Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы светотехники. Учебное пособие
.pdf
5.2. Визуальный колориметр
5.2. Визуальный колориметр
Исследования цветного зрения показали, что нормальный
глаз реагирует (дает ощущение цвета) совершенно одинаково на многие
пары излучений или другое количество излучений.
Например, белый цвет ощущается, если глаз воспринимает весь
спектр солнечного излучения или всего два монохроматических излучения, соответственно подобранных. Между этими двумя крайними
случаями существует еще бесчисленное множество сочетаний излучений,
которые в сумме также дадут ощущение белого цвета. Такого рода исследования можно проводить на визуальном колориметре, в простейшем
случае представляющим гипсовую призму, на двух гранях которой
осуществляется сравнение цветовых ощущений (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Схема визуального колориметра
Освещение граней или полей зрения визуального колориметра
можно производить различным количеством излучений, при возможности дозированного изменения их интенсивности. Данные исследования по нахождению спектральных составов тех различных количеств
излучений, которые производят одинаковые действия на зрительный
аппарат человека, и составляют предмет изучения цветочувствительности глаза.
Тождественность впечатлений, производимых на глаз от двух полей
колориметра, означает равенство цвета и выражается математическим
уравнением:
f 'F = r 'R, [5.1]
где F и R – некие единичные цвета,
f 'и r ' – их количества.
Эффект получения нового цвета смешением других цветов называется синтезом цвета.
В результате многочисленных опытов оказалось, что практически
все цвета могут быть получены смешением трех. Причем эти три цвета
должны быть независимыми, т. е. ни один из них не может быть получен смешением двух других. Отсюда любой цвет может быть записан
как уравнение:
101
5.3. Законы цветосинтеза
F = r 'R + g'G + b'B. [5.2]
Данное выражение называется цветовым уравнением.
Как велико количество таких независимых троек цветов? Оказалось,
что для некоторых троек цветов не удается получить тождественность
ощущений.
Первый колориметр был продемонстрирован Дж. К. Максвеллом
в 1860 г., в котором одна половина поля зрения освещалась измеряемым цветом, в то время как другая освещалась одновременно тремя
излучениями, которые представляли собой спектральные излучения с
длинами волн R – 630 нм, G – 528 нм и B – 457 нм.
Опыты по смешению цветов систематизировал и свел к трем законам Г. Грасман (1853 г.).
5.3. Законы цветосинтеза
1-й закон или закон трехмерности.
Любой цвет однозначно выражается тремя цветами, если
они линейно независимы, т. е. никакой из указанных трех цветов нельзя
получить сложением двух других. При этом существует неограниченное
число цветов, которые не могут быть получены смешением двух других,
т. е. произвол выбора.
2-й закон или закон непрерывности.
При непрерывном изменении излучения цвет изменяется также
непрерывно. Нет обособленных цветов, которые не могли бы непрерывно переходить в другие. То есть нет скачков.
3-й закон или закон аддитивности.
Цвет смеси излучений зависит только от цвета излучений, но не
от их спектрального состава.
Один и тот же цвет может быть создан излучениями различных
спектральных составов.
Из третьего закона следует свойство аддитивности цветовых уравнений:
F1 = r1'R + g1'G + b1'B,
F2 = r2'R + g2'G + b2'B,
F1 + F2 = (r1'+ r2')R + (g1'+ g2')G + (b1'+ b2')B
и т. д.
Из третьего закона следует очень важный вывод, что цвет не оп ре-
деляет однозначно спектр излучения, но заданный спектральный состав
однозначно определяет цвет.
Излучения различного спектрального состава, дающие один и
тот же цвет, называются метамерными. А данное свойство называется
102
5.4. Субъективные характеристики цвета
метамеризмом. Например, смешение в некоторых пропорциях определенных двух монохроматических излучений превратит цвет смеси в
белый цвет, в состав которого, как известно, входят в равной мере все
излучения видимого спектра.
Два излучения, в сумме дающие белый свет, называются дополни-
тельными.
Белый цвет, даваемый всеми излучениями видимого спектра, на-
зывается равноинтенсивным.
При этом существует бесчисленное множество пар дополнительных
цветов, в том числе и монохроматических.
5.4. Субъективные характеристики цвета
Итак, характер цветового ощущения связан с распределением по спектру чувствительности рецепторов глаза. Трехкомпонентная
теория цвета была развита Томасом Юнгом (1773–1829), а кривые
основных возбуждений положены в основу физиологической теории
цветного зрения.
Характер цветового ощущения зависит как от суммарной реакции
цветочувствительных рецепторов, так и от соотношения реакций каждого
из них. При изменении спектрального состава излучения рецепторы
глаза по-разному реагируют на возбуждающее их излучение, иногда
включаясь одновременно и уравниваясь. В зависимости от степени и
одновременности включения тех или иных рецепторов мы ощущаем
тот или иной цвет или его отсутствие.
