6.1 Содержание работы

6.1.1. Измерив зональные плотности полей клиньев, описать уравнением цвета образовавшиеся цвета красочных наложений полей.

6.1.2. Определить количество красок, которыми можно воспроизвести заданные цвета.

6.1.3. Выразить синтезированные цвета уравнениями субтрактивного синтеза и субтрактивного синтеза в аддитивной форме.

6.2 Теоретическое обоснование

Аддитивный синтез, рассмотренный в работе 2, применяется в основном при измерении цветов, а субтрактивный – при воспроизведении цветных объектов.

Субтрактивным синтезом называют процесс получения заданного цвета путем смешения окрашенных сред или вычитания основных излучений из белого. Известны различные методы получения окрашенного излучения субтрактивным методом. Один из них состоит в том, что на пути белого излучения ставят избирательно поглощающую среду, например светофильтр, который в той или иной степени поглощает монохроматические составляющие потока, пропуская другие. Например, синий светофильтр пропускает коротко волновую часть спектра, а средне – и длинноволновую (зеленые и красные лучи) поглощает или, по другому, вычитает. Поэтому излучение, выходящее из него имеет синий цвет. Схема получения окрашенного излучения субтрактивным способом показана на рисунке 6.1, а.

Для вычитания составляющих пучка может служить не только пропускающая среда, но и отражающая – любая окрашенная поверхность. Она избирательно поглощает или отражает упавшее на нее излучение. Например, синяя поверхность отражает синее излучение, поглощая все остальные излучения (рисунок 6.1,б).

Идеальный субтрактивный синтез. Для понимания сути процесса удобнее начать с рассмотрения синтеза цвета идеальными красками. Такой синтез осуществляется с помощью трех избирательно поглощающих слоев вещества. Главное требование к ним состоит в том, чтобы каждый из них имел поглощение строго в пределах одной зоны спектра. Чем точнее выполняется это требование, тем больше цветов можно получить в результате синтеза. Оптические среды удовлетворяющие с той или иной степенью приближения указанному требованию, называются красками субтрактивного синтеза [5.

Рисунок 6.1. Схема получения окашенного излучения (все среды взяты рассеивающими): а- вычитающее устройство – синий светофильтр; б – вычитающее устройство – синяя поверхность

Реально существующие краски имеют более широкие области поглощения. К тому же их спектральные кривые плавны, и, поэтому границы между областями пропускания и поглощения не вполне определены, что усложняет субтрактивный синтез. Методически удобно сначала познакомиться с воображаемыми красками, спектральные кривые которых упрощены так, чтобы предъявленное выше требование было удовлетворено. Краски, полностью пропускающие (или отражающие) свет в двух зонах спектра и регулирующие пропускание (отражение) в третьей, называются идеальными. Кроме того, их поглощение в пределах соответствующей зоны спектра равномерно. Это значит, что спектральные кривые их поглощения имеют П-образную форму.

По закону Бугера-Ламберта-Беера монохроматическая оптическая плотность пропорциональна концентрации светопоглощающего вещества

D_λ = æ _λ · c· l. (6.1)

Произведение сl имеет размерность г /см² и называется поверхностной концентрацией (C_п) светопоглощающего вещества.

C_п = c· l . (6.2)

Поэтому формулу 6.1 можно выразить в следующем виде

D_λ = æ _λ C_п . (6.3)

Из формулы 6.3 видно, что оптическая плотность краски пропорциональна ее поверхностной концентрации, и с изменением этой величины кривая поглощения краски меняется. Это относится как к идеальным, так и к реальным краскам. На рисунке 6.2 показаны поглощения идеальных красок при различных поверхностных концентрациях [2]

Следовательно, меняя толщину можно регулировать мощность излучения в зоне, где идеальная краска должна иметь поглощение. Эту часть зоны спектра называют управляемой. Голубая краска регулирует пропускание красных излучений, зеленая – пурпурных и желтая – синих.

Рисунок 6.2. Спектральные кривые идеальных красок, взятых в различных концентрациях: а – желтая краска; б – пурпурная краска; в – голубая краска.

Для большей наглядности на рисунке 6.3 показан оптический клин, образованный идеальной голубой краской.

На его поля направлены зональные составляющие белого излучения-синяя, зеленая и красная. Первое поле клина, имеющее нулевую оптическую плотность, пропускает красное излучение полностью.

Р исунок 6.3. Схемы регулирования Рисунок 6.4. Установка для мощности красного излучения клином субтрактивного синтеза цвета образованным голубой идеальной краско й

Пусть оптическая плотность второго поля клина в красной зоне спектра имеет D^R_C2 = 0,3, а все последующие возрастают на эту величину и составляют соответственно D^R_C3=0,6, D^R_C4 = 0,9. Тогда коэффициенты пропускания этих полей будут τ^R_C1 =1, τ^R_C2 = 0,5, τ^R_C3 = 0.25, τ^R_C4 = 0,125, что соответствует пропусканию в процентах τ^R_C1 =100 %, τ^R_C2 = 50 %, τ^R_C3 = 25 %, τ^R_C4 = 12,5 %. Зная соотношение между оптической плотностью и коэффициентом пропускания D = – lgτ, легко определить плотность голубого клина, обеспечивающую заданное пропускание красного излучения.

Таким образом, клин, выполненный идеальной голубой краской, регулирует красную составляющую излучения.

Принцип субтрактивного синтеза понятен из рисунка 6.4. На нем показана схема последовательного вычитания основных излучений системой оптических клиньев, образованных красками субтрактивного синтеза. Голубой клин регулирует мощность красного излучения, пропуская в идеальном случае другие излучения полностью. Пурпурный управляет зеленым излучением( на рисунке 6.4 пурпурный клин полностью выведен и зеленое излучение полностью попадает на экран), а желтый-синим. В зависимости от поверхностной концентрации красок (а фактически толщины слоя) полей шкалы на экран направляется излучение, образованное тем или иным соотношением основных цветов [6] .

