3.4 ОКРАСКА МАТЕРИАЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ

Когда источник освещения (или осветитель) известны, то следующий шаг в колориметрии материальных объектов — это характеризация их взаимодей ствия с видимой лучистой энергией, что иллюстрирует второй угол треугольни ка на рис. 3.1. Существует лишь три варианта взаимодействия лучистой энер гии с материальными объектами: поглощение, отражение и пропускание. Та кое взаимодействие подчиняется закону сохранения энергии, то есть сумма по глощенной, отраженной и пропущенной лучистой энергии должна быть равна

89

сумме падающей энергии по каждой из длин волн, согласно уравнению 3.2, где Ф( ) — это поток лучистой энергии, R( ) — отраженный поток, Т( ) — пропу щенный поток и А( ) — поглощенный поток.

Отражение, передача и поглощение — это явления, возникающие при взаи модействии света с веществом. Способности к отражению, пропусканию и по глощению — это измеряемые величины, описывающие данное взаимодейст вие, но поскольку эти величины в сумме всегда должны быть равны падающе му потоку, обычно их измеряют относительно — в процентах от падающего по тока, а не в абсолютных радиометрических величинах. Таким образом, отра жательную способность можно определить как отношение отраженной энер гии к падающей; пропускательную способность — как отношение пропущен ной энергии к падающей; и поглощательную способность — как отношение поглощенной энергии к падающей.

Отметим, что величины отражательной, пропускательной и поглощатель ной способностей — это результат относительных радиометрических измере ний, которые являются предметом спектрофотометрии. Спектрофотометри ческие величины выражают в виде процентов (0–100%) или коэффициентов (0–1.0).

Рис. 3.5 демонстрирует спектральные коэффициенты отражения, пропус кания и поглощения красного полупрозрачного объекта. Отметим, что по скольку эти три величины в сумме дают 100%, то, как правило, нет необходи мости в измерении всех трех, к тому же в нашей сфере интерес представляют

восновном коэффициенты отражения и пропускания.

Ксожалению, для колориметристов взаимодействие лучистой энергии с объектами — это не просто спектральное явление: отражательная или пропус кательная способности объекта — это не только функции от длины волны, но также еще и функции от геометрий освещения и просмотра. Сказанное можно проиллюстрировать явлением глянца: представьте себе матовый, полуглянце вый и глянцевый фотоотпечатки или рисунки — различную степень глянца этих материалов можно отнести на счет геометрического распределения зер кального коэффициента отражения поверхности объекта.

Вот один из примеров влияния геометрических эффектов на восприятие: су ществует множество вариантов покраски автомобилей, дающих различные ин тересные изменения в цвете при изменении освещения и геометрии наблюде ния — «металлик», «жемчуг» и прочие «эффектные» покрытия. Для полного количественного описания этих эффектов строятся т.н. функции двунаправ ленного распределения коэффициента отражения или пропускания (bidirectional reflectance distribution functions — BRDF), которые должны быть получены для каждой возможной комбинации угла освещения, угла обзора

идлины волны. Измерение таких функций невероятно сложно, очень дорого

исоздает огромный массив данных, который, в свою очередь, трудно обработать: поэтому, чтобы избежать переизбытка данных, для колориметрии было опреде

90

Рис. 3.3 Относительные спектральные распределения энергии CIE осветителей D50 и D65.

Рис. 3.4 Относительные спектральные распределения энергии CIE осветителей F2, F8 иF11.

91

Рис. 3.5 Спектральные поглощательная, отражательная и пропускательная способности крас ного полупрозрачного пластиково материала.

лено строго ограниченное количество стандартных вариантов геометрий освеще ния и наблюдения.

CIE;геометрии освещения и наблюдения

В свое время для спектрометрических измерений на отражение CIE опреде лила четыре стандартных вида геометрии освещения и четыре стандартных вида геометрии наблюдения (подробнее см. Публикацию CIE 15.3), которые по зиционированы как две пары оптически обратимых конфигураций:

1.Рассеянный/нормаль (d/0) и нормаль/рассеянный (0/d).

2.45/нормаль (45/0) и нормаль/45 (0/45).

Вначале указывается геометрия освещения, а затем (через слэш) — геомет рия наблюдения.

d/0; и 0/d;геометрии измерения

При d/0 геометрии образец освещен под всеми углами с помощью т.н. фото метрического шара и рассматривается по нормали к поверхности или под уг лом близким к ней.

При 0/d геометрии образец освещен по нормали (или под углом близким к ней), а отраженная энергия собирается со всех углов с помощью фотометриче ского шара.

92

Оба вида геометрии взаимно обратимы и поэтому дают одинаковые резуль таты (при условии, что все прочие инструментальные параметры неизменны).

Отметим, что измерения по описанным вариантам геометрии производятся только на отражение и у многих приборов в той области фотометрического шара, которая отвечает за угол зеркального (прямого) отражения освещения при 0/d геометрии (или же за угол, при котором зеркальное отражение возни кает при d/0 геометрии), установлена специальная черная ловушка, исклю чающая зеркальный компонент отражения, благодаря чему измеряется только диффузный коэффициент отражения. Такие измерения называют «измерения ми с исключенным зеркальным компонентом» (в противоположность измере ниям с «включенным зеркальным компонентом», то есть выполненным без ис пользования черной ловушки).

45/0; и 0/45;геометрии измерения

Вторая пара вариантов геометрии измерения — это 45/нормаль (45/0) и нор маль/45 (0/45).

При 45/0 геометрии образец освещен одним или несколькими источниками света, падающего под углом 45° к нормали, а измерения производятся по нор мали.

При 0/45 геометрии образец освещен по нормали к поверхности, а измере ния проводятся под углом 45° одним или несколькими датчиками.

И вновь геометрии взаимно обратимы и дают одинаковые результаты неза висимо от конструкции приборов. Использование геометрий 45/0 и 0/45 гаран тирует, что все компоненты глянца исключены из измерений, и поэтому дан ные варианты геометрии измерения используются в тех ситуациях, при кото рых требуется сравнение цветовых стимулов, получаемых от поверхностей с разным уровнем глянца (к примеру, в полиграфии и фотографии). Отметим, что при получении колориметрических данных от различных материалов крайне важно обращать внимание на геометрию инструмента.

Определение коэффициента отражения как отношения отраженной энер гии к падающей полностью подходит к измерениям коэффициента полного от ражения (d/0 или 0/d), однако для двунаправленных измерений коэффициен та отражения (45/0 и 0/45) отношение отраженной энергии к упавшей исклю чительно маленькое (так как отраженная энергия регистрируется в малом диа пазоне углов), поэтому для получения значений, пригодных для практическо го использования, при обоих вариантах двунаправленной геометрии измере ния коэффициент отражения рассчитывается относительно идеального отра жающего рассеивателя.

Идеальный отражающий рассеиватель (Perfect Reflecting Diffuser — PRD) — это теоретическая поверхность, которая одновременно является и идеально от ражающей (коэффициент отражения равен 100%), и идеально ламбертовской (энергетическая яркость одинакова по всем направлениям). Поэтому коэффи циент отражения определяется как отношение энергии, отраженной от образ ца, к энергии, которая была бы отражена идеальным отражающим рассеивате лем, освещенным и рассматриваемым при идентичной геометрии.

93