8.Практические аспекты применения цвета

Считается, что цветоразличительная способность человеческого зрения была выработана в процессе эволюции как одна из основных защитных систем организма. На современной стадии развития "Теория цвета" из академической проблемы превратилась в технологическую. Цвет необходимо измерить и данные измерения использовать в производстве для регулирования процессов и для получения конечного продукта. Поскольку конечным продуктом является цветное изображение, предназначенное для рассматривания, нормируются условия рассматривания и соответствующие им условия измерения.

8.1.

Приборы для измерения цвета

8.1.1.

Условия рассматривания

Цветные образцы полиграфической и фотографической продукции могут рассматриваться непосредственно глазом или с использованием просмотровых устройств. Они также могут использоваться для технических целей, например печать с негатива на позитив в фотографии. Цветные иллюстрации предназначены для рассматривания невооруженным глазом в отраженном свете. Поэтому с точки зрения эффективности измеряемых плотностей необходимо знать соответствующие оптимальные условия рассматривания и измерения.

Наиболее удобно рассматривать отпечатки, когда направление зрения перпендикулярно их поверхности. Если иллюстрация освещается направленным светом, то свет должен падать под углом 45 , чтобы исключить возможные блики. Выпускаются специальные осветительные установки для рассматривания отпечатков в отраженном свете с учетом вышесказанного, а также с нормированием уровня освещенности и цветовой температуры (при работе с глянцевыми изображениями или свежеотпечатанными дополнительно устанавливается поляризационный светофильтр, как при рассматривании, так и при измерении) Для рассматривания образцов, "слайдов", в проходящем свете также используются специальные осветительные установки с освещением рассеянным светом определенного уровня яркости и цветовой температуры. В комплект такой аппаратуры обычно добавляют нейтрально-серые рамки определенной плотности для уменьшения фонового освещения и комплект оптических клиньев для визуального контроля.

8.1.2.

Классификация способов измерения цвета

В предыдущих разделах способы оценки цвета классифицировались в виде систем спецификации и колориметрических систем. А как говорили древние философы, чтобы понять что-то, это что-то надо измерить. Чтобы правильно воспроизвести цвет, его необходимо измерить. Необходимо также контролировать процесс тиражирования данного изображения цвета.

В полиграфии, фотографии и других отраслях науки и техники измерение цвета может осуществляться в зависимости от цели двумя способами: колориметрически и денситометрически.

Денситометрические измерения проводят с использованием денситометров, работающих в проходящем или отраженном свете, а также "оцифровывают" изображение с помощью сканеров.

Колориметрические измерения бывают визуальные, фотоэлектрические, спектральные:

а) первые выполняются с использованием визуального колориметра или атласа цветов;

б) вторые выполняются с использованием спектрально-согласованного или спектрально-несогласованного фотоэлектрического колориметра;

в) спектральные измерения производятся в автоматическом режиме в спектроколориметре или производится расчет по измеренной спектральной кривой образца и таблицам для расчета координат цвета.

Предложенное деление достаточно условно, на самом деле существуют общие принципы измерения и управления цветом, но для конкретных перечисленных способов существуют некие нюансы.

Прежде чем рассматривать конкретные способы измерения, необходимо вспомнить такие термины, как метамерность и изoмерность. На этих двух понятиях основана сама возможность воспроизведения и измерения цвета любым способом. Они обычно относятся к получаемым или сравниваемым цветам, причем цветам зрительно одинаковым, и еще чаще - к излучениям, вызывающим ощущение одинаковых цветов. Часто (и неправильно) понятие "метамерность" относят к окраске предмета и изменению цвета этого предмета в зависимости от цветовой температуры освещения. Напомним, что два цвета метамерны, т.е. одинаковы по цвету, если световые пучки, вызвавшие ощущение одинаковости этих цветов, различны по спектральному составу. Из определения следует, что метамерные цвета необходимо сравнивать визуально или путем измерения на колориметре.

Если цвета по спектральному составу совершенно одинаковы, то их называют изомерными, например цвета оттисков полиграфического тиража, напечатанного одной триадой красок.