Если зональные плотности равны D^B_Y=0.3 и D^R_C = 0.6, то цвет на экране получается вычитанием из белого 50 % синего и 75 % красного. Таким образом, он образуется смешением основных цветов: 100 % зеленого, 50 % синего и 25 % красного. Цвет в нашем случае близкий к глубокому средней насыщенности.

Для субтрактивного синтеза количественное представление цвета более удобно выражать не мощностями излучений, а поверхностными концентрациями (С_п). На основании этого цвет характеризуют цветовым уравнением субтрактивного синтеза.

Ц = С^с_пС + С^m_пМ + С^y_пY, (6.4)

где С^с_п , С^m_п , С^y_п – поверхностные концентрации красок, С, М, Y – цвета красок (или субтрактивные координаты цвета).

Следует обратить внимание на то, что цветовые координаты в рассматриваемом случае есть зональные коэффициенты пропускания красок. Это остается справедливым и для реального субтрактивного синтеза.

Реальный субтрактивный синтез. Реальные краски поглощают во всех зонах спектра. Поэтому с изменением поверхностной концентрации краски ее поглощение изменяется по всему спектру (на рисунке 6.5 это показано пунктирными линиями только на примере голубой краски).

Рисунок 6.5. Спектральные кривые реальных красок (схема).

Для упрощения понимания субтрактивного синтеза вместо спектральных кривых пользуются гистограммами, которые выражают средние значения оптических плотностей красок, взятых в пределах зоны. Средняя оптическая плотность определяется как обратный логарифм коэффициента пропускания D_cp = -lg τ_ср. На рисунке 6.6 показаны гистограммы красок, взятых в различных поверхностных концентрациях. Из этого рисунка видно, что каждая из реальных красок эквивалентна по спектральным свойствам смеси идеальных. Например, желтую краску можно рассматривать как смесь большого количества идеальной желтой с небольшим количеством пурпурной и малым количеством голубой.

Это свойство красок осложняет синтез, ограничивая число цветов, воспроизводимых данной реальной триадой красок. Рассмотрим это на примере.

Пусть некоторый синий цвет может быть синтезирован голубой и пурпурной идеальными красками. Очевидно, что точно такой же цвет реальными красками получить невозможно. Это связано с тем, что реальная голубая поглощает не только в красной, но и в зеленой и слабо в синей зонах, а пурпурная – не только в зеленой, но и в синей и красной. В результате цвет этого наложения получается, не синим, а темно – фиолетовым.

На рисунке 6.7 над площадками гистограмм цифрами указаны примеры оптических плотностей. Таким образом, цвет, синтезированный двумя идеальными красками – пурпурной и голубой, выражается уравнением:

Ц = 0,1R + 0.1G + 1B (6.5)

Реальные краски, имеющие в зонах управления те же плотности, что и идеальные, дают цвет:

Ц = 0,08R + 0.04G + 0.25B (6.6)

Рисунок 6.6. Гистограмма Рисунок 6.7. К синтезу синего цвета:

реальных красок, а – пурпурная и голубая краски

взятых в разных идеальны; б – гистограмма реальной концентрациях: голубой краски; в– гистограмма реальной а – желтая краска; пурпурной краски; г – результат синтеза б –пурпурная краска; синего цвета реальными голубыми (б) и в – голубая краска пурпурнымий (в) красками

Зональные плотности красок при приближенных расчетах принято считать аддитивными, пренебрегая несоблюдением закона Бугера – Ламберта – Бера. В этом случае общая зональная плотность наложения равна сумме плотностей красок в данной зоне (рисунок 6.7).

6.3 Методика и порядок выполнения работы.

6.3.1 Получить индивидуальное задание (номера полей, цвета которых нужно описать, цвета объектов, которые нужно воспроизвести субтрактивно).

6.3.2 Измерить на денситонометре зональные оптические плотности полей каждого из клиньев через синий, зеленый и красный зональные светофильтры. На основании измерений построить гистограммы красок и результат субтрактивного синтеза.

6.3.3 Выразить измеренный цвет цветовым уравнением в субтрактивной и аддитивной форме через уравнение в субтрактивной форме в качестве используют относительные поверхностные концентрации. Их определяют путем деления текущего значения зональной плотности того или иного цвета.

6.4 Оборудование и материалы

6.4.1 Таблицы охвата различных цветов.

6.4.2 Денситометр, приспособленный для измерения зональных оптических плотностей

6.5 Содержание отчета

6.5.1 Схема опыта и краткое его описание.

6.5.2 Данные измерений.

6.5.3 Результаты опыта, расчеты.

6.5.4 Вывод.

6.6 Вопросы для самопроверки

6.6.1. В чем сущность субтрактивного синтеза цвета?

6.6.2. Какова связь поглощательной способности красочных слоев красок субтрактивного синтеза с их толщиной и концентрацией светопоглощающего вещества?

6.6.3. Как рассчитываются координаты уравнения субтрактивного синтеза?

6.6.4. Нарисуйте кривые поглощения идеальных красок субтрактивного синтеза

6.6.5 Чем реальные краски отличаются от идеальных?

Лабораторная работа № 7. Измерение цвета в заданных основных Rc, Gc, Bc с помощью визуального колориметра

7.1 Цель работы: ознакомиться с принципами измерения цвета. Приобрести навыки работы с визуальным колориметром. Освоить методику пересчета цветовых координат. Получить представление о диаграмме цветности, ее назначении и свойствах.