ mạnh mẽ về việc nên chọn gamut của những màu chính nào.

Một đề xuất thay thế được đưa ra có vẻ như kết hợp những điểm tốt nhất của những giải pháp trên – mã hoá RGB tham số. Về cơ bản, với RGB tham số, các màu cơ bản của máy chiếu tham chiếu được dùng trong quá trình master sẽ được gửi với hình ảnh được mã hoá, và metadata này có thể được dùng bởi máy chiếu phim để xác định liệu rằng màu sắc có nằm trong gamut màu gốc của nó hay không và đưa ra quyết định có nên tìm cách biểu diễn các màu ngoài gamut màu của nó hay không. Cách tiếp cận này cho phép những người đưa ra quyết định sáng tạo có thể chấp nhận sử dụng các máy chiếu với gamut màu rộng hơn khi nó được thương mại hoá và bán rộng rãi trên thị trường, cung cấp khả năng mở rộng cần thiết cũng như phương tiện để trình chiếu các bản phim gốc trên các máy chiếu thế hệ đầu tiên (với khả năng tương thích ngược).

Về mặt bản chất, mã hoá RGB tham số hỗ trợ các màu cơ bản và gamut màu của DLP Cinema – đây chỉ đơn giản là một tập hợp các tham số. Do đó, nó không yêu cầu thay đổi đối với các sản phẩm hiện có hay đối với các cơ sở đã cài đặt máy chiếu thế hệ đầu của DLP Cinema. Tuy nhiên, mã hoá RGB tham số dựa trên metadata và nếu metadata bị mất hoặc bị diễn giải không chính xác thì màu sắc của hình ảnh hiển thị sẽ không rõ ràng và có thể bị hư hỏng nếu không đưa ra những lựa chọn trình bày phù hợp. Vì vậy, cách tiếp cận này không thực sự thiết thực.

Trong một số cuộc thảo luận, người ta đã chỉ ra rằng thay vì tranh luận về việc sử dụng gamut màu mở rộng của các màu chính nào, mọi người có thể chọn bộ gamut màu rộng nhất – dải màu cơ bản CIE 1931. Ba màu cơ bản này là cơ sở của một tiêu chuẩn màu quốc tế đã vượt qua thử thách của thời gian, là cơ sở của tất cả các phép đo màu và được sử dụng rộng rãi để hiệu chuẩn màu (color calibration) trong nhiều ngành công nghiệp. Mã hoá màu XYZ, theo định nghĩa của tiêu chuẩn màu CIE 1931, đáp ứng mọi yêu cầu của DCI. Nó không giới hạn các cải tiến trong tương lai vì nó bao gồm mọi màu trong quang phổ ánh sáng khả kiến, đồng thời tương thích với các sản phẩm hiện nay. Và vì nó không dựa vào metadata – thông số kỹ thuật màu XYZ là hoàn toàn xác định. Một trong những lợi ích tuyệt vời khác là thông số về độ sáng có thể được truy cập trực tiếp trong kênh Y. Hình 3.3 cho thấy các màu cơ bản của DLP Cinema và các màu cơ bản XYZ, so sánh với gamut màu của phim. Vì ba màu cơ bản X, Y, và Z nằm ngoài quang phổ của ánh sáng khả kiến nên chúng không phải là các màu cơ bản thực sự, mà là màu cơ bản ảo.

Sau một số điều tra và trình diễn thực tế, người ta đã xác định rằng mã hoá màu XYZ có thể được triển khai như một phần mở rộng nhỏ cho quy trình master hiện tại và một sự thay đổi nhỏ cho các máy chiếu DLP Cinema hiện có. Đối với các thiết bị hiệu chỉnh màu và quy trình master dựa trên RGB, bước bổ sung duy nhất cần thực hiện là chuyển dữ liệu sang XYZ để tuyến tính hoá tín hiệu RGB, áp dụng ma trận 3×3, sau đó mã hoá gamma kết quả. Đối với các workflow dựa trên dữ liệu, việc này có thể dễ dàng thực hiện được theo quy mô hàng loạt bằng cách sử dụng phần mềm sử dụng các công cụ thương mại sẵn có như Shake. Đối với các phần cứng chỉnh màu được dùng trong các workflow 2K, nhà sản xuất sẽ cần phải thêm một bộ chuyển đổi màu đầu ra, trong hầu hết các trường hợp thì nó chỉ đơn giản là một bản phát hành phần mềm mới.

