КОЛОРИМЕ́ТРИ́Я
-
Рубрика: Физика
-
-
Скопировать библиографическую ссылку:
КОЛОРИМЕ́ТРИ́Я (цветовые измерения), методы измерения цвета и цветовых различий. Существуют визуальные и фотоэлектрич. методы К. В визуальной К. эквивалентность цветов устанавливается глазом человека, видящего цвет нормально; в фотоэлектрич. К. используются колориметры с фотоэлектрич. приёмниками. В К. созданы стандартизованные шкалы измерения цвета – колориметрич. системы.
Обычно цвет приписывается материальным объектам; напр., говорят «лампа синего света», «красное платье», «бежевая краска», «рыжий кот» и т. п. Однако в действительности излучающие, отражающие и пропускающие свет (электромагнитное излучение) объекты имеют только спектральные характеристики излучения, отражения и пропускания, а цветовое ощущение возникает у человека при восприятии оптич. изображений объектов на сетчатке глаза.
Цвета различаются прежде всего качественно (бессмысленно, напр., утверждать, что красный цвет больше или меньше синего). Поэтому шкалы измерений цвета являются шкалами наименований, упорядоченными по признаку близости (сходства) цветов. Множество всевозможных цветов гораздо больше подмножеств спектральных цветов (соответствующих монохроматич. свету с разл. длинами волн и наблюдаемых в радуге) и ахроматич. цветов (серых, включая белый и чёрный).
Воспринимаемый цвет наблюдаемых объектов зависит от мн. факторов: от спектрального распределения излучения источника света; от яркости источника или освещённости объекта; от формы, размеров объекта, расстояния до него и от зависимости его коэф. отражения (пропускания) от длины волны; от цвета, яркости и размеров фона наблюдения (см. Цветовой контраст), а также от предшествующей зрительной адаптации (см. Цветовая адаптация), психологич. состояния наблюдателя и его устойчивых представлений об определённом цвете объектов. Обычно при описании воспринимаемого цвета используют три субъективные взаимосвязанные характеристики: цветовой тон (оттенок цвета), насыщенность (уровень проявления цветового тона) и светлота (уровень яркости).
Любой цвет можно представить как смесь определённых количеств трёх линейно независимых цветов (каждый из которых не может быть получен смешением двух др. цветов). Таких систем линейно независимых цветов существует много, но для построения колориметрич. шкал используются лишь некоторые, стандартизованные на гос. или междунар. уровне. Три таких стандартных цвета, определяющих цветовую координатную систему, называются основными цветами. В этой системе каждому цвету соответствуют три числа (координаты), являющиеся количествами осн. цветов в смеси, эквивалентной по цвету исследуемому. Цветовая координатная система, состоящая из трёх координат, определяет абстрактное цветовое пространство, в котором каждому цвету соответствует вектор, идущий из начала координат в точку с определёнными координатами. При смешении цветов соответствующие им векторы складываются. Цветовые координатные системы стандартизуются для среднего колориметрич. наблюдателя в определённых неизменных условиях. Индивидуальные особенности цветочувствительности и изменения цветовосприятия при изменении условий наблюдения этими системами не учитываются.
За единичные осн. цвета принимают такие их количества, которые в смеси дают некоторый заданный (опорный, чаще всего белый) цвет. Линии, соединяющие точки единичных осн. цветов, образуют цветовой треугольник, а точки, лежащие в плоскости этого треугольника, определяют качественную характеристику цвета, называемую цветностью. Положение точки цветности в треугольнике определяется любыми двумя (из трёх) координатами цветности, т. к. каждая из них равна частному от деления одной из цветовых координат на сумму всех трёх цветовых координат. Т. о., сумма трёх координат цветности всегда равна единице.
Координаты цветов монохроматич. излучений одинаковой мощности в любой цветовой координатной системе называются ординатами кривых сложения (удельными координатами), а совокупность этих координат определяет три функции сложения цветов. Функции сложения взаимосвязаны с функциями спектральной чувствительности рецепторов сетчатки глаза человека.
Цвет несамосветящихся объектов зависит от условий освещения. Так, напр., одни и те же объекты при освещении лампой накаливания могут быть одинакового цвета, а при дневном свете – разного. Поэтому для однозначного толкования результатов цветовых измерений пользуются источниками, стандартизованными по спектральному распределению излучения. Междунар. комиссия по освещению (МКО) рекомендует следующие стандартные излучения: А, В, С и D65. Источник света А по спектральному распределению излучения соответствует излучению чёрного тела при термодинамич. темп-ре 2856 К. Источник света В имитирует прямое солнечное излучение с коррелированной цветовой темп-рой ок. 4870 К, источник света С – дневной свет с коррелированной цветовой темп-рой ок. 6770 К, источник света D65 – среднюю фазу дневного света с коррелированной цветовой темп-рой 6500 К. В качестве источника А используется газонаполненная лампа накаливания с вольфрамовой нитью, источники В и С – такие же как А, но со спец. светофильтрами.
