Лекция 8 2012 Колориметрия

Лекция 8 НАУКА ОБ ИЗМЕРЕНИИ ЦВЕТА (КОЛОРИМЕТРИЯ)

«Если Вы умеете измерить цвет, Вы можете его контролировать»

Руководство по цвету фирмы X-RITE

«.. что касается колориметрии, то я сейчас не представляю себе жизни без нее. Такая наука одна на свете: она не может без живого человека, ведь главный измерительный прибор, изначаль­ный инструмент колориметрии – это наш глаз.»

Е.Н. Юстова

Наука о цвете из-за входящих в нее художественных и эстетических аспектов не может разрабатываться как строго научная дисциплина. Полное право называться точной наукой может входящая в нее частная дисциплина – колориметрия (наука об измерении цвета). Это дисциплина на стыке физики, математики, биологии, физиологии, психологии. В ней приходится работать одновременно в двух направлениях: изучать и глаз, и цвет. Колориметрия – единственная физико-математическая дисциплина, которая изначально построена на ощущениях. Все приборы, работающие в рамках этой науки, тестируются глазами. Главный измерительный прибор колориметрии – это человеческий глаз, в котором рождается цвет.

Физиком Эрвином Шредингером был введен термин «метрика цвета», который обозначает учение о взаимном количественном выражении цветов.

Низшая метрика цвета осуществляется при помощи оценки тождественности цветов с применением цветовых уравнений, высшая - путем оценки цветовых различий или тождественности отдельных цветовых характеристик.

Ниже даются строгие определения колориметрических терминов [40].

Цвет (психофизический^*); цвет в колориметрии – трехмерная век­торная величина, однозначно характеризующая группу излучений, визу­ально неразличимых в колориметрических условиях. Определяется ко­ордина­тами цвета в одной из стандартных колориметрических систем МКО

Колориметрическая система – система количественного выражения цвета, основанная на возможности воспроизведения данного цвета путем аддитивного смешения трёх выбранных цветовых стимулов. Понятие «колориметрическая система» относится к системам RGB, XYZ МКО 1931 г. и XYZ МКО 1964 г. В широком смысле термин «система координат» или просто «система» может относиться к производным системам количественного выражения цвета, базирующихся на трех выбранных цветовых стимулах колориметрических систем.

Координаты цвета – количества трех основных цветов, необходимые для по­лучения колориметрического равенства с измеряемым цветом. Измерить цвет – это определить три координаты цвета.

Цветовое различие (визуальное) – различие между двумя цветами, каким его видит человеческий глаз. Описывается в терминах субъективных цветовых характеристик: светлее, темнее, насыщеннее, краснее, зеленее, желтее и т.д.

Цветовое различие DЕ – обозначение общего цветового различия между цветами. Определяется расстоянием между двумя точками, представляющими цветовые стимулы в выбранном цветовом пространстве. Описывает величину (размер, степень, количество в порогах) различия между цветами и не дает качественного представления о его природе. Качественное представления дают различия в компонентах цветового различия.

Порог цветоразличения – наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете. В значительной степени зависит от условий наблюдения.

Цветовое пространство – трехмерное пространство для геометрического представления воспринимаемых или психофизических цветов.

Цветовое пространство CIE 1976 (L*a*b*) – трехмерное приблизительно равноконтрастное цветовое пространство, полученное построением в прямоугольных координатах L*, a*, b*, однозначно связанных с координатами XYZ в системе МКО. Координата L* характеризует светлоту, координата a* - содержание красного или зеленого цвета, координата b* - содержание желтого или синего цвета. В этом пространстве цвет может также определяться полярными координатами L*, C*, h, где C* коррелирует с насыщенностью, а h (угол цветового тона) - с цветовым тоном. Равнозначное обозначение - CIELAB.

Формула цветового различия CIE 1976 (L*a*b*): DE_СМС(l:c) – служит для расчета общего цветового различия между двумя цветами с известными координатами L*, C*, h, Обозначение (l:c) относится к коэффициентам коррекции для светлоты и насыщенности. При отношении l:c = 1:1 формула предназначена для расчета воспринимаемых цветовых раздичий, при отношении l:c = 2:1 – для определения приемлемых цветовых различий. Обозначение - СМС (1:1) и СМС (2:1).