Итак: явление метамерности позволяет получать заданный цвет различными способами, поэтому контролировать правильность процесса цветовоспроизведения необходимо колориметрически. Изомерность важна для контроля стабильности технологического процесса цветовоспроизведения и позволяет использовать для этого денситометры.

8.1.3.

Цветные денситометры, особенности измерения цветовых величин

Для измерения оптических плотностей в проходящем или в отраженном свете в полиграфии и фотографии используются денситометры трех видов:

а) денситометры для измерения в проходящем свете;

б) денситометры для измерения в отраженном свете;

в) универсальные денситометры для измерения и в проходящем, и в отраженном свете.

При измерении в проходящем свете измеряемый прозрачный образец помещается между источником света и фотоприемником на измерительный стол и производятся измерения оптической плотности. Используется формула

При измерении в отраженном свете измеряемый непрозрачный образец помещается на белую поверхность, измерения производятся фотометрической головкой, которая освещает образец определенным образом и она же собирает отраженный свет.

В этом случае оптическая плотность определяется по формуле

В универсальных денситометрах есть и измерительный стол для измерения и фотометрическая головка для измерения . Общим является блок обработки данных и индикации.

При измерении на денситометре оптические плотности полей изображений, рассеивающих свет, определяются не только светопоглощением. Величина плотности зависит также от оптико-геометрических и спектральных условий освещения и регистрации света приемником, поэтому эти условия регламентируются стандартами.

В проходящем свете стандартизируется геометрия измерения для двух типов оптических плотностей: диффузной оптической плотности и регулярной оптической плотности.

На рис. 7.1 представлены геометрические условия измерения таких плотностей. Для диффузной оптической плотности угол приема лучей , а угол освещения - 90 . Для регулярной плотности оба угла стремятся к нулю. Обратите внимание, что углы соответствуют полуплоскости. Напомним, что закон Гельмгольца говорит о взаимной обратимости световых лучей при их преломлении и отражении. Поэтому схемы измерения диффузных оптических плотностей взаимно эквивалентны. Возможно светить диффузным (т.е. рассеянным) светом, а собирать регулярный свет, и наоборот.

В "цветных" денситометрах, т.е. денситометрах, предназначенных для измерения зональных оптических плотностей, применяются различные комплекты измерительных светофильтров. Эти комплекты предназначены для измерения различных по типу образцов фотоматериалов и полиграфических отпечатков. В зависимости от комплекта светофильтров и типа красок, образующих данный образец, измеряемые плотности могут иметь различные значения. На оптическую плотность влияют также источник света и спектральная чувствительность приемника денситометра.

В последние 15-20 лет предложен "колориметрический" подход к стандартизации метода измерения. Стандартизируется не спектральная характеристика зональных светофильтров, а так называемые "статусы". По своей сути это относительные спектральные актиничности денситометра за измерительным комплектом светофильтров, или, как их еще называют, "реакции фотоприемника денситометра". Пример таких реакций приведен на рис. 7.2 .

"Статус М" - это комплект светофильтров для измерения цветных, негативных маскированных фото- и кинопленок, "Статус А" - позитивных и обращаемых цветных пленок, иногда используется для установки в денситометры, работающие в отраженном свете.

В колориметрии денситометры используются для получения зональных оптических плотностей - где j - общее обозначение красок с, m, у; i - зона, в которой измерена данная эффективная плотность - r, g, b.

Вычисляется зональная оптическая плотность (она же эффективная) по формуле

где - спектральная чувствительность фотоприемника денситометра; - спектральная характеристика измерительного светофильтра (r, g или b); - спектр источника света денситометра; - спектральный коэффициент отражения измеряемого образца; - пределы интегрирования, граница зон спектра.

Если измерения ведутся в проходящем свете, то в формуле (7.1.1) вместо используется . Расчетов, естественно, никто не ведет, интегрирование осуществляется по аналоговой схеме, при помощи фотоумножителя или фотодиода с последующим интегрированием.

В последнее время чаще используются фотодиоды в связи с их большой линейностью как приемника, в диапазоне порядка четырех логарифмических единиц. Это совершенно необходимо при измерении в проходящем свете.

