Колірні виміри
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Колірні виміри

Колірні виміри, методи виміру і кількісного вираження кольору. Разом з різними способами математичного опису кольору Ц. і. складають предмет колориметрії. В результаті Ц. і. визначаються 3 числа, т.з. колірні координати (ЦК), що повністю визначають колір (за деяких строго стандартізованних умов його розгляду).

загрузка...

  Основою математичного опису кольору в колориметрії є експериментально встановлений факт, що будь-який колір при дотриманні згаданих умов можна представити у вигляді суміші (суми) певних кількостей 3 лінійно незалежних кольорів, тобто таких кольорів, кожен з яких не може бути представлений у вигляді суми яких-небудь кількостей 2 інших кольорів. Груп (систем) лінійно незалежних кольорів існує нескінченно багато, але в колориметрії використовуються лише деякі з них. Три вибраних лінійно незалежних кольори називають основними кольорами ; вони визначають колірну координатну систему (ЦКС). Тоді 3 числа, що описують даний колір, є кількостями основних кольорів в суміші, колір якої зрітельно невідмітний від даного кольору; це і є ЦК даного кольору.

  Експериментальні результати, які кладуть в основу розробки колориметричної ЦКС, отримують при усереднюванні даних спостережень (у строго визначених умовах) великим числом спостерігачів; тому вони не відображають точно властивостей колірного зору якого-небудь конкретного спостерігача, а відносяться до т.з. середньому стандартному колориметричному спостерігачеві.

  Будучи віднесені до стандартного спостерігача в певних незмінних умовах, стандартні дані змішення кольорів і побудовані на них колориметричними ЦКС описують фактично лише фізичний аспект кольору, не враховуючи зміни цветовоспріятія ока при зміні умов спостереження і по ін. причинам (див. Колір ) .

  Коли ЦК якого-небудь кольору відкладають по 3 взаємно перпендикулярним координатним осям, цей колір геометрично представляється крапкою в тривимірному, т.з. колірному, просторі або ж вектором, почало якого збігається з початком координат, а кінець — із згаданою точкою кольору. Точкова і векторна геометрична трактування кольору рівноцінні і обидві використовуються при описі кольорів. Крапки, що представляють всі реальні кольори, заповнюють деяку область колірного простору. Але математично всі точки простору равноправни, тому можна умовно вважати, що і крапки поза областю реальних кольорів представляють деякі кольори. Таке розширення тлумачення кольору як математичного об'єкту приводить до поняття т.з. нереальних кольорів, які неможливо як-небудь реалізувати практично. Проте з цими кольорами можна виробляти математичні операції так само, як і з реальними кольорами, що виявляється надзвичайно зручним в колориметрії. Співвідношення між основними кольорами в ЦКС вибирають так, що їх кількості, що дають в суміші деякий вихідний колір (найчастіше білий), приймають рівними 1.

  Свого роду «якість» кольору, не залежна від абсолютної величини колірного вектора і називається його колірністю, геометрично зручно характеризувати в двовимірному просторі — на «одиничній» плоскості колірного простору, що проходить через 3 одиничних точки координатних осей (осей основних кольорів). Лінії пересічення одиничної плоскості з координатною плоскістю утворюють на ній рівносторонній трикутник, у вершинах якого знаходяться одиничні значення основних кольорів. Цей трикутник часто називають трикутником Максвелла. Колірність якого-небудь кольору визначається не 3 його ЦК, а співвідношенням між ними, тобто положенням в колірному просторі прямої, проведеної з початку координат через точку даного кольору. Іншими словами, колірність визначається лише напрямом, а не абсолютною велічиной колірного вектора, і, отже, її можна характеризувати положенням точки пересічення цього вектора (або вказаною прямою) з одиничною плоскістю. Замість трикутника Максвелла часто використовують колірний трикутник зручнішої форми — прямокутний і рівнобедрений. Положення точки колірності в нім визначається двома координатами колірності, кожна з яких дорівнює приватному від ділення однієї з ЦК на суму всіх 3 ЦК. Двох координат колірності вистачає, т.к. по визначенню сума її 3 координат рівна 1. Точка колірності вихідного (опорного) кольору, для якої 3 колірні координати рівні між собою (кожна рівна 1 / 3 ), знаходиться в центрі тягаря колірного трикутника.

