Лекция № 11. Цветовые измерения

Цветовые измерения (колориметрия) – это совокупность методов измерения и количественного выражения цвета. Что же такое цвет? Широко распространено определение цвета как своеобразного ощущения, возникающего в зрительной системе человека. Это определение максимально наглядно, так как каждому человеку его собственные ощущения известны непосредственно. Однако оно бесполезно для оценки и обсуждения цвета, потому что никакими словами эти ощущения нельзя передать другим людям. Поэтому следует выяснить, какие объективные явления и процессы создают ощущение цвета предметов. Светочувствительные рецепторы сетчатки глаза по-разному регируют на свет разного спектрального состава и интенсивности, что позволяет человеку отличать одни излучения от других. В этом смысле цвет есть характеристика спектрального состава излучений с учётом их интенсивности. Названия отдельных цветов могут иногда заменять физические характеристики излучений, например, для монохроматических излучений указание цвета заменяет иногда ориентировочные указания длины волн: жёлтая линия натрия, зелёная линия меди и т.п. Однако цвет не полностью определяет спектральный состав произвольных излучений, так как излучения даже весьма различного состава в некоторых случаях могут быть визуально неразличимы, хотя в других случаях даже малые изменения спектрального состава легко замечаются. В частности, смесь в строго определённых количествах некоторых монохроматических излучений (так называемых дополнительных цветов), например, всего двух цветов с длиной волны λ =560 мкм и λ = 465 мкм, неотличима от «белого» дневного света с непрерывным спектром. Существует множество других пар так называемых метамерных излучений, которые визуально не различимы, несмотря на различие их спектральных составов. Знаменитый физик Э. Шрёдингер определил цвет, как свойство спектрального состава излучения, общее излучениям, которые визуально неразличимы для человека. Это определение цвета как характеристики спектрального состава излучений лежит в основе цветовых измерений.

Наглядные представления о цвете часто отличаются от этого научного определения. В быту визуальную оценку окраски предметов называют цветом предмета и неявно считают его объективным свойством. Но мы видим объекты, как правило, не в их собственном свечении, а благодаря отражению и рассеянию света от постороннего источника (Солнца, рассеянного света неба, от светильников и т.д.). Поэтому состав отраженного предметами света зависит от характера освещения, которое оценивается по наиболее ярким местам поля зрения, по другим предметам, окраска которых известна и т.д. По распределению светлых и тёмных мест в поле зрения (по светотени) определяется объёмная форма предмета и ориентация участков поверхности по отношению к источнику света. Когда известно освещение и форма предмета, его окраску можно довольно точно оценить. На основе этих соображений Гельмгольц пришёл к выводу, что оценить характер освещения и его распределение в пространстве совместно с объёмной формой и окраской предметов удаётся только по всей совокупности того, что мы видим, а не по наблюдению отдельного поля зрения, цвет которого определяют.

Вносимая бессознательно поправка на освещение позволяет в привычной обстановке с большой точностью определять окраску предметов даже при очень различных освещениях. Цвет предмета воспринимается как нечто неизменное даже тогда, когда спектральный состав отражаемого им света меняется весьма существенно. Но если условия освещения для человека непривычны, то суждения его об окраске предметов становятся ошибочными и неуверенными.

Иногда цвет описательным образом обозначают терминами – цветовой тон, насыщенность и светлота. Такое описание важно для ориентировочных наглядных описаний окраски. Цветовой тон и насыщенность можно истолковать как визуальную оценку красящего вещества и его концентрации.

Указанные наглядные представления о цвете предметов являются в основном качественными и субъективными. Тем не менее, они широко используются на практике. Существуют системы классификации цветов – систематизированного их обозначения – в виде цветовых атласов и эталонированных образцов, составленных на основе усреднённых определений цвета и утверждённых Международной комиссией по освещению (МКО). Цветовые атласы и эталонированные образцы обычно непрозрачны и предназначены для рассматривания в отражённом свете, они широко применяются на практике в полиграфии, текстильной промышленности, в строительстве и т.п.