Когда излучение раздражает все рецепторы одинаково, его цвет
воспринимается как белый, серый или черный. Такие цвета называются
ахроматическими и не различаются качественно. Разница в зрительных
ощущениях при действии на глаз ахроматических излучений зависит
только от уровня раздражения рецепторов. Поэтому ахроматические цвета
могут быть заданы одной психологической величиной – светлотой.
Однако сравнение реакций рецепторов возможно, если известна их
общая мера. Оказывается, что реакции, даваемые рецепторами разных
типов, качественно различны. Ощущение белого цвета возникает лишь
при некоторых значениях их возбуждений. В этом случае реакции рецепторов всех типов условились считать равными и, при определенном
их уровне, – единичными (единица интенсивности раздражения – доля
участия в белом). Эти уровни определяются яркостными коэффициентами L (К) : L (З) : L (С).
Абсолютные значения не определяются, известно лишь их соотношение L (к) : L (з) : L (c) = 1 : 0,655 : 0,003.
103
5.4. Субъективные характеристики цвета
Такая неодинаковость объясняется тем, что вклад каждой группы
рецепторов в ощущение цветности и светлоты неодинаков.
Суммарная реакция определяет светлоту, а соотношение ее до-
лей – цветность.
Если рецепторы разных типов раздражены неодинаково (отклонения
от 1 : 0,655 : 0,003), возникает ощущение хроматического цвета. Для его
описания нужны уже две величины – светлота и цветность.
Отсюда следует, что цветность как качественная характеристика
зрительного ощущения двумерна. Она складывается из насыщенности
и цветового тона.
Насыщенность. Насыщенность – степень хроматичности, отличие
цвета от ахроматического. Когда все рецепторы раздражены почти
одинаково, цвет близок к ахроматическому и качество цвета едва выражено – цвет не насыщен. Когда перевес в раздражении рецепторов
велик, цвет далек от ахроматического и качество цвета велико – цвет
насыщен.
Цветовой тон. Цветовой тон дополняет недостаточность определения цвета через светлоту и насыщенность. Цветовой тон определяет
близость цвета к определенному участку спектра: зеленый, синий,
красный, желтый и т. д., и определяется рецепторами, дающими наибольшую реакцию.
Эти характеристики – светлота, насыщенность, цветовой тон зависят не только от спектрального состава, но и от условий наблюдения,
фона, адаптационных процессов и т. п., поэтому они называются субъ-
ективными или психологическими характеристиками цвета.
Тем не менее эти характеристики можно связать со световыми
объективными величинами.
Светлота может быть определена величиной яркости. Связь между
яркостью В и ощущением светлоты W задается законом Вебера – Фехнера: W lg B.
Цветовому тону можно задать тождественный ему цветовой тон
спектрально чистого (монохроматического) излучения. При этом длина
волны соответствующего монохроматического излучения называется
доминирующей длиной волны l
данного цвета.
д
Физической характеристикой насыщенности служит колориметрическая чистота цвета р:
В
р
, [5.3]
ВВ
б
где В – яркость монохроматического цвета,
Вб – яркость белого, т. е. относительным содержанием монохро-
матического и белого, или степень разбавления белым.
104
5.5.1. Субтрактивный синтез цвета. Полиграфическая триада
Описанная выше цветовая модель носит название модель или си-
стема , р, В и используется в колориметрии для качественной оценки
или для основных суждениях об анализируемом цвете.
5.5. Синтез цвета
Синтез цвета – эффект получения нового цвета в результате
смешения излучений или сред. Однако в основе эффектов смешения
излучений и смешения сред лежат неодинаковые физические явления.
Например, смесь желтой (Ж) и синей (С) красок дает зеленый (З) цвет,
а смесь желтого (Ж) и синего (С) излучений – белый.
Неодинаково влияет в этих случаях и изменение количества носителя
цвета: при росте концентрации красок в смеси ее светлота падает, а при
увеличении мощности излучений, наоборот, возрастает. В связи с этим
различают два типа синтеза цвета: аддитивный – смешение излучений
и субтрактивный – смешение сред (илл. 5.3, 5.4, цветная вкл.).
Синтез – получение нового цвета смешением других цветов.
Аддитивный (англ. additive – добавка, добавление) синтез цвета
используется главным образом при измерении цветов в колориметрии,
и на нем строится работа визуального колориметра. На принципах
аддитивного синтеза обеспечивается цветовоспроизведение в системах
самосветящихся устройств (экраны, мониторы). За основные базовые
цвета в аддитивном синтезе используются красный (К), зеленый (З) и
синий (С).