  Представлення кольору за допомогою ЦКС повинне відображати властивості колірного зору людини. Тому передбачається, що в основі всіх ЦКС лежить т.з. фізіологічна ЦКС. Ця система визначається 3 функціями спектральній чутливості 3 різних видів приймачів світла (т.з. колб), які є в сітківці ока людини і, згідно найбільш споживаній трибарвній теорії колірного зору, відповідальні за людське цветовоспріятіє. Реакції цих 3 приймачів на випромінювання вважаються ЦК у фізіологічній ЦКС, але функції спектральної чутливості ока не удається встановити прямими вимірами. Їх визначають непрямим дорогою і не використовують безпосередньо як основа побудови колориметричних систем.

  Властивості колірного зору враховуються в колориметрії за результатами експериментів із змішенням кольорів. У таких експериментах виконується зорове зрівнювання чистих спектральних кольорів (тобто кольорів, відповідних монохроматичному світлу з різними довжинами хвиль) з сумішами 3 основних кольорів. Обидва кольори спостерігають поруч на 2 половинках фотометричного поля порівняння. Після досягнення зрівнювання вимірюються кількості 3 основних кольорів і їх відношення до тих, що приймаються за 1 кількостям основних кольорів в суміші, що зрівнює вибраний опорний білий колір. Отримані величини будуть ЦК зрівнюваного кольору в ЦКС, визначуваною основними кольорами приладу і вибраним опорним білим кольором. Якщо одиничні кількості червоного, зеленого і синього основних кольорів позначити як (К), (З), (С), а їх кількості в суміші (ЦК) — До, З, З, то результат зрівнювання можна записати у вигляді колірного рівняння: Ц* = До (К) + З (З) + З (С). Описана процедура не дозволяє зрівняти більшість чистих спектральних кольорів з сумішами 3 основних кольорів приладу. У таких випадках деяку кількість одну з основних кольорів (або навіть два) додають до зрівнюваного кольору. Колір отримуваної суміші зрівнюють з сумішшю тих, що залишилися 2 основних кольорів приладу (або з одним). У колірному рівнянні це враховують перенесенням відповідного члена з лівої частини в праву. Так, якщо в полі вимірюваного кольору був доданий червоний колір, то Ц* = — До (К) + З (З) + З (С). При допущенні негативних значень ЦК вже всі спектральні кольори можна виразити через вибрану трійку основних кольорів. При усереднюванні результатів подібної процедури для декількох спостерігачів були отримані значення кількостей 3 певних кольорів, потрібні в сумішах, зрітельно невідмітних від чистих спектральних кольорів, які відповідають монохроматичним випромінюванням однакової інтенсивності. При графічній побудові залежностей кількостей основних кольорів від довжини хвилі виходять функції довжини хвилі, звані кривими складання кольорів або просто кривими складання.

  Криві складання грають в колориметрії велику роль. По ним можна розрахувати кількості основних кольорів, потрібні для здобуття суміші, зрітельно невідмітної від кольору випромінювання складного спектрального складу, тобто ЦК такого кольору в ЦКС, визначуваною даними кривими складання. Для цього колір складного випромінювання представляють у вигляді суми чистих спектральних кольорів, відповідних його монохроматичним складовим (з врахуванням їх інтенсивності). Можливість подібної вистави заснована на одному з дослідно встановлених законів змішення кольорів згідно з яким ЦК кольору суміші дорівнюють сумам відповідних координат змішуваних кольорів. Т. о., криві складання характеризують реакції на випромінювання 3 різних приймачів випромінювання. Очевидно, що функції спектральної чутливості 3 типів приймачів в сітківці ока людини є кривими складаннями у фізіологічній ЦКС. Кожною з нескінченно великого числа можливих ЦКС відповідає своя група з 3 кривих складання, причому всі групи кривих складання зв'язані між собою лінійними співвідношеннями. Отже, криві складання будь-який зі всіх 1 можливих ЦКС можна вважати лінійними комбінаціями (див. Лінійна залежність ) функцій спектральної чутливості 3 типів приймачів людського ока.