Дин Джадд и Гюнтер Вышецки не преувеличивали, когда писали о том, что «удовлетворяющее по­купателя про­изводство предметов потребления ... может быть осуществлено только с при­влечением в широком объеме методов цветового контроля. Цветовые изме­рения являются неотъемлемой составной частью современ­ной деловой жизни» [6].

Если в начале прошлого века Генри Форд мог представить покупателю свою последнюю модель лимузина «любого цвета, при условии, что он чер­ный», то от 2.500 цветовых оттенков автокрасок, имеющихся во всей Европе в 1970 г., их число к концу века превышало 20.000. Из года в год к ним добав­ляется несколько сот но­вых цветовых оттенков. «Банки цветов» отдельных фирм содержат сотни и тысячи цветов, на каждый из которых имеется отрабо­танная рецептура с использованием технологии и материалов данной фирмы. Но работа с таким большим числом образцов цвета, с их воспроизведением в материале, невоз­можна без использования современных технологий и науки о цвете. Чтобы эффективно использовать цвет, его обязательно нужно держать под строгим контролем. Если вы умеете измерять цвет, вы можете его контро­лировать, сообщать и передавать информацию о цвете в виде величины коэф­фициента отражения (спектральные данные) и в виде значений координат цвета.

Компьютеризированные системы расчета рецептур и подгонка цвета с по­мощью спектрофотометров и компьютерных программ – это стратегия большинства крупных фирм, выпускающих и использующих окрашенные материалы.

Для того, чтобы владеть современными технологиями, свя­занными с измерением и преобразованием цвета, например, в компьюте­рах, скане­рах и принтерах, также необходимо знание колориметрии.

Для чего нужны цветовые измерения в промышленности? В первую оче­редь они необходимы для того, чтобы определить, соответствует или нет цвет окрашенной продукции норме, то есть, это – объективный метод кон­троля цвета при выпуске или приемке окрашенной продукции. Они необходимы для:

• аттестации цвета, то есть, в качестве цветовой меры эталонов (кон­трольных образцов цвета) и цвето­вых различий между допускаемыми от­кло­нениями на цвет материала;

• объективного сравнения с цветом выпускаемого или поставляемого ма­териала в ар­бит­ражных случаях; сравнения с образцами цвета других фирм, международных атласов, карто­тек, каталогов цветов;

• оценки цвета образцов по объективным колориметриче­ским ха­рактеристи­кам;

• в автоматизированных системах расчёта рецептур для воспроизведе­ния эталонного цвета и в автоматизированных процессах производства окрашен­ных материа­лов;

• объективного определения степени изменения цвета (эталонов, мате­риалов) в про­цессе хранения и использования на протяжении срока действия. Степень изменения определяется по значениям цвето­вых различий D Е.

Разработка и стандартизация методов измерения цвета.

В основе современных методов измерения цвета лежат законы Грассмана и аддитивное сложение цветов. Грассман сформулировал свои знаменитые три закона, которые в на­стоя­щее время ци­тируются в разных формулировках. Их можно выразить в виде основного общего закона: «Светоадапти­рован­ный трихроматический глаз оце­нивает падающее на него излучение по трем не зависящим друг от друга спек­тральным функциям воздействия (сложения) линейно и постоянно, причем объединяет эти отдельные воздействия в неразрывное суммарное воздействие (стимул)».

По-отдельности законы можно сформулировать как закон трехмерности, закон непрерывности, закон аддитивности. Излучения, кото­рые кладутся в ос­нову системы цветовых измерений, называют основными стимулами. При графическом построении зависимостей количеств основных цветов от длины волны получаются функции длины волны, называемые функциями сложения цветов или просто кривыми сложения. Функции сложения цветов (кривые сложения) характеризуют стандартного колориметрического наблюдателя (три стандартные кривые спектральной чувствительности трех разных «фотоприемников» человеческого глаза).

