Вимірювання кольору в заданих основних Чч, Зз, Сс.

Мета роботи: ознайомитися з принципами вимірювання кольору і перерахування кольорових координат. Отримати уявлення про графік колірності.

Теоретичні відомості

Завдання вимірювання кольору ставляться як наукою, так і технікою. Наука, розкриваючи зв'язки між явищами, перш за все розглядає кількісні співвідношення, які визначаються шляхом вимірювання.

Техніка (поліграфія, телебачення, кінематографія, текстильна промисловість та інші) займається відтворенням кольору. Її працівникам потрібно знати характеристики кольорів об'єкта і репродукції, щоб оцінити якість передачі кольору. А це значить, що практикам неможливо обійтися без кольорових вимірювань, без точного описання кольору. За результатами вимірювання колір можна отримати, не маючи зразка, порівняти з іншим, визначити точність відтворення. Всі ці питання розглядає колориметрія або метрологія кольору.

В загальному випадку, виміряти колір – означає визначити його кольорові координати в тій чи іншій системі основних кольорів. Відомо, що колір можна відтворити різними тріадами основних. Для того, щоб колір виражався однозначно, необхідно було тріади основних стандартизувати. В якості стандартних вибрали дві тріади основних. Одна називається тріадою RGВ, друга - ХУZ. Тоді, коли створювались колориметричні системи, лазер ще не був винайдений і найбільш стандартними вважались випромінювання газосвітних ламп, із яких легко виділяти монохроматичні довжини хвиль. У 1931 р. на сесії Міжнародного освітлювального комітету (МОК) як основні були прийняті кольори наступних випромінювань: червоне l_R = 700 нм, зелене l_G = 546,1 нм, синє l_B = 435,8 нм. Друга тріада складена із уявних випромінювань, кольори яких позначені буквами ХУZ. Принцип прямого визначення координат ХУZ був реалізований тільки після винайдення фотоелектричних колориметрів, а до цього їх визначали шляхом перерахунку з безпосередньо виміряних координат RGВ.

Існує три методи вимірювання і числового описання кольору:

1) синтез кольору, тотожного виміряному і визначенню його кольорових координат;

2) вимірювання психофізичних характеристик (чистоти Р, домінуючої довжини хвилі l і яскравості В) кольору монохроматичного випромінювання, яке зорово не відрізняється від вимірюваного;

3) знаходження тотожного кольору, в попередньо складеній системі еталонних кольорів (наприклад, в атласі кольорових зразків).

Розглянемо коротко перший і другий методи, третій буде описаний у роботі № 6.

Вимірювання за принципом синтезу

Вивчаючи змішування кольорів, ми впевнились, що змішуючи адитивно або субтрактивно три кольори, які називають основними, можна отримати заданий колір. Синтезувавши колір, легко знайти його координати. Якщо при цьому він тотожний виміряному, то координати вимірюваного кольору рівні з координатами синтезованого. Принцип вимірювання полягає в наступному (рис. 1).

Рис. 1. Вимірювання кольору за принципом синтезу

Дві грані білої призми, які спостерігаються через окуляр, утворюють фотометричне поле, що дозволяє порівнювати кольори та інтенсивності падаючих на призму світлових пучків. На одну половину поля направляють випромінювання, колір якого вимірюють (на рисунку це нижня частина призми), а на другу – основні. Регулюючи їх кількість (наприклад, за допомогою діафрагми або строго нейтральних оптичних клинів), досягають тотожності кольорів. Знаючи характеристики поглинаючих пристроїв (діафрагм, клинів), легко знайти кількість основних, тобто координати кольору. Знаючи координати кольору, можна визначити його тон, насиченість і яскравість, а також описати його рівнянням у вигляді:

К = ч'Ч + з'З + с'С,

або в системі RGВ

К = r'R + g'G + b'B. (1)

Вимірювання кольору за характеристиками В, l, Р. Принцип вимірювання базується на тому, що спектр містить всі кольори природи, крім пурпурних. Тому до будь-якого світлового пучка, за винятком пурпурного, можна підібрати тотожний за кольором монохроматичний. Схема вимірювання за цим принципом показана на рис. 2. Колір, який потрібно виміряти, порівнюють з кольором монохроматичних випромінювань М, які виділяються щілиною Щ з спектра Сп. Оскільки вимірюваний і монохроматичний пучки розрізняються за насиченістю, то на еталонну грань призми направляють ще і біле випромінювання. Змінюючи довжину хвилі переміщенням щілини і яскравість білого переміщенням клина, досягають тотожність кольорів двох половин поля.