Субтрактивный синтез – это метод синтеза, основанный на вычитании элементов друг из друга. Происходит при наложении окрашенных прозрачных слоев или смешении красок. Субтрактивный
синтез является основой принципа цветовоспроизведения в цветной
фотографии и полиграфии.
5.5.1. Субтрактивный синтез цвета. Полиграфическая триада.
Субтрактивный синтез основан на последовательном вычитании из
белого света соответствующих монохроматических излучений за счет
селективного поглощения определенного излучения частицами краски.
Прошедший через эти слои свет меняет свой спектральный состав,
приобретая цветовой оттенок. При субтрактивном синтезе основными
цветами являются желтый, пурпурный (синий + красный) и голубой (Г,
П, Ж или CMY – Сyan, Magenta, Yellow). Эти цвета являются дополнительными к основным цветам – К, З, С, определяющими возможность получения ощущения всех цветов, и при выборе определенных
условий – ощущение белого цвета (аддитивный синтез). В результате
105
5.5. Синтез цвета
если из белого вычесть красный, мы будем наблюдать голубой оттенок;
если из белого вычесть зеленый, то мы будем наблюдать пурпурный
оттенок, если из белого вычесть синий, мы будем наблюдать желтый
оттенок.
На принципах субтрактивного синтеза основано получение многоцветных изображений в живописи и полиграфии. Такой синтез предполагает выборочную прозрачность красок. Краски Г, П, Ж, селективно
поглощающие излучения К, З, С, образуют полиграфическую триаду.
Например, чисто красная деталь изображения будет реализована нанесением на белую (т. е. хорошо отражающую все длины волн)
бумагу двух слоев красок: пурпурной и желтой, и освещением этой
суперпозиции пучком белого света (который представляем как сумму
трех составляющих: красный, зеленый и синий).
Таким образом, первичное изображение, подлежащее полиграфическому воспроизведению, подвергается разложению на три части – три
фотоформы, которые составляют три печатные формы, соответству ющие
красной, зеленой и синей составляющим. Это производится путем
регистрации излучения от объекта через красный, зеленый и синий
светофильтры, пропускающие излучения соответственно в трех зонах
спектра 600–660; 500–570; 410–440 (см. DIN 16536). Этот процесс называется цветоделением под субтрактивный синтез.
5.5.2. Идеальный субтрактивный (полиграфический) синтез.
Цвет изображения, согласно принципу субтрактивного синтеза, формируется слоями красящего вещества путем селективного поглощения
определенных спектральных зон падающего белого света. Для этого
краски полиграфического синтеза должны обладать свойством поглощать излучение одной из зон спектра в той мере, в какой этого требуют
значения цветовых координат синтезируемого цвета (т. е. создавать
насыщенность цвета), а излучения остальных зон – пропускать.
Пропускание в зоне поглощения должно быть управляемым.
Средством управления служит толщина красочного слоя. Полное пропускание в двух зонах спектра и управляемое поглощение в третьей
дают возможность дозировать одно из зональных излучений К, З, С:
600–660; 500–570; 410–440; DIN 16536.
Цвет краски, отвечающей этому требованию, должен быть допол-
нительным цвету дозируемого излучения.
Желтая поглощает (дозирует) Синее излучение.
Пурпурная поглощает (дозирует) Зеленое излучение.
Голубая поглощает (дозирует) Красное излучение.
106
5.5.3. «Выделение красок»
Предположим, нужно получить цвет, в котором доли цветов соот-
носятся как 0,5К+0,1З+0,7С.
В этом случае: Г должна вычитать (поглощать из белого) 50 %
красного, т. е. = 0,5 или D = lg 1/ = 0,3.
П должна вычитать 90 % зеленого, = 0,1 или D = 1,0.
Ж должна вычитать 30 % синего, = 0,7 или D = 0,16.
Контроль настроек ведется по шкалам (илл. 5.5, цветная вкл.).
5.5.3. «Выделение красок». Итак, идеальный субтрактивный
синтез основан на том, что каждая краска управляет одной зональной
составляющей синтезируемых цветов: Г – красной, П – зеленой, Ж –
синей.
На цветоделенных негативах (фотоформы) должны быть зарегистрированы соответствующие обратные оптические плотности изображений
красного, зеленого и синего. Затем негативы преобразуют в позитивы
(печатные формы), которые и должны регулировать интенсивность
зон.
Процесс цветоделения под субтрактивный синтез часто называют
процессом выделения красок, т. е. выделяют те участки позитива, кото-
рые воспроизводятся этой краской. При этом оптические плотности
цветоделенных негативов должны соответствовать градации количеств
краски (мало света – много краски, и наоборот). В результате, так как
красное управляется голубой краской, то негатив красного превращается в позитивное голубое частичное изображение. В цветоделении
под субтрактивный синтез полученные негативы часто называют по
краскам, например краснофильтровый – голубой, зеленофильтровый –
пурпурный, синефильтровый – желтый.