Подлинному прогрессу в области измерения цвета способствовала воз­никшая в 20-ые годы прошлого века потребность в технических измерениях и характеристиках цвета окрашенной продукции. Особенно остро встала про­блема инструментальной оценки цвета нефти в США, которая продава­лась по цвету, а визуальная оценка при нестандартных условиях определе­ния то и дело приводила к разногласиям. Подобные проблемы возникали и в тек­стиль­ной промышленности, особенно при поставках текстиля для воен­ных ве­домств, а также в лакокрасочной и других отраслях. Необходимость использования объективных методов контроля цвета промышленной продукции привела к созданию и стандартизации колориметрических систем. Создание спектрофотометра (поставлен фирмой «Дженерал электрик» на ми­ровой рынок в 1930 г.) и принятие на заседании VIII сессии МКО (Международ­наяй комиссия по освещению) в 1931г. стандартных условий измерения цвета: функций сложения цветов, стандартных излучений А, В и С и стандартной гео­метрии освеще­ния/наблюдения [45] положили начало промышленному ис­пользо­ванию цвето­вых измерений. Стандартная колориметрическая система XYZ МКО 1931 г., установленная стандартами МКО и ИСО, стала основой цвето­вых измерений во всем мире.

Система спецификации цвета МКО во многих случаях оказывается весьма полезной и используется прак­тически во всех применениях цветовых измерений. Однако для успеш­ного ее приме­нения необходимо знать ее возможности и огра­ничения.

Функции сложения цветов (кривые сложения) МКО 1931 г. Они характе­ризуют стан­дартного колориметри­ческого наблюдателя (три стандартные кри­вые спек­тральной чувствительно­сти трех разных «фотоприемников» человеческого глаза) при малых углах поля зрения (< 4°). Первоначально данные были получены путем усреднения экспериментов Гилда и Райта по уравниванию наблюдателями спектральных цветов в поле зрения 2° с помощью суммы трех цветов R,G,B (крас­ный, зеленый, синий) с длиной волны 700, 546,1 и 435,8 нм. Однако из-за отрица­тельных значений части функции r(λ) ее нельзя использовать для аддитив­ного сложения цвета.

(а) (б)

Рис. 50. Кривые сложения цветов стандартного колориметрического на­блюдателя, полученные на основе данных опытов Гилда и Райта (а), кривые сложения цветов x(λ), y(λ), z(λ) для стандартного колори­метрического наблюдателя МКО 1931 г. (б)

Для того чтобы избежать отрицательных значений кри­вых сложе­ния, они были подвергнуты линейному математическому преобра­зованию, в ре­зультате чего были получены кривые сложения x (λ), y (λ), z (λ) (рис. 50), которые известны как кривые сложения цветов стандартного колори­метрического наблюда­теля МКО 1931 г. В новой системе основные цвета X,Y,Z являются нереальными (воображае­мыми, гипотетическими) цветами.

Стандартный колориметрический наблюдатель МКО 1964 г. Несмотря на то, что система МКО 1931 г. была официально признана во всем мире, у нее имелся ряд недостат­ков.

Новые кривые сложе­ния были найдены на ос­нове многочисленных опытов, выполненных Стайл­сом, Бёрчем и Сперанской. Полученные кривые сложения были названы кривыми сложения до­полнительного стандартного колориметрического наблюда­теля МКО 1964 г. Угол поля зре­ния при уравнивании цветов был равен не 2° (как в первона­чальных экспе­риментах), а 10°, что соответствует вос­приятию цветовых полей большего размера. Например, для площади диаметром 3,5 см на расстоянии 1 м, угол зрения равен точно 2°, а диаметром 17,5 см - 10° (рис. 51).

Рис. 51. Различие между двумя стандартными наблюдателями МКО

МКО при­няла решение рекомендовать к использованию обе системы кривых сложе­ния. Когда оценивают боль­шие по размеру цветовые образцы, ис­пользуют кривые сложения для дополнительного стан­дартного колориметриче­ского наблюдателя 1964 г. (десятиградусного наблюдателя).