МКО стандартизовала неск. колориметрич. систем. Первой стандартной колориметрич. системой, принятой МКО в 1931, была система RGB, в которой за осн. цвета взяты красный (red, R), зелёный (green, G) и синий (blue, B). В том же году МКО была принята ещё одна колориметрич. система – система XYZ, полученная искусственно путём пересчёта из цветовых координат RGB таким образом, чтобы в системе XYZ отсутствовали отрицательные координаты. Эта система является осн. колориметрич. системой, используемой и ныне.
В системе XYZ для полей зрения от 1° до 4° координаты цвета Х, Y, Z определяются для источников света формулами: $$X=\int Ф_{e, \lambda} (\lambda) (\bar x) (\lambda) d \lambda, $$
$$ Y=\intФ_{e, \lambda} (\lambda) \bar y (\lambda) d \lambda, $$$$Z=\int Ф_{e, \lambda} (\lambda) \bar z (\lambda) d \lambda; $$для несамосветящихся объектов – формулами:$$X=\int Ф_{e, \lambda} (\lambda) \rho (\lambda) \bar x (\lambda) d \lambda, $$$$Y=\int Ф_{e, \lambda} (\lambda) \rho (\lambda) \bar y (\lambda) d \lambda, $$$$Z=\int Ф_{e, \lambda} (\lambda) \rho (\lambda) \bar z (\lambda) d \lambda. $$
Здесь $Ф_{e, \lambda} (\lambda)$ – спектральная плотность потока излучения, $\rho (\lambda)$ – спектральный коэф. отражения [пропускания $\tau (\lambda)$ для просвечивающих объектов], $\lambda$ – длина волны, $\bar x (\lambda), \bar y (\lambda), \bar z (\lambda)$ – стандартизованные функции сложения цветов (удельные координаты) (рис. 1). В этой системе функция сложения $ \bar y (\lambda)$ совпадает с функцией относительной спектральной световой эффективности монохроматич. излучения для дневного зрения, а координата Y соответствует яркости цвета. Координаты цветности определяются по формулам:
$$x=\frac{X}{X+Y+Z}, y=\frac{Y}{X+Y+Z}, z=\frac{Z}{X+Y+Z}. $$
Координаты цветности не имеют к.-л. количественного смысла, они только указывают положение точки на модельном цветовом графике (рис. 2).
Координаты цвета и цветности измеряются с помощью колориметров, спектрофотометров и спектрорадиометров. Для обеспечения единства измерений в К. существуют нац. эталоны координат цвета и координат цветности, построенные на основе спектроколориметров и наборов эталонных прозрачных мер цвета.
Существует также дополнит. стандартная колориметрич. система МКО 1964 для полей зрения с угловыми размерами более 4°, в которой координаты цвета обозначаются $X_{10}$, $Y_{10}$, $Z_{10}$, стандартизованные функции сложения цветов, полученные для поля зрения 10° – $x_{10}(\lambda)$, $y_{10}(\lambda)$, $z_{10}(\lambda)$, координаты цветности – $x_{10}$, $y_{10}$, $z_{10}$. Эта система рекомендуется в случаях более точной корреляции с визуальным уравниванием по цвету полей с большими угловыми размерами.
Иногда используется более наглядная (для восприятия) колориметрич. система $λ_d, p_c, L$, основанная на представлении цвета как смеси монохроматич. излучения со стандартным ахроматическим. Здесь $λ_d$ – доминирующая длина волны – длина волны монохроматич. излучения (с координатами цветности $x_d, y_d$), смешивание которого в определённых пропорциях со стандартным ахроматич. излучением (с координатами цветности $x_a, y_a$) даёт рассматриваемый цвет (с координатами цветности $x, y$);$$p_c=\frac{y_d (x-x_a)}{y (x_d-x_a)}=\frac{y_d (y-y_a)}{y (y_d-y_a)}$$– колориметрич. чистота цвета, характеризующая долю монохроматич. излучения в смеси с ахроматическим; $L$ – яркость смеси.