107
Тема 6. ИЗМЕРЕНИЕ ЦВЕТА
Измерение цвета. Цвет – вектор. Графическое
изображение колориметрических систем. Особые
плоскости цветового пространства. Цветовой
треугольник. Цветовой охват системы. Анализ плоскости
цветности. Система XYZ. Расчет цвета. Стандартные
излучения
6.1. Измерение цвета
Цвет можно измерить и рассчитать, пользуясь колориме-
трической системой – совокупностью нормированных условий измерения
цвета.
Основу любой колориметрической системы составляют триада
цветов, что следует из трехкомпонентной теории зрения. Формула
сложения цветов позволяет однозначно определить любой цвет, если
известны три цвета, выбранные как основные. Эти основные излучения, лежащие в основе цветовых измерений, называются основными
стимулами и, согласно 1 закону Грассмана, должны быть линейно
независимы.
Таких триад может быть бесконечное множество, но практически
их число ограничено в связи с требованиями не только линейной
независимости, но и другими условиями, например возможность
легкого и точного воспроизведения, возможность лучшей насыщенности и др.
В области светотехники и близких к ней дисциплин значения величин, методы расчетов, рекомендуемые для всех стран, устанавливает
Международная комиссия по освещению (МКО, CIE).
Система RGB. В 1931 г. на VIII сессии МКО были приняты
три стимула R, G, B, соответствующие цветам трех излучений:
= 700 нм; G = 546,1 нм; B = 435,8 нм. Они удобны тем, что
R
примерно равномерно перекрывают видимый диапазон и примерно совпадают с максимумами чувствительности трех рецепторов человеческого глаза. Кроме того, эти излучения можно было
легко реализовать практически: 700 нм легко выделить красным
108
6.1. Измерение цвета
светофильтром из лампы накаливания (лампа накаливания достаточно эффективно излучает в этом диапазоне), а 546,1 нм и
435,87 нм – линии ртути в газосветных лампах, широко распространенных в то время.
Цветовое уравнение: Ц = r'R + g'G + b'B.
Для выражения количеств или единиц r', g', b' основных стимулов
R, G, B можно пользоваться как энергетическими, так и световыми
величинами. Они определяются из так называемого базисного стимула,
четвертого, обычно ахроматического, который должен получиться при
сложении основных стимулов в равных количествах. Для системы RGB
принят белый равноэнергетический стимул WE. Оказывается, чтобы
получить белый равноэнергетический стимул, необходимо сложить
три стимула с разными яркостями, которые соотносятся как LR/LG/
LB = 1/4,5907/0,0601. Эти величины называются яркостными коэф-
фициентами, т. е.
W
= kL(R)+ kL(G)+ kL(B) = k+4,59k+0,06k. [6.1]
E
Для любого другого цвета условие равенства яркостей двух полей
колориметра будет выглядеть как:
Lц = L(R)r'+L(G)g'+L(B)b', [6.2]
где r', g', b' – количества яркости основных стимулов, называемых
координатами цвета, показывающие какое количество единичных
значений каждой компоненты цвета определяют искомый цвет.
Яркости основных оценивают в яркостных единицах: 680 кд/м2,
3121 кд/м2, 41 кд/м2, или в световых потоках: 680 лм, 3121 лм, 41 лм,
т. е. каждой единице цвета соответствует своя яркость или световой
поток.
Итак, измерить цвет – значит измерить три его координаты r',
g', b'.
Для качественной характеристики цвета – цветности, пользуются
не зависящими от яркости относительными величинами, которые называются координатами цветности, определяемыми как:
r() = r'()/m(), g() = g'()/m(), b() = b'()/m(), [6.3]
где
m() = r'() + g'() + b'(), [6.4]
называется модулем цвета.
109
6.1. Измерение цвета
Рис. 6.1. Ординаты кривых сложения в системе RGB
Уравнение цветности:
Ц = rR + gG + bB. [6.5]
Уравнение цветности дает представление о качестве цвета неза-
висимо от его количества.
Для определения координат цветности излучения по однородному
потоку излучения пользуются удельными координатами цвета.
Под удельной координатой цвета понимают координату цвета,
определенную для одного Ватта однородного потока излучения:
()
r
()
r
;
g
F
e
()
g
F
()
e
()
b
()
, [6.6]
F
e
;
b
где Fe – однородный поток излучения в Вт.
Удельные координаты цвета задаются в виде кривых и называются
ординатами кривых сложения (рис. 6.1). Они затабулированы и приводятся как стандарт для среднестатистического наблюдателя МКО.
Пользуясь данными табулированными значениями, цвет можно не
только измерить, но и рассчитать, если известна спектральная плотность мощности излучения W:
()rWrd
;
110
()gWgd
;
()bWbd
.
[6.7]
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]