Измеренная на денситометре оптическая плотность по своей сути является эффективной оптической плотностью и может быть вычислена по соотношению логарифмов актиничностей, например для вычисления эффективной плотности интерференционных светофильтров может быть использована формула

где - эффективная оптическая плотность; - спектральное распределение источника света денситометра с = 3000 К; - спектральная чувствительность фотоприемника денситометра; - суммарный коэффициент пропускания оптических сред денситометра, включая зональные измерительные светофильтры (i - r, g, b и визуальный светофильтры); - коэффициент пропускания измеряемой оптической среды - интерференционного светофильтра; - актиничность денситометра; - актиничность денситометра за измеряемым интерференционным светофильтром.

Помня, что

уравнение (7.1.2) можно написать в виде

Спектральные актиничности источника света денситометра (или, по-другому, "реакции денситометра" или "спектральная чувствительность денситометра") зависят от спектральных характеристик компонентов схемы денситометра: цветовой температуры источника света, спектральной чувствительности фотоприемника, спектральной характеристики оптического тракта денситометра (т.е. всех оптических сред, которые находятся между источником света и фотоприемником), спектральной кривой измерительных светофильтров.

Можно разобрать денситометр и измерить все эти компоненты по отдельности, а затем получить их суммарную спектральную характеристику. Это достаточно сложно и трудоемко. Международной организацией по стандартизации ИСО предложен другой, достаточно простой способ.

На денситометре без измерительных светофильтров измеряется комплект (16) узкозональных интерференционных светофильтров. Затем знак изменяется на обратный. Нормируя полученные значения к 100% в максимуме, строят кривую относительных реакций денситометра, так называемую "бесфильтровую реакцию". Для получения спектральных реакций денситометра, аналогичных изображенным на рис. 7.2 , функцию бесфильтровой реакции денситометра умножают на функции спектральных кривых измерительных светофильтров.

В денситометрии при измерении плотностей в отраженном свете обычно освещают изображение под углом 45 в двух взаимно перпендикулярных направлениях или при помощи кольцевого осветителя. Это делается для того, чтобы исключить влияние направления отлива бумаги на результат измерения.

На рис. 7.3 показана схема геометрии измерения: освещение-рассматривание - В некоторых стандартах и литературе эти условия записываются как Кроме осей на рисунке нанесены те, практически небольшие, телесные углы, которые имеют осветительная и измерительная апертуры. Эти углы не должны превышать 20 .

Для измерения цветных плотностей в отраженном свете также используются различные комплекты триад светофильтров: "статус А", "статус Е", "статус D" и "статус Т". Условия использования этих светофильтров оговариваются в соответствующих стандартах.

8.1.4.

Общая схема условий освещения и наблюдения в колориметрии

Во всех колориметрических приборах, как и в денситометрах, соблюдаются определенные структуры световых пучков: падающего на образец и отраженного от него (так называемая геометрия измерения). CIE устанавливает четыре нормы, схематично представленные на рис. 7.4 . Для краткости их зашифровывают дробью: в числителе - условия освещения, в знаменателе - условия наблюдения.

45 /0 - ось освещающего пучка составляет угол 45±5° с нормалью к поверхности образца. Угол между направлением наблюдения и нормалью не должен превышать 10 , а угол раскрытия освещающего и наблюдаемого пучков - не более 5 .

0/45 - условия освещения, сформулированные выше, становятся условиями наблюдения, а условия наблюдения - условиями освещения.

Дифф/0 - для освещения используют интегральную сферу - внутреннюю поверхность шара, покрытую окисью магния или сульфатом бария и поэтому рассеивающую свет близко к идеальному. Угол между нормалью к измеряемому образцу и осью пучка не должен превышать 10 . Угол раскрытия наблюдаемого пучка не более 5 . Экран, показанный на рисунке, препятствует попаданию на образец или стенку шара прямого отраженного света.

0/дифф - условия освещения, сформулированные выше, становятся условиями наблюдения, а условия наблюдения - условиями освещения.

Эти условия должны выполняться при колориметрических или визуальных измерениях цвета. При спектрофотометрических измерениях в этих условиях должны измеряться спектральные коэффициенты пропускания, отражения или соответствующие оптические плотности.