Оптическая геометрия измерения. При измерении цвета МКО рекомен­дует использовать четыре типа оптической геометрии освещения/наблюдения: 0/45; 45/0; 0/Дифф; Дифф./0 (рис. 52).

Рис. 52. Стандартные геометрии МКО

Первая цифра означает угол между нормалью к поверхности образца и на­правлением освещения образца, вторая – угол между нормалью и направлением на­блюдения.

В современных приборах с геометрией 45/0 и 0/45 для снижения влияния на ре­зультат измерения фактуры поверхности образца и положения образца относи­тельно прибора используют кольцевые осветители (источники) либо освещение об­разца из нескольких направлений.

Геометрии, обозначаемые Дифф./0° и 0°/Дифф., используют для макси­мально равномерного освещения образца в интег­рирующей оптической сфере, обычно покрытой изнутри сульфатом бария или Spectralon^Ò.

Стандартные излучения и стандартные источники света. МКО предложила несколько стандартных ко­лориметрических излучений, которые были обозначены латинскими бук­вами A, B, C, D, E и F. Стандартные излучения МКО – это значения относительной мощности излучения в интервале от 300 до 830 нм с шагом 1или 5 нм. Стандартные излучения воспроизводят при помощи стандартных источников света – реальных источников света, спектральное распределение энергии которых в той или мере аппроксимирует одно из стандартных излучений.

В качестве характеристики цветности излучения источников света используется цветовая температура. Внедренные МКО стандартные источники освещения характеризуются сле­дующими значениями цветовой температуры: А (свет лампы накаливания) – 2856 К, В (солнечный свет) – 4874 К, С (рассеянный дневной свет) – 6774 К.

Набор стандартных источников среднедневного света D имеет диапазон корре­лированных цветовых тем­ператур от 4000К до 7500К. Дан­ные спектрального рас­пределения излучения D были определены пу­тем усреднения данных многочислен­ных измере­ний спектра дневного света выполненных в различ­ных районах Велико­брита­нии, Канады и США. Для различных целей было определено не­сколько спек­тральных распределений источника D для различ­ных значений цветовой темпера­туры: D50, D55, D60, D65, D70, D75, соответственно, с коррелиро­ванными цвето­выми температурами 5000 K, 5500 K, 6000 K, 6500 K, 7000 K, 7500 K. Источник D65 сле­дует считать наиболее универсальным, поскольку он наиболее точно ап­проксимирует среднедневной свет. Источник D50 принят в качестве стандартного в полиграфии, поскольку лучше всего подходит для характеристики изображения, напечатанного стан­дартными типографскими красками на бумаге. Ис­точник D55 принят в качестве стандартного в фото­графии: лампы с цветовой температурой 5500 К используются в просмотровом оборудовании для слайдов и эту цветовую температуру имеет свет лампы-вспышки.

Излучение Е - источник излучения, имеющий равноэнергети­ческий (не ме­няющийся с изменением длины волны) спектр, с цветовой темпера­турой 5460К. Соответствует гипотетическому идеальному источнику белого света Реально не существует в природе и используется в колориметрии только в расчетных целях. Его координаты цветности: x = 1/3, y = 1/3 обозначаются на графике цветности МКО точкой, называемой точкой белого цвета.

Различные излучения F представляют со­бой излучение наиболее распростра­ненных люминесцентных ламп. Например, F11 – узкопо­лосное излучение в трех длинах волн люминесцентной лампы белого света с корре­лированной цветовой температурой 4000 К. Эта лампа (TL84 Philips) широко ис­пользуется в колоримет­рии, благодаря ее распространению в освещении, свя­зан­ному с высокой световой эффективностью и высоким индек­сом цветопередачи.

Таким образом, измерить цвет – значит определить три характеристики в одной из стандартных колориметрических систем при стандартных условиях осве­щения и наблюдения. Такими характеристиками, которые позволяют однозначно определить цвет, являются, например, координаты цвета X, Y, Z или координаты цветности x, y и координата цвета Y, численно равная коэффициенту яркости (или отражения, ρ), в системе XYZ МКО 1931 или 1964гг. Они являются основными. От этих характеристик можно перейти к характеристикам цвета в других цветовых пространствах, используемых для определения цвета и цветовых различий.