  Фактично основою всіх ЦКС є система, криві складання якої були визначені експериментально описаним вище способом. Її основними кольорами є чисті спектральні кольори, відповідні монохроматичним випромінюванням з довжинами хвиль 700,0 (червоний), 546,1 (зелений) і 435,8 нм (синій). Вихідна (опорная) колірність — колірність рівноенергетичного білого кольору Е (тобто кольори випромінювання з рівномірним розподілом інтенсивності по всьому видимому спектру). Криві складання цієї системи, прийнятою Міжнародною комісією з освітлення (МКО) в 1931 і відомою під назву міжнародної колориметричної системи МКО RGB (від англ.(англійський), йому.(німецький) red, rot — червоний, green, grun — зелений, blue, blau — синій, блакитний), показані на мал. 1 .

  Криві складання системи МКО Rgb мають негативні ділянки (негативні кількості основних кольорів) для деяких спектральних кольорів, що незручно при розрахунках. Тому поряд з системою Rgb МКО в 1931 прийняла ін. ЦКС, систему Xyz, в якій були відсутні недоліки системи RGB і яка дала ряд ін. можливостей спрощення розрахунків. Основними кольорами ( X ), ( Y ), ( Z ) системи XYZ є нереальні кольори, вибрані так, що криві складання цієї системи ( мал. 2 ) не мають негативних ділянок, а координата Y рівна яскравості спостережуваного забарвленого об'єкту т.к. кривая складання в збігається з функцією відносною спектральній світловій ефективності стандартного спостерігача МКО для денного зору. На мал. 3 показаний графік цветностей (колірний трикутник) х, в системи XYZ . На нім приведені лінія спектральних цветностей, лінія пурпурних цветностей, колірний трикутник ( R ) ( G ) ( В ) системи МКО Rgb, лінія цветностей випромінювання абсолютно чорного тіла і точки цветностей стандартних джерел освітлення МКО А, В, З і D. Колірність рівноенергетичного білого кольору Е (опорна колірність системи XYZ) знаходиться в центрі тягаря колірного трикутника системи Xyz . Ця система набула загального поширення і широко використовується в колориметрії. Але вона не відображає цветоразлічительних властивостей ока, тобто однакові відстані на графіці цветностей х, в в різних його частинах не відповідають однаковій зоровій відмінності між відповідними кольорами при однаковій яскравості (див. Колірний контраст ) .

  Створити повністю зрітельно однорідний колірний простір до цих пір не удається. В основному це пов'язано з нелінійним характером залежності зорового сприйняття від інтенсивності збудження цветочувствітельних фоторецепторів (приймачів світла в сітківці ока). Запропоновано багато емпіричних формул для підрахунку числа колірних відмінностей (порогів цветоразліченія) між різними кольорами. Більш обмежене завдання — створення зрітельно однорідного графіка цветностей — приблизно вирішена. МКО в 1960 рекомендувала такий графік u, v, отриманий в 1937 Д. Л. Мак-Адамом шляхом видозміни графіка, запропонованого Д. Б. Джаддом (обидва — США) на підставі багаточисельних експериментальних даних. Для підрахунку числа порогів цветоразліченія DE між різними кольорами в даний час (1970-і рр.) по тимчасовій рекомендації МКО використовується емпірична формула Р. Вишецкого:

,

де W = 25 Y 1 / 3 — 17, U = 13 W ( u — u 0 ) , V = 13 W ( v — v 0 ) . тут u 0 , v 0 —цветность опорного білого кольору, Y — коефіцієнт віддзеркалення в даній крапці об'єкту в %.