Lo ngại duy nhất còn lại là liệu sự kém hiệu quả của mã hoá màu XYZ có dẫn đến những mất mát khi thay đổi tỉ lệ/kích thước và lượng tử hoá, gây ra hư hỏng đối với hình ảnh hay ngược lại sẽ yêu cầu quá nhiều bit để triển khai thực tế hay không. Mô hình Barten về hàm độ nhạy tương phản (hàm số thể hiện mối quan hệ giữa độ tương phản của một vật thể và tần số không gian của vật thể đó, mà tại đó mắt người có thể nhận biết được vật thể đó. Nó cho biết khả năng phân biệt các chi tiết của mắt người ở các mức độ tương phản và tần số không gian khác nhau) của hệ thống thị giác của người (Human Visual System – HVS) cho rằng cần nhiều hơn 10 bit, nhưng ít hơn 12 bit, để mã hoá dải tương phản và độ sáng cần thiết cho việc chiếu phim điện ảnh, miễn là tín hiệu được mã hoá gamma để phân phối các bit một cách hiệu quả. Tuy nhiên, mô hình này dựa trên một loạt các thí nghiệm trong các điều kiện xem khác và chưa bao giờ được xác thực trong các điều kiện xem phim ở rạp. Vì hầu hết các thiết bị hiện tại đều có thể xử lý 12 hoặc 16 bit và các dual-link HD-SDI interface hiện có đều hỗ trợ 12 bit màu, nên rào cản trong việc triển khai là nhỏ. Người ta cũng thấy rằng hiệu suất bit không phải là yếu tố quan trọng cần phải xem xét.

Có một số người phản đối mã hoá màu XYZ do nó chưa được ứng dụng nhiều trong điện ảnh và truyền hình. Một số lo ngại rằng nó có thể sẽ không hiệu quả cho nén. Vào thời điểm đó, DCI vẫn chưa quyết định chọn công nghệ nén cho việc phân phối phim kỹ thuật số – JPEG2000 được chỉ định sau này – nhưng nó được coi là một rủi ro nhỏ. Trong vài năm trở lại đây, các thử nghiệm thực tế đã chỉ ra rằng các chuyển đổi màu có thể được thực hiện dễ dàng và minh bạch bởi nhiều bên làm việc độc lập với các tài liệu dự thảo mà SMPTE DC28 cung cấp và 12 bit là đủ (không có hiện tượng nhiễu nào xuất hiện trong quá trình này). Hơn nữa, các thử nghiệm nén thực tế cũng cho thấy các thành phần màu XYZ có thể được nén hiệu quả như RGB. Với việc mã hoá và phát hành một số phim ở định dạng XYZ (tính đến thời điểm tài liệu này được viết), các nỗi lo này đã được xoa dịu.

Sẽ rất hữu ích nếu chúng ta vòng lại một chút và mô tả cơ sở của việc mã hoá màu XYZ, CIE (Commission Internationale de l’Eclairage – Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng) 1931 Standard Colorimetric Observer. CIE 1931 Standard Colorimetric Observer được dựa trên hai thí nghiệm xác định một tiêu chuẩn cho thị lực của người dựa trên sự kết hợp của ba màu cơ bản. Như được thể hiện trong hình 3.4, một người quan sát đã được yêu cầu tạo ra một màu C bằng cách điều chỉnh cường độ của màu đỏ, xanh lá và xanh dương. Những thí nghiệm ban đầu này được thực hiện bởi J. Guild ở Phòng thí nghiệm Vật lý Quốc gia ở Teddington, Anh, sử dụng đèn sợi đốt và bộ lọc màu, và bởi W.D. Wright, ở Cao đẳng Hoàng gia tại Kensington, sử dụng các dải ánh sáng đơn sắc được cô lập bằng một loạt các lăng kính.

Để kết hợp và hiệu chuẩn dữ liệu, mỗi màu được chuyển đổi toán học thành các ánh sáng đơn sắc: đỏ 700nm, xanh lá 546.1 nm và xanh dương 435.8nm. Ánh sáng xanh lá và xanh dương được chọn để trùng với các vạch sáng rất rõ ràng và mạnh nhất được phát ra khi dòng điện chạy qua hơi thủy ngân để tạo điều kiện cho việc hiệu chuẩn. Ánh sáng màu đỏ được chọn từ phần bước sóng dài của quang phổ, nơi mà sự thay đổi diễn ra chậm theo bước sóng để giảm lỗi hiệu chuẩn. Để thuận tiện, lượng ánh sáng màu đỏ, xanh lá và xanh dương tạo ra màu trắng. Lượng của ba ánh sáng này được thể hiện bằng các đơn vị chia tỉ lệ này, được gọi là giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản (tristimulus).