Измерение цвета в системах CIE имеет особенности. Обычно измерения проводятся в явном или скрытом виде в системе CIEXYZ, а затем пересчитываются по соответствующим формулам в требуемую систему CLE или аппаратно-зависимую RGB. Под термином "аппаратно-зависимая" понимается система основных RGВ, используемых в конкретном устройстве. Возможен и обратный порядок действия: измерения в RGB, пересчет в CIEXYZ, а затем - в требуемую систему CIE. В этом случае изготовитель устройства разрабатывает математический аппарат по такому пересчету для всех цветностей и светлот. Одна из схем измерения приведена на рис. 7.5 .

8.1.5.

Спектрофотометры, спектроколориметры, колориметры

Спектрофотометры измеряют спектральные коэффициенты пропускания, отражения, спектральные оптические плотности отражения или пропускания. Эти спектральные величины затем могут быть использованы для расчета координат цвета (см. разд. 7).

Измерения могут быть ручные, для каждой длины волны, с автоматической, последовательной разверткой спектра или одновременные. Величины измерений могут считываться визуально, в виде графика или запоминаться микропроцессором в цифровом виде.

Принципиальная блок-схема регистрирующего спектрофотометра приведена на рис. 7.6 .

Основной блок спектрофотометра - монохроматор - устройство, разлагающее белый свет в спектр. В основе разложения в спектр лежат три явления: преломление, дифракция, интерференция.

Преломление света внутри оптической среды зависит от длины волны (дисперсия света), используется для получения спектра с помощью призм. Дисперсия призменного спектра не линейна, т.е. в разных частях спектра на единицу длины приходится различный интервал длин волн.

Получение спектра связано с преломлением света на тонких пленках с последующей интерференцией, т.е. ослаблением или усилением потока, основанном на волновой теории света. Монохроматоры строят либо на базе набора монохроматических светофильтров, которые необходимо поочередно вводить в световой поток, либо на базе интерференционного клина, сразу разлагающего поток на спектр. Таким способом можно получить достаточно высокую линейную дисперсию.

Дифракция света - совокупность явлений, обусловленных волновой природой света, наблюдается при его распространении в оптически неоднородных средах. Такие среды, создают искусственно, нанося тонкие непрозрачные штрихи или бороздки с призменным профилем. Дифракция происходит по причине огибания светом препятствия. Такой удлиненный путь создает наложение волн света с последующей интерференцией. В оптике используют множество видов решеток. Для современных компактных колориметров используют голографические решетки с большим количеством линий на 1 мм. Дифракционный спектр в рабочей части практически линеен. Нелинейность возникает в нерабочей части, на концах спектра.

Спектроколориметры имеют то же строение, что и спектрофотометры, но в них добавлен блок обработки результатов измерения (процессор). В памяти процессора могут содержаться данные о нескольких источниках света, расчеты могут также выполняться для различных наблюдателей CIE 1931 г. и CIE 1964 г. и т.д.

Применение очень малых, но изготовленных с большой точностью и с высокой линейной дисперсией дифракционных решеток на базе лазерной голографии, использование фотодиодных линеек позволили создать компактные спектроколориметры, не содержащие движущихся частей. Такие приборы позволяют за доли секунды производить расчеты цветовых координат с шагом по спектру от 1 до 20 нм.

В полиграфии применяют спектроколориметры компактные или соединенные с персональным компьютером.

Колориметры бывают двух видов: визуальные и фотоэлектрические (иногда их компактную модификацию называют колориметры-денситометры, особенно если встроена функция денситометрических измерений).

Визуальные колориметры рассматривались в разделе колориметрических систем, в основном используются для физиологических измерений в колориметрии.

Фотоэлектрические колориметры бывают двух типов: спектрально несогласованные и спектрально согласованные.

Спектрально несогласованные колориметры измеряют координаты цвета непосредственно по количествам основных цветов в смеси. Такая смесь должна иметь цвет, тождественный измеряемому, а не соответствовать по спектральному составу отраженному от образца излучению. Такой подход отличает спектрально несогласованные колориметры от всех остальных спектроколориметрических приборов.

Спектрально согласованные фотоэлектрические колориметры измеряют цвет по спектральному составу излучения, но в отличие от спектрофотометрических измерений оценка спектрального состава излучения происходит интегрально, как в денситометрах. В результате измерений сразу получаются значения координат цвета. Операция согласования заключается в воспроизведении кривых сложения при помощи корригирующих светофильтров или теневых масок. Обычно воспроизводят кривые сложения системы CIEXYZ.