  Опис, приведений вище, показує, що мета процесу виміру кольору — визначення його ЦК в деякій ЦКС. Найчастіше це — стандартна колориметрична система МКО Xyz .

  Коли колір (при об'єктивних Ц. і. завжди мається на увазі колір забарвленого предмету або джерела світла ) представлений спектральним розподілом випромінювання (що випускається джерелом, або відбитого або пропущеного предметом), то для знаходження його ЦК потрібно використовувати криві складання як функції, що зважують, оцінюють це випромінювання. Така оцінка може виконуватися двома шляхами.

  Перша дорога (т.з. метод спектрофотометрії Ц. і.) полягає у вимірі спектрального розподілу енергії випромінювання і подальшому розрахунку ЦК при перемножуванні знайденої функції спектрального розподілу на 3 функції складання і інтеграції творів. Якщо Е (l) функція спектрального розподілу джерела, r(l) — функція спектрального віддзеркалення або пропускання предмету,,,  — функції складання, то ЦК X, Y, Z визначаються таким чином:

;

;

(інтеграція проводиться в діапазоні довжин хвиль видимого випромінювання — від 380 до 760 нм ) . Практично інтеграцію замінюють підсумовуванням через інтервал Dl (від 5 до 10 нм ) , т.к. подинтегральниє спектральні функції зазвичай незручні для інтеграції:

 і т.д.

  Спектральний розподіл випромінювання і спектральну характеристику віддзеркалення (пропускання) вимірюють, розкладаючи світло в спектр, наприклад в спектрофотометрі або монохроматоре . Криві складання задаються у вигляді таблиць значень питомих координат через 5 або 10 нм. Є також таблиці величин Е (l)  і т.д. для стандартних джерел світла МКО А, В, З, D, що представляють найбільш типові умови природного ( В, З і D ) і штучного ( А ) освітлення.

  Друга дорога Ц. і. на основі кривих складання — це аналіз випромінювання за допомогою 3 приймачів світла, характеристики спектральній чутливості яких збігаються з кривими складання. Кожен такий светоелектрічеський перетворювач виконує дії перемножування 2 спектральних функцій і інтеграції творів, внаслідок чого на його виході електричний сигнал рівний (при відповідному калібруванні приладу) одній з ЦК. Подібні цветоїзмерітельниє прилади називаються фотоелектричними (або об'єктивними) колориметрами. Вони оцінюють результуюче випромінювання, враховуючи як виборче віддзеркалення (або пропускання) несамосвітних предметів, так і освітлення, тобто прилад «бачить» те, що бачить око. Основною трудністю при виготовленні фотоелектричних колориметрів є досить точне «формування» кривих складання, для чого зазвичай підбирають відповідні світлофільтри . Якщо прилад призначений для роботи з кривими складання, ,, те найважче сформувати двогорбу криву  ( мал. 2 ). Зазвичай кожна з її гілок формується окремо; тоді прилад містить 4 канали (світлофільтру). Інколи в колориметрах використовують ін. ЦКС, всі криві складання в якій одногорбі. Один з каналів колориметра одночасно може служити яскравоміром . Часто в таких приладах передбачається розрахунок координат колірності. Максимальна точність Ц. і. фотоелектричними колориметрами по колірності в координатах х, в складає від 0,002 до 0,005.

  Іншою принциповою можливістю Ц. і. є пряме визначення ЦК.