Для характеристики цвета самосветящихся предметов важен относительный спектральный состав излучения. Как и в случае узнавания окраски объектов, которое невозможно проводить независимо от спектрального состава освещающего объекты излучений, человек не может узнать спектральный состав излучения независимо от его яркости и без связи с узнаванием окружающих предметов. И то, и другое достигается только путём сопоставления различных объектов, освещённых тем же источником света, и не всегда удаётся в полной мере. Например, если оператор оценивает цвета двух зрительных полей в приборе для определения цвета (колориметре) как одинаковые независимо от яркости, то во многих случаях эти цвета не имеют одинаковый относительный спектральный состав. Например, жёлтое поле рядом с таким же, но боле ярким полем кажется оливково-зеленоватым. Другими словами, субъективная оценка цвета зависит от яркости. Это явление называется эффектом Бетцольда-Брюкке и наблюдается и в других участках спектра видимого света.

Изучением методов измерения и количественного выражения цвета и цветовых различий занимается наука колориметрия. В колориметрии созданы системы, в которых цвет количественно измеряется и выражается эталонными излучениями, смешиваемыми в определённых пропорциях. Такое объективное выражение цвета воспроизводимыми мерами осуществляется при строго заданных (стандартизованных) условиях наблюдения.

Измерения цвета основаны на законах Грассмана сложения цветов, визуально воспринимаемых глазом. Известны три закона Грассмана:

1) Закон непрерывности. При любом непрерывном изменении излучения цвет его меняется непрерывно. Например, можно поворачивать призму, разлагающую солнечный свет в спектр и наблюдать непрерывное (без скачков) изменение цвета излучения.

2) Закон аддитивности. Цвет суммы двух излучений зависит только от цветов складываемых излучений, но не от их спектрального состава.

3) Закон трёхмерности. Всякие четыре цвета линейно связаны, но существуют, но существуют тройки линейно независимых цветов.

Законы Грассмана указывают также на наличие в сетчатке человека приёмников излучения с тремя линейно независимыми кривыми спектральной чувствительности. В соответствии с третьим законом Грассмана характеристика цвета колориметрии трёхмерная, т.е. цвет количественно выражается тремя взаимосвязанными параметрами. Цвета трёх излучений, которыми выражается цветовой стимул, называются основными цветами. Основными могут быть любые три цвета, каждый из которых не воспроизводится двумя другими. Таких триад цветов, образующих цветовую координатную систему, много. Наиболее широко используется система RGB, состоящая из красного (red, R), зелёного (green, G) и голубого (blue, B) основных цветов. Из смеси этих цветов могут быть получены почти все реально встречающиеся цвета. Цвет S в колориметрии представляют трёхкомпонентным вектором:

По аналогии с определением вектора в трёхмерном пространстве величины r, g и b называются координатами цвета, а R, G и B –единичными векторами цветовой координатной системы.

Международная комиссия по освещению (МКО) в 1931 году стандартизировала цветовую систему с монохроматическими излучениями в качестве основных цветов R (λ = 700 нм), G (λ = 546, 1 нм) и B (λ = 435, 8 нм). Единичные количества основных цветов (R, G и B) выбраны так, что их энергетические яркости относятся соответственно как 72, 1: 1, 4: 1. Если сложить эти единичные количества, то получится ахроматический (т.е. неокрашенный) цвет. В этой системе координаты цвета монохроматических излучений (т.е. координаты r, g и b) показывают, какое количество единиц основных цветов воспроизводит при смешении воспринимаемый цвет.

На рисунке показана схема аддитивного колориметра Дёмкиной

Оптическая схема визуального трёхцветного колориметра системы Л. И. Дёмкиной. Наблюдаемое в окуляр Ок поле зрения разделено (с помощью фотометрического кубика ФК) на две части — одна имеет цвет образца Об, другая — цвет экрана Э, на котором смешиваются основные цвета прибора. Свет от осветителя Ос попадает на экран через диафрагму Д, содержащую три светофильтра (красный К, зелёный З и синий С) и три подвижные заслонки. Изменяя с помощью заслонок площади фильтров, наблюдатель изменяет интенсивности потоков красного, зелёного и синего излучений, добиваясь, чтобы цвет их смеси не отличался от цвета образца. И — лампа осветителя; Л — линза; А — источник, освещающий образец; З1, З2, З3 — зеркала; ДК и Ф — ослабляющие фильтры.