Другие модели цветовых пространств. Одним из существенных недостатков цветового пространства XYZ МКО являлось то обстоятельство, что одинаковым из­менениям координат цвета не соответствуют равнозначные изменения цветовых ощущений. Иначе говоря, разница между двумя цветами, находящимися в одной области графика, не так ощутима, как точно такая же разница между двумя сосед­ними цветами, находящимися в другой области графика. Области порогов измене­ния цветности, границы которых для среднего наблюдателя соответствуют облас­тям визуально одинаковой цветности, на графике xy МКО 1931 г. имеют форму не окружностей, а эллипсов разного размера с разным наклоном осей. Эти эллипсы так и называются эллипсами Мак Адама (рис. 53), который первым столь наглядно пред­ставил неравномерность цветового пространства системы XYZ.

Рис. 53. Эллипсы Мак Адама, нанесенные на график МКО 1931 г. (для наглядно­сти представления эллипсы увеличены в 10 раз). Эти эллипсы приблизительно со­ответствуют пределам областей визуально одинаковой цветности для стандартного наблюдателя.

В дальнейшем были предложены различные проективные преобразования гра­фика xy МКО, которые по­зволили бы получить равноконтрастный цветовой гра­фик. Почему это так необхо­димо? Для того, чтобы можно было оценить различия между цветами. Понятие цветового различия ΔЕ было введено для объективной оценки цветового соответствия стандартного и ис­пытуемого образцов, определяе­мого как расстояние между координатами цвета в соответствующих цветовых про­странствах.

В 1976 г. МКО рекомендовала использовать другие модели цветовых про­странств, из которых на практике наиболее распространенным является цветовое пространство CIELAB. Это пространство, по определению МКО, является прибли­зительно равноконтрастным. Оно представляет интерес и для дизайнеров, так как широко используется не только в измерении цвета материалов, но и в компьютерных программах.

Координаты цвета в этом пространстве: L* - светлота, которую можно ин­терпретировать как показатель ощущения яркости, пропорцио­нальная корню кубическому значений координаты цвета Y, и координаты a* и b*. Координата a* описывает изменение цветности от зеленого цвета (ось отрицатель­ных значений координаты a*) до крас­ного (ось положительных значений коорди­наты a*), а b* - изменение цветно­сти от синего (ось отрицательных значений коор­динаты b*) до желтого (ось положительных значений координаты b*) цвета.

Для удобства использования была также предложена модификация модели CIELAB путем трансформации координат цветности из прямоугольной в по­лярные координаты цветового тона h и насыщенности (C*):

Новые координаты h и C* фактически являются коррелятами рассмотренных ранее психофизических характеристик цвета в виде цветового тона и насы­щенно­сти. На графике, также как цветовой тон и насыщенность, координата h определя­ется углом, а координата C* — радиусом относительно центра ко­ординат, которым является ось L*.

Рис. 54. График цветового пространства CIELAB в полярных координатах h и C*

Достоинством цветовой модели CIELAB, определившим ее широкое исполь­зование в колориметрии и промышленности, явилось то обстоятельство, что она эффективно решила проблему представления величины цветовых разли­чий в про­мышленности, а также и то, что описание цвета в этой системе фак­тически моде­лирует процесс представления цвета аппаратом человеческого зрения. Как пока­зали недавние исследования человеческого зрения в процессе визуального воспри­ятия сигнал от палочек и колбочек, возникающий при на­блюдении того или иного цвета, далее трансформируется в три нервных им­пульса, один из которых соответ­ствует сигналу яркости, а два других являются цветоразностными сигналами.

Применение формул цветового различия. Разработанные формулы цветового различия позволяют избежать субъективных визуальных оценок, причины которого разнообразны и полностью неустранимы, и использовать методы объективной коло­риметрии для решения следующих задач:    – установка объективных цветовых допусков и проверка соответствия цвета мате­риала установленным допускам;    – объективная оценка цветоустойчивости материалов;

   – количественная оценка степени метамеризма;    – подбор близких (в пределах установленных различий) цветов из базы данных к испытуемому цвету и сортировка по цвету (разбиение множества образцов цвета на группы с за­данной величиной цветового различия внутри группы).