  Природно, що це можливо не завжди, т.к. в загальному випадку колірні відчуття збуджує світлове випромінювання довільного спектрального складу, а ЦК фізично не існує. Прямий вимір ЦК можливий в трибарвних аддитивних пристроях створення кольору, використовуваних, наприклад, для відтворення кольорових зображень. Основні кольори такого пристрою визначають ЦКС, і їх кількості в суміші, що дає деякий колір, і є ЦК цього кольору в ЦКС пристрою. Приклад такого пристрою — трибарвний кінескоп, в якому роздільне управління свіченнями 3 люмінофорів забезпечує здобуття всієї безлічі кольорів, колірності яких поміщені в межах колірного трикутника, визначуваного основними кольорами кінескопа (цветностямі свічень люмінофорів, див.(дивися) Кольорове телебачення ) . Для безпосереднього виміру кількостей 3 основних кольорів в кольорі суміші, відтворному на екрані кінескопа, тобто ЦК в ЦКС кінескопа, можна використовувати фотоелектричний приймач випромінювання з довільною спектральною чутливістю, аби вона не виходила за межі видимого спектру. Вимірювальним приладом, підключеним до такого приймача, досить почерговий заміряти інтенсивності свічення окремих люмінофорів кінескопа. (При вимірі інтенсивності свічення червоного люмінофора «відключаються» промені, збуджуючі зелений і синій кольори, і т.д.) Калібрування подібного приладу полягає в знятті його свідчень при почерговому вимірі інтенсивностей свічення 3 люмінофорів після установки на екрані опорного білого кольору, тобто кольори з опорною колірністю ЦКС кінескопа і максимальною яскравістю. Надалі при вимірах різних кольорів свідчення приладу діляться на свідчення для відповідних основних кольорів при опорному білому кольорі. Результати такого ділення і будуть ЦК в ЦКС кінескопа. Опорний білий колір при калібруванні встановлюється як можна точніше за допомогою ін. приладів (спектрофотометра, фотоелектричного колориметра) або візуально по спеціальному еталону білого кольору. Точність установки опорного білого кольору при калібруванні визначає точність подальших Ц. і. Набути значень ЦК в ін. ЦКС (наприклад, міжнародних) можна, перерахувавши показання приладу по формулах перетворення ЦК. Для виведення перелічувальних формул потрібно знати координати колірності опорного білого кольору і основних кольорів даного кінескопа, які вимірюють яким-небудь ін. методом. Велика перевага такого безпосереднього виміру ЦК в порівнянні з Ц. і. за допомогою фотоелектричного колориметра полягає у відсутності необхідності формувати певні криві спектральної чутливості фотоприймача. Ц. і. за описаним способом можна виконувати і по повному кольору свічення екрану без відключення променів, збуджуючих окремі люмінофори. В цьому випадку в приладі мають бути 3 світлофільтри з довільними, але такими, що розрізняються спектральними характеристиками. У такому приладі кожен відлік є сумою 3 відліків одинфільтрового приладу для всіх 3 окремих кольорових свічень. Щоб набути значень ЦК 3 відлікам трьохфільтрового приладу, використовують перелічувальну матрицю, елементи якої визначаються при калібруванні приладу. Калібрування полягає в почергових вимірах кожним з каналів приладу кожного з кольорових свічень люмінофорів окремо після установки на екрані опорного білого кольору. Вказаний перерахунок, а також перехід від ЦК в ЦКС кінескопа до міжнародної ЦКС в приладі описуваного типа може вироблятися автоматично, за допомогою спеціальний вбудованої електричної схеми. Т. о. можна отримувати відліки прямо в ЦКС кінескопа або в міжнародній ЦКС.

  ЦК визначають також при Ц. і. візуальними колориметрами. Спостерігач, регулюючи кількості 3 основних кольорів такого приладу, добивається зорової тотожності кольору суміші цих кольорів і вимірюваного кольору. Потім замість останнього вимірюють колір суміші. А її ЦК є просто кількості основних кольорів колориметра, віднесені до кількостей цих же кольорів, що входять в суміш, яка дає опорний білий колір ЦКС колориметра. Виміряти кількості основних кольорів у візуальному колориметрі ще легше, ніж в кольоровому кінескопі. Досить прочитати свідчення 3 шкал, отградуїрованних по розкриттю щілин, проникних світлові потоки відповідних кольорів до поля порівняння. Т. о., при використанні візуальних колориметрів вимірюється не безпосередньо колір зразка, а його метамер — колір суміші трьох основних кольорів колориметра. Процес зорового зрівнювання двох кольорів служить при цьому для здобуття такого метамера кольору зразка, ЦК якого можна легко виміряти. Гідністю візуального колориметрування є висока точність Ц. і. Недоліком — те, що отримувані результати дійсні для конкретного (що виконує зорове зрівнювання двох кольорів), а не для стандартного спостерігача. Крім того, цим методом важко вимірювати кольори не окремих зразків, а предметів.