Достоинства визуального колориметра – простота измерений высокая точность определения координат (до 0, 03). Недостаток – субъективная оценка тождества цветов наблюдателем. Кроме того, цвет выражается в системе основных цветов колориметра и для выражения его в международной системе R, G, B необходим перерасчёт. Этим методом также трудно измерять непосредственно цвет предметов. Он удоен лишь для измерения цвета образцов.

Колориметр Доналдсона также относится к аддитивным колориметрам. В нём суммирование опорных цветов происходит в фотометрическом шаре (на рисунке отмечен буквой Ш), в который входят лучи трёх цветов через окно О₁. Диафрагма Д содержит три фильтра - красный К, зелёный З и синий С. Из шара свет выходит через отверстие О₂ и направляется призмой на поле сравнения фотометрического кубика ФК. Свет, отраженный от образца (не пока­занного на схеме), освещает другое поле кубика. На­блюдение ведется через окуляр Ок.

Для цветовых измерений используется также шестицветный колориметр Дональдсона. В нем шесть фильтров: красный, оранжевый, желто-зеленый, зе­леный, сине-зеленый, синий. Применение шести фильтров вместо трех расширяет цветовой охват при­бора.

В субтрактивных колориметрах используются поглощающие фильтры для опорного света. Фильтры имеют вид оптических клиньев, то-есть их поглощение меняется от одного края фильтра к другому линейным образом. Оператор, проводящий измерения цвета, перемещает клинья, вводя их в пучок, освещающий поле сравнения, большую или меньшую толщину каждого из них и добивается цветового равенства полей. Колориметр должен быть отградуирован так, чтобы отсчёты положения клиньев сразу определяли цвет образца или, по крайней мере, давали возможность его рассчитать.

В качестве объективных приборов измерения цвета применяются спектрографы с фотоэлектрической регистрацией. Для выделения нужных спектральных диапазонов служат маски. Маска – это профильная щель, пропускающая нужную часть спектра излучения на фотоприёмник. Существуют также многоканальные установки с интерференционными фильтрами и индивидуальными фотоэлектрическими приёмниками на каждый канал, например, колориметр «Радуга 2Б». В нём используется 26 фильтров с шириной пропускания ~ 13 нм, которые перекрывают диапазон длин волн от 387 нм до 712 нм. Прибор снабжён ЭВМ, которая вычисляет координаты цвета.

Атласы и образцы цвета.

Два цвета можно сравнивать не только с помощью приборов, которые дают координаты цвета, но и непосредственно глазом. Если имеется некоторое количество накрасок, координаты цвета которых известны (были измерены ранее описанными методами), то можно приближённо определить цвет неизвестной окраски, подобрав к ней наиболее близкий образец.

Систематизированный набор образцовых накрасок называют цветовым атласом. Существует много атласов цветов, созданных в ряде стран. Первый атлас цветов создал в начале 20-го века американский художник Альберт Манселл. Он систематизировал цвета по цветовому тону (по-английски hue), насыщенности и светлоте. Физиологи определили, что человек может различать приблизительно 159 цветовых тонов. Число различимых градаций по яркости (это соответствует светлоте тона) составляет около 120. Число градаций чистоты тона (это другое название насыщенности тона) составляет ~ 15. Формально число комбинаций из этих трёх составляющих цвета составляет 150х15х120 = 270000. Но такого количества цветов нет. Видимые глазом цвета изменяются не по одной, а двум или по всем трём составляющим, Например, более светлый цвет обычно становится менее насыщенным и при этом часто изменяет свой цветовой тон. В современных атласах Манселла содержится более 1200 цветов. В 1956 г. в СССР был издан типографским способом атлас цветов Е.Б. Рабкина. Образцы цвета изображены на страницах атласа в виде цветных кругов диаметром 12 мм. В 1966 г. был создан атлас цветов, подготовленный во ВНИИ метрологии им. Д.И. Менделеева, который представляет собой отдельные картонные листы с образцами цветов, вложенные в папку. Каждый лист представляет собой образцы одного цветового тона, отличающиеся по светлоте и чистоте тона. Атлас снабжён необходимыми пояснениями и позволяет идентифицировать цвета по тону и насыщенности. В нём содержится 1000 образцов цвета.