Для оценки различий между цветами используется равноконтрастная трёхмерная цветовая шкала. Строго равноконтрастную цветовую шкалу создать невозможно, однако МКО рекомендовала приближённо равноконтрастные системы. Равноконтрастный цветовой график ($u, v$) МКО 1960 образован в прямоугольной системе координат $u, v, $ где$$u=\frac{4x}{-2x+12y+3}=\frac{4X}{X+15Y}, $$$$v=\frac{6y}{-2x+12y+3}=\frac{6Y}{X+15Y+3Z}. $$
На основе этого графика образовано равноконтрастное цветовое пространство МКО 1964 в прямоугольной системе координат $U^*, V^*, W^*$, определяемых соотношениями:$$W^*=25Y^{1/3}-17,\\ U^*=13W^*(u-u_0),\\ V^*=13W^*(v-v_0). $$
Здесь $1⩽Y⩽100, u_0 $ и $v_0 $ – значения для ахроматич. цвета. В этой системе воспринимаемая разница $\Delta E$ между цветами $U_1^*, V_1^*, W_1^*$ и $U_2^*, V_2^*, W_2^*$ определяется соотношением$$\Delta E=[(U_1^*-U_2^*)^2+(V_1^*-V_2^*)^2+(W_1^*-W_2^*)^2]^{½}. $$
Колориметрич. характеристики непрозрачных образцов МКО рекомендует приводить при строго определённых условиях освещения и наблюдения.
Др. равноконтрастной системой, полученной спец. пересчётом из системы $XYZ, $ является система $L^*a^*b^*$ (принята МКО в 1976). В этой системе $L^*$ – светлота, $a^*$ – величина красной – зелёной составляющей, $b^*$ – величина жёлтой – синей составляющей. Система $L^*a^*b^*$ широко используется в математич. расчётах, производимых с помощью компьютеров при работе с цветом.
Источники света обычно характеризуются координатами цветности $x$ и $y$. Однако существует неск. приближённых одномерных шкал оценки цвета источников света, основанных на сравнении с излучением чёрного тела при разл. темп-рах. Темп-ра распределения $T_р$ определяется как темп-ра чёрного тела, при которой ординаты кривой спектрального распределения его энергетич. яркости в видимой области спектра пропорциональны соответствующим ординатам спектрального распределения рассматриваемого излучения. Цветовая темп-ра $T_{цв} $– темп-ра чёрного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излучение. Коррелированная цветовая темп-ра $T_{цв.к}$ определяется на равноконтрастном цветовом графике как точка на линии чёрного тела, ближайшая к точке, представляющей собой цветность рассматриваемого источника света. Эти шкалы условных температур образованы отображениями на шкалу термодинамич. температур. Значения $T_р, T_{цв}, T_{цв.к}$ выражаются в кельвинах, но их шкалы являются всего лишь шкалами порядка, а не отношений (см. Шкалы измерений).
Существуют шкалы цветов, основанные на обозначениях их названиями или др. символами (сочетаниями букв и цифр). Чаще всего для образования таких шкал наименований используются 7 цветов радуги и пурпурный цвет. Комбинации этих и др. названий составляют сотни и даже тысячи наименований цветов (человек может различать до 10 млн. цветов). В таких шкалах цветовое пространство делится на ряд блоков, которые обозначаются в соответствии с общепринятой цветовой терминологией или комбинациями символов (кодом). Так, напр., в системе Евроколор код цвета составляет семизначное число (первые три цифры соответствуют цветовому тону, четвёртая и пятая – светлоте, шестая и седьмая – насыщенности цвета). Общепринятой на мировом уровне системы названий и символич. обозначений цветов нет.
Символич. шкалы цветов реализуют в виде атласов цветов, состоящих из необходимого числа стандартизованных цветных образцов. Специализированный для полиграфии атлас цветов содержит более 1000 образцов цвета. Существует множество спец. цветовых шкал для контроля качества разл. продукции (воды, нефтепродуктов, химич. реактивов и растворов, жирных кислот и др.).
К. применяется для определения цветовых характеристик источников света, сигнальных светофильтров и свечения экранов кинескопов; строит. отделочных материалов, текстильных материалов, воды, зерна, масел и др. В аналитич. химии используются фотометрич. методы количественного анализа (см. Фотометрический анализ), основанные на определении концентрации вещества в окрашенном растворе путём измерения ослабления проходящего сквозь него света.
Измерения цвета широко применяются также в световой и цветовой сигнализации, в частности на транспорте для регулирования движения на дорогах, в навигации. На соответствующие методы цветовых измерений существуют нац. и междунар. стандарты.