Самой распространенной формулой определения цветовых различий яв­ляется рекомендуемая МКО формула СIЕLАВ, которая входит во многие оте­чественные и зарубежные стандарты. Часто используют формулу цветовых различий CIELCH и соотносят различия в значениях полярных координат h и C* с визуально наблю­даемыми значениями цветового тона и насыщенности. Общая величина цветового различия, определенная в этих пространствах, одинакова. Но различия в координа­тах a* и b* дают возможность определить: является ли испытуемый цвет более красным, синим, желтым или зеленым, а различия в координатах h и C* - измене­ние его цветового тона и насыщенности по сравнению со стандартным цветом.

В программное обеспечение ряда прибо­ров, кроме этих формул, входит фор­мула FМС-2 (Фриля-МакАдама-Чикке­ринга), которая не является рекомендацией МКО, но дает хорошее согласие инструментальных данных с визуальной оценкой, а также формулы СМС (l:с), CIE94 (МКО 94) и формула СIE DE 2000. Для луч­шей корреляции с визуальной оценкой рекомендуется использовать формулу СМС (l:с).

Цветоизмерительные приборы. В соответствии с классификацией, установ­ленной изготовителями приборов и приведенной в [52], цветоизмерительные при­боры различаются по: типу измеряемого излучения (отраженный, пропускаемый, испускаемый свет или объединяющие измерения разных видов излучений), усло­виям применения (портативные, настольные (лабораторные), on-line, устанавли­ваемые на производственных линиях), оптической геометрии измерения (с геомет­рией 45/0 и 0/45, геометрией Дифф./0° и 0°/Дифф., геометрией 0/0 и другими, более редкими, многоугловые - гониоспектрофотометры) и способу определения координат цвета. По способу определения координат цвета различают три типа приборов:

• колориметры – приборы для непосредственного измерения координат цвета для ограниченного набора колориметрических условий (источник/ наблюда­тель);

• компараторы – приборы для сравнения цветовых характеристик (отношения ко­ординат цвета) испытуемого образца и близкого к нему по цвету образца сравнения, характеристики которого известны;

• спектрофотометры – приборы, измеряющие спектр отра­жения (пропускания) об­разца и по спектральным данным осуществляющие расчет координат цвета в любых цветовых пространствах для всех возможных сочетаний источ­ник/ наблюдатель. Основное различие между спектрофотометрами и колоримет­рами является прин­ципиальным - колориметры не измеряют спектров. Спек­трофотометры, специально предназначенные для измерения цвета, часто назы­вают спектроколориметрами.

На отечественном рынке цветоизмерительные приборы (а также камеры для визуального сравнения цвета) представляют фирмы: X-RITE (GretagМасbeth входит в нее), Dataсо1ог, Hunter. Лидирующей является фирма X-RITE. Они поставляют как портативные, так и стационарные приборы, в том числе, приборы высшего класса по точности и долговременной воспроизводимости результатов, с двухлучевыми оптическими схемами с двумя спектральными анализаторами, типа спектрофотометра Со1ог Еуе 7000 Масbeth или Spectraflash SF 600 Рlus Dataсо1оr. Также имеются приборы для измерения цвета покрытий с металлическим, перламутровым и другими эффектами, типа многоуглового гониоспектрофотометра Со1ог Еуе 740 GL. Приборы различаются по назначению, конструкции, программному обеспечению, стоимости. Постоянно разрабатываются новые приборы.

На рис. 55 представлены спектроколориметры, используемые во ВНИИТЭ и рядом – современные приборы фирмы X-RITE.

 

(а) (б)

Рис. 55. Спектроколориметры, используемые во ВНИИТЭ: «Радуга-2» (ЧОКБА, СССР), RFC-3 (фирма «OPTON», Германия)? (1973-1995 гг.), COLOR-EYE CE-3100 (Macbeth, США), (1995-2000гг.) (а), современные приборы фирмы X-RITE (б)