Светофильтры изменяют актиничность излучениия за счет его избирательного поглощения. Полностью воспроизвести кривые сложения трудно, особенно это касается двугорбой кривой х, поэтому используют не три, а четыре светофильтра. Измерения за светофильтрами требуют перемещающихся деталей или четырех приемников излучения и соответствующей оптической системы для ускорения процесса измерения.

Применение "теневой маски" возможно только в случае разложения света в спектр. Маска физически ограничивает интенсивности пропускаемых ею монохроматических излучений в соответствии с высотами выреза, т.е. изменяет соотношение лучей в спектре за счет физического перекрытия части лучей из общего потока. Это должно происходить до интегрирующего устройства, например интегрирующего шара.

Измерение при помощи спектрально согласованного колориметра производят сразу в трех каналах либо, в одном, но с заменой светофильтров. В колориметре с тремя (четырьмя) каналами возможна схема измерения без перемещения деталей. В колориметре с одним каналом необходим поворачивающийся диск с набором светофильтров. Это замедляет процесс измерения.

8.2.

Стадии процесса цветовоспроизведения. Их сущность

Получение цветной репродукции, которая бы точно передавала все цвета и яркости оригинала, является чрезвычайно трудной задачей. В большинстве случаев она является технически непреодолимой. Однако современные способы воспроизведения цветных объектов (фотография, полиграфия и т.д.) такую задачу и не ставят. Главная цель при создании цветной репродукции - чтобы она воспринималась человеком так же, как и оригинал (т.е. должна соблюдаться физиологическая и психологическая точность).

Согласно трехкомпонентной теории зрения, деталь любого цветного объекта можно выразить мощностью основных (красного, зеленого и синего). Это позволяет свести задачу получения цветной репродукции к получению соотношения мощностей красного, зеленого и синего потоков, отраженных от каждой точки цветной репродукции, такого же, как от соответствующих точек оригинала. Чем ближе это соответствие, тем больше репродукция соответствует оригиналу.

В основу технических способов воспроизведения цветного изображения положены три стадии:

- цветоделение (аналитическая стадия);

- градационная стадия;

- цветовой синтез.

Такое разделение можно считать классическим. В настоящее время очень часто аналитическая и градационная стадии практически становятся неразделимыми (например, в цифровой печати).

Трехстадийность характерна не только для воспроизведения цвета, но и для его восприятия. Рассмотрим сущность этих стадий.

Аналитическая стадия. Световой поток от рассматриваемого объекта попадает в глаз и создает на сетчатке оптическое изображение. Так как в сетчатке имеется три вида колбочек с различной спектральной чувствительностью, в каждой точке изображения происходит разделение светового пучка. Такой процесс называется цветоделительным и составляет аналитическую стадию.

При воспроизведении цвета аналитическая стадия включает в себя технологические операции, которые сводятся к регистрации распределения мощности излучений зональных световых потоков (красных, зеленых и синих) по площади оригинала. Например, в цветной фотографии на многослойных материалах процесс цветоделения заключается в том, что многоцветное изображение оригинала оптически разделяется тремя слоями, имеющими различную спектральную чувствительность, натри цветоделенных изображения - синее, зеленое и красное. Аналитическая стадия в этом случае зависит от спектральной чувствительности слоев пленки.

В полиграфии, в классическом виде, аналитическая стадия состоит в выделении составляющих всех цветов, отраженных от оригинала в виде зональных световых потоков. Выделенные составляющие образуют соответственно красное, зеленое и синее цветоделенные оптические изображения, которые затем регистрируются, например, на фотографическом материале.

Градационная стадия. В процессе восприятия цветного объекта степень возбуждения колбочек (и палочек) различна. Она зависит от яркости (светлоты) деталей наблюдаемого объекта. Регистрация цветоощущающими рецепторами этого различия и составляет градационную стадию.

При воспроизведении цветных объектов градационная стадия заключается в образовании однокрасочных, так называемых частичных изображений. Причем частичные изображения должны иметь цвет, дополнительный к выделяемой составляющей на аналитической стадии. Пути образования таких изображений зависят от техники воспроизведения.