  Принцип зорового порівняння вимірюваного кольору з кольором, ЦК якого відомі або можуть бути легко виміряні, використовується також при Ц. і. з допомогою колірних атласів. Останні є наборами кольорових зразків у вигляді забарвлених паперів, які систематизовані в певному порядку. При порівнянні з вимірюваним кольором підбирається зразок з атласу, найбільш близький до йому. Виміряний колір отримує найменування цього зразка відповідно до прийнятої в даному атласі системи позначень. Для вираження його в міжнародній ЦКС всі зразки атласу заздалегідь вимірюються в цій системі при певному освітленні. Вимірювані кольори бажано спостерігати при тому ж освітленні. Колірні атласи дозволяють вимірювати кольори предметів, а не лише спеціальних зразків, але дискретність набору кольорів в атласі знижує точність вимірів, яка додатково знижується через те, що умови зорового порівняння тут гірше, ніж при візуальному колориметруванні. У СРСР використовують колірні атласи Рабкина і ВНІЇМ, в США широкого поширення набули виміри по атласу Манселла (Мензелла). Ц. і. за допомогою колірних атласів є приблизними і можуть з успіхом вироблятися там, де велика точність не потрібна або де незручно застосовувати ін. методи.

  Вираження кольору в певній ЦКС, тобто при завданні його ЦК (або яскравості і координат колірності), універсально і найбільш споживано. Але прибігають і до ін. способам кількісного вираження кольору. Прикладом може служити тільки що описане вираження кольору в системі якого-небудь колірного атласу. Ще один такий спосіб — вираження кольору через його яскравість, переважаючу довжину хвилі і колориметричну чистоту кольору. (Останні два параметри характеризують колірність.) Гідність цього способу полягає в близькій відповідності 3 перерахованих параметрів кольору звичним суб'єктивним його характеристикам (див. Колір ) відповідно светлоте, колірному тону і насиченості.

  Було б дуже зручно характеризувати колірність одним числом. Але її двовимірна вимагає для її вираження в загальному випадку двох чисел. Лише для деяких совокупностей цветностей (ліній на графіці цветностей) можна використовувати одновимірне вираження. Перша така сукупність — чисті спектральні кольори і чисті пурпурні кольори, колірності яких визначаються значеннями переважаючої довжини хвилі. Другою сукупністю, для якої можливо одновимірне вираження, є колірності випромінювання абсолютно чорного тіла, використовувані для характеристики джерел освітлення з цветностямі свічення, близькими до колірності білого кольору. Величина, що визначає положення крапки на лінії цветностей випромінювання чорного тіла (і колірності згаданих джерел), — колірна температура, тобто температура в градусах Кельвіна абсолютно чорного тіла, при якій воно має дану колірність.

  Літ.: Гуревіч М. М., Колір і його вимір, М. — Л., 1950; Кривошиїв М. І., Кустарев А. До., Світлові виміри в телебаченні, М., 1973; Нюберг Н. Д., Вимір кольору і колірні стандарти, М., 1933; Wright W. D., The measurement of colour, 3 ed., L., 1964; Wyszecky G., Stiles W. S., Color science, N. Y., 1967.

  А. До. Кустарев.

Мал. 3. Графік цветностей для x, в системи XYZ і колірний трикутник системи RGB (R — червоний, G — зелений, B — синій).

Мал. 2. Криві складання для ЦКС  МКО  XYZ.

Мал. 1. Криві складання для ЦКС  МКО  RGB.