Kết quả của các thí nghiệm này là các Hàm Khớp Màu (Color Matching Functions – CMF) cho CIE 1931 Standard Colorimetric Observer, như trong hình 3.5. Các đường cong này được ký hiệu bởi r(), g() và b(). Mỗi đường cong cho thấy lượng màu tương ứng cần thiết để tạo ra một màu tương ứng cho mỗi bước sóng của quang phổ. Lưu ý rằng đường cong r() có giá trị âm đáng kể trong phần quang phổ từ xanh lá đến xanh dương, trong khi các đường khác cũng cho thấy các giá trị âm nhỏ. Các giá trị âm này không được tạo ra bằng cách thêm màu đỏ “âm” vào, mà bằng cách thêm lượng đỏ này vào màu thử nghiệm trong thí nghiệm để khớp màu. Cũng cần lưu ý rằng ánh sáng ở bước sóng 700nm chỉ khớp với màu đỏ cơ bản, ánh sáng ở bước sóng 546.1nm chỉ khớp với màu xanh lá cơ bản, và ánh sáng ở bước sóng 435.8nm chỉ khớp với màu xanh dương cơ bản. Bằng cách chọn một ánh sáng đơn sắc khác, người ta có thể di chuyển các giao điểm bằng không đến các bước sóng khác, nhưng hàm khớp màu vẫn sẽ có giá trị âm vì các phản ứng của các tế bào hình nón đỏ và xanh dương chồng lên các tế bào nón xanh lá, khiến cho việc kích thích riêng nón màu xanh lá là không thể.

Vì các màu được tạo ra đã được chứng minh là màu cộng, các hàm khớp màu này có thể được sử dụng làm hàm trọng số để xác định lượng R, G và B cần thiết để tạo ra bất kỳ thành phần nào của quang phổ, nếu quang phổ đó có thể được phân tách thành các khoảng bằng nhau của 5 hoặc 10 nm. Các giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản này được xác định bằng công thức sau:

Và độ sáng của màu sắc thu được biểu thị bằng công thức:

Hằng số k được chọn sao cho nếu P là watt trên steradian (sr) trên mét vuông, L được tính bằng candela trên mét vuông (cd/m2).

Giá trị của R, G và B được xác định ở trên cung cấp một hệ thống chỉ định màu chính xác dựa trên các thị nghiệm thị giác của con người có thể được sử dụng để tính toán các giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản từ dữ liệu quang phổ của các ánh sáng màu. Tuy nhiên, CIE muốn tránh các số âm trong các chỉ định màu để việc triển khai trở nên dễ dàng hơn, do đó họ đã chia tỉ lệ đại số của các giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản R, G và B để tạo một bộ các giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản X, Y và Z, bằng cách sử dụng các phương trình sau:

Các hệ số trong các phương trình này được lựa chọn một cách cẩn thận để X, Y và Z luôn dương với mọi màu.

Các hệ số của kênh Y được chọn sao cho chúng có cùng tỉ lệ với độ sáng của các màu R, G và B tương ứng, nghĩa là giá trị Y tỉ lệ thuận với hàm hiệu suất phát sáng quang phổ CIE 1924, V(), thường được gọi là độ sáng. Và vì các hệ số của mỗi phương trình có tổng bằng một, nên kích thích năng lượng bằng nhau được biểu diễn bằng R = G = B và cũng bằng X = Y = Z.

Các hàm khớp màu CIE sau đó được xác định bởi các phương trình sau:

Các hàm khớp màu này tạo thành cơ sở của CIE 1931 Standard Colorimetric Observer và được biểu diễn trong hình 3.6, thường được gọi là 2° observer vì các trường khớp màu đại diện cho một trường nhìn 2°. Như mong đợi, các hàm khớp màu này không có giá trị âm.

Như trước đây, các hàm x(), y(), và z() có thể được dùng như các hàm trọng số để tính toán các giá trị kết hợp giữa ba màu cơ bản X, Y và Z trực tiếp từ dữ liệu công suất quang phổ bằng cách sử dụng các công thức sau:

Nếu P được tính bằng watt trên steradian trên mét vuông và K được đặt thành 683 thì Y là độ sáng tính theo cd/m2.

Mặc dù các hàm khớp màu là cơ bản của các phép đo màu chuẩn, hầu hết các phép đo màu này được báo cáo theo độ sáng (Y) và sắc độ, x và y. Các giá trị màu này thu được từ một phép biến đổi đại số đơn giản từ X, Y và Z.

Và vì x + y + z = 1, giá trị của z được suy ra một cách đơn giản:

Z = 1 – x – y

Sử dụng biểu đồ sắc độ x, y thông thường trong hình 3.7, gamut màu cho máy chiếu phim điện ảnh kỹ thuật số mẫu được thể hiện, so sánh với ITU Rec. 709 (HDTV) và quang phổ của ánh sáng khả kiến. Một được cong biểu thị cho ánh sáng ban ngày cũng được thể hiển với các điểm được xác định cho D55 và D65.

Vì màu sắc có ba chiều, nên việc xem xét thể tích tích của gamut màu sẽ giúp hiểu vấn đề một cách rõ ràng hơn. Hình 3.8 cho thấy sơ đồ không gian màu ba chiều cho không gian màu XYZ, thể hiện quang phổ của ánh sáng khả kiến và máy chiếu kỹ thuật số mẫu dùng RGB.