7.1 Содержание работы

7.1.1. Определить цветовые координаты прозрачного образца на визуальном колориметре.

7.1.2. Осуществить пересчет цветовых координат из одной системы в другую.

7.1.3. По диаграмме цветности XY определить цветовые характеристики образца.

7.2 Теоретическое обоснование

Под измерением цвета обычно подразумевают определение его цветовых координат, выраженных в той или иной системе основных цветов.

Как известно из теории, цвет можно воспроизводить разными триадами основных цветов. Разными в том смысле, что цветовые тона одной из них могут более или менее отличаться от цветовых тонов другой. Естественно, что количественный результат измерения некоторого цвета связан с цветовыми тонами основных цветов. Для того чтобы цвет выражался однозначно, триады основных стандартизируют в международных колориметрических системах CIERGB и CIEXYZ [5].

Международная колориметрическая система базируется на одном из основных законов Грассмана, согласно которому любой цвет может быть выражен через три линейно независимых цвета. В 1931 г. CIE приняла в качестве трех линейно независимых цветов для CIERGB следующие монохроматические излучения: красное ( R = 700 нм), зеленое (G = 546,1 нм), синее (В = 435,8 нм).

Единичные цвета R, G, B, послужившие в качестве базовых при проведении экспериментов в процессе разработки системы, при последующем ее совершенствовании были заменены тремя нереальными цветами X, Y, Z. Нереальность основных цветов заключалась в том, что эти цвета были насыщеннее спектральных. Замена реальных излучений R, G, B тремя реально не воспроизводимыми цветами привела к тому, что координаты цвета для любых цветов стали выражаться только положительными величинами, а определение яркости цвета значительно упростилась, т. к. за яркость стала отвечать только одна координата Y.

В принципе, цветовые координаты можно определять в любой системе основных цветов, а затем пересчитывать их в координаты той или иной стандартной. Из сказанного следует, что для измерения цвета, например, в системе основных цветов X, Y, Z не обязательны приборы, дающие именно эти излучения. При первоначальном ознакомлении целесообразно пользоваться визуальным колориметром.

Визуальная колориметрия. Прибор и работа на нем. Визуальная колориметрия объединяет способы измерения цвета, в которых измеряется не цвет образца непосредственно, а цвет сравнения, подбираемый при зрительном уравнивании его с цветом испытуемого образца. Следует обратить внимание, что основным недостатком такого способа измерения является возможность зависимости результатов измерения от индивидуальных особенностей зрения (отклонение от нормы). В большинстве визуальных колориметров цвет сравнения получают при смешивании нескольких цветов, а его измерение заключается в определении количеств этих цветов в смеси. В трехцветных аддитивных колориметрах количества смешиваемых цветов представляют собой координаты цвета в цветовой координатной системе прибора (так называемые аппаратно зависимые координаты). Обычно в таких колориметрах основными являются цвета светофильтров, экранирующих лампы накаливания проекторов. Обозначим эти цвета основными Rc, Gc, Bc, где заглавная буква означает цвет светофильтра, а индекс «с» - слово «светофильтр». Полученные данные при условии, что цвета светофильтров при свете ламп проекторов известны и лампы эти дают постоянный световой поток, можно пересчитать в цветовые координаты стандартных колориметрических систем [6].

Рисунок 7.1. Схема модели колориметра

Определение цветовых координат на простых визуальных колориметрах при нестандартных основных цветов позволяет видеть сущность процесса измерения цвета и, кроме того, требует ознакомления с техникой пересчета координат, следовательно, полезно в методическом отношении. Тем более следует учесть, что подобные процедуры пересчета используются при цветовых измерениях и расчетах в полиграфии.

Экспериментально задача данной лабораторной работы заключается в измерении цветовых координат прозрачного цветного образца в системе основных Rc, Gc, Bc, приведении их к стандартной системе XYZ, нахождении координат цветности данного цвета и выражении его точкой в декартовой системе координат.

Определение цветовых координат образца проводится на модельном визуальном колориметре. Его схема представлена на рисунке 7.1. В левой части прибора находятся три миниатюрных проектора (1– 3), дающих с помощью светофильтров Rc, Gc, Bc три пучка основных излучений. Эти пучки направляются зеркалами З₁ – З₃ на левую половину фотометрического поля ФП. Количества основных можно регулировать с помощью оптических клиньев Кл₁–Кл₃. Лампы Л₁–Л₃ отрегулированы таким образом, что при выведенных клиньях левая половина фотометрического поля, освещаемая, получается белой. Следовательно, лучистые потоки, пропускаемые светофильтрами, могут быть приняты за единицы мощности основных цветов или основные цвета. Введение клиньев приводит к уменьшению количеств основных цветов – пропорционально коэффициенту пропускания данного поля клина. Поэтому введение клиньев приводит к уменьшению количества основных от Rc, Gc, Bc до RRc, GGc, BBc, где R, G, B – цветовые координаты, определяемые коэффициентами пропускания полей клиньев.