В цветной фотографии эта стадия заключается в преобразовании скрытых фотографических изображений в однокрасочные - желтое, пурпурное и голубое. Этот процесс осуществляется в результате химико-фотографической обработки цветного фотоматериала. Градационная стадия процесса здесь зависит от градационных и фотографических свойств фотоматериала, а также от режимов экспонирования и химико-фотографической обработки.

В классической полиграфии эта стадия включает в себя все преобразования, от получения негативов (диапозитивов) до изготовления печатных форм для каждой выделяемой краски. Сюда входят процессы, связанные с преобразованием негативов в позитивные изображения, растрирование, копирование и т.д.

Независимо от техники цветовоспроизведения все частичные изображения, получаемые на градационной стадии, должны быть согласованы. Это в первую очередь относится к контрастности. При несоблюдении одинаковой контрастности частичных изображений на полученной репродукции возможно получение искажений. В этом случае света и тени изображений могут иметь различные оттенки цветов, например света - синеватые, а тени - красноватые.

О согласовании частичных изображений судят по балансу цветов. Его оценивают по характеру воспроизведения серой шкалы, воспроизводимой вместе с оригиналом. Полученная наложением всех трех красок (красителей) субтрактивного синтеза она должна остаться серой на полученном изображении. В этом случае считается, что баланс достигнут.

Синтез цвета. Синтез цвета - это основная часть процесса цветовосприятия и цветовоспроизведения.

При восприятии цвета, в зависимости от степени возбуждения цветоощущающих рецепторов, в мозгу человека возникает ощущение синего, зеленого и красного цветов различной интенсивности. При сложении эти ощущения суммарно дают ощущение нового цвета. Именно эти ощущения ассоциируются в мозгу человека с цветом рассматриваемого объекта.

В полиграфии на этой стадии с трех (четырех) отдельных печатных форм, предназначенных для желтой, пурпурной и голубой красок, при наложении получают совмещенное цветное изображение - репродукцию.

8.3.

Основные принципы дубликационной теории

В предыдущем разделе были рассмотрены общие принципы воспроизведения цветного оригинала (основные стадии процесса цветовоспроизведения). На каждой из рассмотренных стадий возможно возникновение причин, приводящих к искажению результатов цветовоспроизведения. Кроме того, трудности, возникающие в процессе воспроизведения цвета, связаны также со свойствами красок (красителей), их диффузией, растрированием в полиграфии и т.д.

Учитывать все эти факторы довольно сложно, хотя в настоящее время в этой области и достигнуты определенные успехи. Тем не менее в 30-х годах ХХ века Н.Д. Нюбергом был предложен метод, позволяющий упростить ряд задач в этой области. Meтод основан на положении, что метамерные цвета при использовании источника с непрерывным спектром излучения и зональных цветоделительных светофильтров при фотографировании дают одинаковые оптические плотности. Поэтому цветовоспроизведение таких объектов дает близкие результаты. Другими словами, характер воспроизведения цвета несамосветящихся объектов не зависит от его природы, и чернильное красное пятно, и красная шляпка гриба или красная грудка снегиря, имеющие одинаковые цветовые координаты, будут воспроизводиться одинаково, т.е. все эти метамерные цвета не только не различимы зрительно, но и должны воспроизводиться одинаково.

Отсюда следует важный вывод, что красочные слои, наложенные друг на друга в определенных количествах, будут воспроизводиться так же, как и объект того же цвета в тех же технологических условиях и теми же материалами. Это позволяет изучать процесс цветовоспроизведения не на множестве различных объектов, а на одном, представляющем собой красочные наложения, взятые в различных количествах и содержащие все цвета, входящие в цветовой охват данной триады красок. Объект воспроизведения, представляющий собой систему наложения красок и заменяющий произвольный при контроле процесса, называется оригиналом-дубликатом. Наиболее распространенными оригиналами-дубликатами являются система красочных клиньев и шкала охвата. С их помощью можно контролировать процесс цветовоспроизведения на всем пути воспроизведения цветного оригинала и вносить, в случае необходимости, необходимые коррективы. Подробнее эти вопросы рассматриваются в других курсах.