В правой части прибора находятся два проектора – 4 и 5. Один из них (4) проецирует измеряемый образец (обр.) на правую сторону фотометрического поля. Другой проектор (5) оставлен запасным на случай, если цвет измеряемого образца настолько насыщен, что не воспроизводится основными Rc, Gc, Bc. Тогда один из светофильтров левой части прибора Rc, Gc или Bc (по смыслу измерения) переставляется в запасной проектор. На правую половину фотометрического поля направляют пучки измеряемого излучения и одного из основных. Пусть это будет, например, ВВс, тогда цвет правой половины фотометрического поля определится суммой Ц+ВВс, а левой RRc + GGc.

Подбор цветовых координат, обеспечивающих равенство цветов обеих половин поля, эквивалентен выполнению условия: Ц + ВВс = RRc + GGc

или Ц = RRc + GGc – ВВс.

Цветовое уравнение. Переход от одной системы основных цветов к другой. Цветовым называется уравнение, показывающее, в каких количествах нужно взять основные, чтобы в результате их смешения получить цвет, зрительно неотличимый от выраженного уравнением. В нашем случае цветовое уравнение записывается следующим образом:

Ц = RR + GG + BB, (7.1)

Где Ц – выражаемый уравнением цвет; R, G, B – цветовые координаты цвета Ц в системе основных RGB или, иначе, количества основных, необходимые для аддитивного получения цвета Ц; R, G, B – основные цвета, т.е. цвета излучений, принятых за основные и взятых в количествах, равных обусловленной единице.

В других системах основных цветовое уравнение выражается по тому же принципу. Например, в международной системе CIEXYZ оно выглядит следующим образом:

Ц =XX + YY + ZZ. (7.2)

Смысл обозначений аналогичен предыдущему (7.1).

Если цвет измерен в некоторой системе, например RGB, то можно, не измеряя его вторично, рассчитать координаты в другой, новой системе, например XYZ. В данной работе это означает, что цвета светофильтров Rc, Gc, Bc должны быть измерены на колориметре, дающем координаты X, Y, Z каждого из них.

Пусть измерения дали следующие значения цветовых координат основных RGB (светофильтров Rc, Gc, Bc) в системе XYZ:

R Xr ;Yr ;Zr;

G Xg ;Yg ;Zg; (7.3)

B Xb ;Yb ;Zb.

Это значит, что основные RGB описываются в системе XYZ цветовыми уравнениями:

R = XrX +YrY + ZrZ;

G = XgX + YgY + Zg Z; (7.4)

B = XbX + YbY +ZbZ.

Заменив в уравнении (7.1) цвета RGB их значениями, взятыми из (7.4) и, приведя подобные члены, получим:

Ц = (RXr + GXg + BXb)X + (RYr + GYr + BYb)Y + (RZr + GZg + BZb)Z (7.5)

Из сопоставления уравнений (7.2) и (7.4) видно, что цветовые координаты цвета Ц в системе XYZ определяются в виде:

X = RXr + GXg + BXb;

Y = RYr + GYr + Byb; (7.6)

Z = RZr + GZg + BZb.

Таким образом, каждая из координат цвета в новой системе равна сумме цветовых координат старых основных, измеренных в новой системе, умноженных на старые координаты цвета.

Разделив каждую из цветовых координат на их сумму, получим относительные значения цветовых координат, называемые координатами цветности. Если, например, цвет выражается уравнением (7.2), то координаты цветности (xyz) определяются соответствующими соотношениями:

X = X/(X + Y + Z);

Y = Y/(X + Y + Z); (7.7)

Z = Z/(X + Y + Z).

Сумма координат цветности всегда равна единице. В общем случае уравнение цветности в системе XYZ имеет вид.

Ц = xX + yY + zZ . (7.8)

И дает представление только об одном свойстве цвета – его цветности, поэтому и называется уравнением цветности [1] .

Выражение цветности в декартовых координатах. Так как сумма координат цветности равна единице, то, зная две из них, легко определить третью. Если, например, х = 0,15, а у = 0,67, то z = 1 – (x + y) = 0,18. Это свойство координат цветности позволяет выразить ее точкой в системе декартовых координат. Наш пример можно представить в виде уравнения цветности, которое будет иметь вид:

Ц = 0,15X + 0,67Y + 0,18Z (7.9)

На рисунке 7.2 представлен цветовой график , на который можно нанести две первые координаты цветности, обозначив таким образом точку цветности Ц, которая будет характеризовать данный цвет.

Буквой Е обозначена «белая точка», выражающая цветность белого цвета (равноэнергетический источник света) и имеющая координаты (0,33; 0,33). Цветовой график используют для нахождения качественных характеристик света – доминирующей длины волны (λ_дом) и (условной колориметрической) чистоты света (р).

Выберем на диаграмме произвольную точку Ц с координатами ( ). Соединим точку Е с точкой Ц и продлим линию до пересечения с локусом. Точка пересечения Ц_λ (в нашем случае Ц_λ=520нм ). Это означает, что цвет Ц – зеленый (зеленый цвет имеет интервал в спектре от 510 до 565 нм). Определение характеристик цветностей пурпурных цветов имеет свою особенность. В спектре их нет, а, следовательно, точки, выражающие цветности пурпурных цветов с определенной длиной волны на локусе также отсутствуют на графике концы локуса, характеризующие красный и

фиолетовый цвет, которое соединены между собой линией пурпурных цветов). Взяв вблизи этой линии точку П, характеризующую пурпурный цвет (рисунок 7.2), выразим его цветность. Для этого, как и в предыдущем примере, соединим точку Е с точкой П и продлим до пересечения с локусом

Рисунок 7.2.Нахождение колориметрической чистоты и доминирующей волны света.

Получим точку П₁. Полученный цвет не имеет никакой длины волны, т. к. его нет в спектре. Поэтому определять для него доминирующую длину волны бессмысленно. В этом случае находят цвет дополнительный к пурпурному П. Для этого продолжают прямую ЕП₁ в обратном направлении до пересечения с локусом. В нашем случае это λ_доп = 560 нм. Полученная точка П₂ выражает цвет, дополнительный цвету П.

В рассмотренных примерах цвета, лежащие на линиях ЕЦ_λ и ЕП_1, имеют одинаковый цветовой тон (соответственно зеленый и пурпурный), но отличаются насыщенностью. Нахождение условной колориметрической чистоты света р, характеризующей насыщенность, осуществляется по графику

(7.10)

Методика определения (условной колориметрической) чистоты цвета для всех реальных цветов, в том числе и для пурпурных, одинакова.

Для удобства определения качественных характеристик цвета на диаграмму иногда наносят координаты стандартных источников света A, B, C, D, относительно которых и проводят построения.

7.3 Методика и выполнение работы

7.3.1 Включить лампы левой части прибора и дать им разогреться.

7.3.2 Убедиться в нейтральности цвета левой половины фотометрического поля при выведенных клиньях.

7.3.3 Поставить образец, цвет которого измеряется, и включить лампу, экранируемую им.

7.3.4 Вводя и выводя измерительные клинья, уравнять цвета левой и правой половин фотометрического поля.

7.3.5 Если цвета не уравниваются из-за недостаточной насыщенности цвета левого поля, переставить светофильтр из левой части прибора в правую и уравнять цвета полей.

7.3.6 Записать оптические плотности полей измерительных клиньев, при введении которых цвета полей уравниваются.

7.3.7 Определить цветовые координаты предложенного образца в системе RGB. Для этого найти оптические плотности полей клиньев колориметра, обеспечивающие равенство цветов обеих половин фотометрического поля колориметра. Пересчитать оптические плотности полей клиньев прибора в коэффициенты пропускания.

7.3.8 Составить цветовое уравнение, характеризующее цвет образца в системе RGB.

7.3.9 Зная координаты основных цветов Rc, Gc, Bc в системе XYZ (данные у учебного мастера), пересчитать координаты RGB в координаты XYZ. Составить уравнение цвета измеренного образца в CIEXYZ.

7.3.10 Найти координаты цветности образца в системе XYZ и положение точки цветности на графике .

7.3.11 Определить условную колориметрическую чистоту света образца и доминирующую длину волны монохроматического излучения, имеющего тот же цветовой тон, что и образец.

7.4 Оборудование и материалы

7.4.1 Визуальный колориметр.

7.4.2 Цветной светофильтр (образец цвета).

7.4.3 Цветовой график .

7.5 Содержание отчета

7.5.1 Экспериментальная задача и исходные данные.

7.5.2 Схема визуального колориметра и его краткое описание.

7.5.3 Расчеты.

7.5.4 Результаты измерений в виде цветовых уравнений и цветовая диаграмма (график) .

7.6 Вопросы для самопроверки

7.6.1 Расскажите, на чем основан принцип визуальной колориметрии.

7.6.2 Нарисуйте принципиальную схему модели визуального колориметра и объясните его работу.

7.6.3 Зачем в визуальном колориметре нужен запасной проектор?

7.6.4 Дайте определение доминирующей длины волны и чистоты света.

7.6.5 Как определяется дополнительный цвет на диаграмме ?