Рис. 2. Вимірювання кольору за В, l, Р

Знаючи довжину хвилі монохроматичного спектрального випромінювання, його кількість, а також кількість білого, знаходять характеристики кольору.

Яскравість В визначається кількісними величинами випромінювань, направлених на еталонну грань призми і вираховується у відповідності з її фізичним змістом, тобто: B = I/(Q * cosα), де І – сила світла з одиниці поверхні (Q) під кутом a; Q – площа поверхні.

Довжина хвилі l монохроматичного спектрального випромінювання, тотожного за кольоровим тоном кольору, який вимірюють, називається домінуючою або визначаючою довжиною хвилі і вона характеризує кольоровий тон.

Чистота кольору (колориметрична чистота) дає уявлення про насиченість даного кольору в порівнянні з монохроматичним випромінюванням того ж кольорового тону і визначається за формулою P = B/(B+B_Б)

де В – яскравість монохроматичного; В_Б – яскравість білого.

Кількісні характеристики кольорів тріади. Кількісні величини основних кольорів підбирають таким чином, щоб при змішуванні вони давали білий колір. Експериментальним шляхом було встановлено, що суміш основних дає білий колір при яскравості червоного – 1 кд·м^-2; зеленого – 4,6 кд·м^-2, синього – 0,06 кд·м^-2. Ці кількості основних називаються коефіцієнтами яскравості і позначаються відповідно L_R, L_G, L_B. Для зручності переходу до енергетичних величин за одиниці кількості основних прийняті не коефіцієнти яскравості, а одиниці яскравості, які більші від коефіцієнтів у 680 разів і записуються так:

В_R = 680 кд·м^-2; В_G = 3121 кд·м^-2; В_В =41 кд·м^-2.

Оскільки яскравості пропорційні світловим потокам, то кількості основних у люменах мають значення:

F_R = 680 лм: F_G = 312І лм; F_B = 41 лм.

Кольорові рівняння, в яких основні виражені в одиницях яскравості (або в одиницях світлових потоків), записуються інакше ніж рівняння типу (1). Вони мають вигляд:

К = r'В_R +g’В_G + b'В_B; K = r'F_R + g’F_B + b’F_B. (2)

Колір можна виразити і в енергетичних одиницях, враховуючи зв’язок між світловими та енергетичними величинами

F_l= k×V_l×Ф_l,

де k – світловий еквівалент променистої енергії; k = 680 лм/Вт.

Враховуючи, що потужність основних (тобто променеві потоки, які переносяться ними) в колориметрії позначаються як R,G,В, запишемо:

R=F_R/(kV_R); G=F_G/(kV_G); B=F_B/(kV_B).

Підставляючи відповідні значення F_l і враховуючи, що V_R = V₇₀₀ = 0,0041; V_G=V_546,1 = 0,98; V_B = V_435,8 = 0,018, отримаємо R = L_R/V_R = 1/0,0041 = 243 Вт; G= L_G/V_G =4,6/0,98 = 4,66 Вт, B = L_B/V_B = 0,06/0,018 = 3,38 Вт.

Всі наведені вище міркування належать до вимірювання кольору випромінювання джерела. Тіла, що відбивають світло, не мають постійної яскравості і підхід до їх оцінки інший.

Перехід від однієї системи основних кольорів до іншої. Нехай колір зразка виміряний у деякій системі, наприклад Чс, Зс, Сс (перша система). Можна, не заміряючи його повторно, розрахувати кольорові координати в другій (новій) системі, наприклад RGB. Для цього необхідно визначити координати основних кольорів першої системи в другій. В роботі це означає, що кольори світлофільтрів Чс, Зс, Сс повинні бути виміряні на відповідному колориметрі в координатах r’, g’, b’.

Нехай вимірювання дало такі результати:

Це означає, що основні ЧЗС описуються в системі RGB наступними кольоровими рівняннями:

; ; . (3)

Замінивши в рівнянні кольору К = ч'Ч + з'З + с'С кольори ЧЗС їх значеннями з формули (3.3) і звівши подібні члени, отримаємо:

. (4)

Порівнюючи рівняння (1) і (4) бачимо, що кольорові координати кольору К в системі RGB визначаються таким чином:

Отже, кольорові координати деякого кольору в новій системі дорівнюють сумі координат цього ж кольору в старій системі, при тому кожна з них помножена на координати старих основних, визначених у новій системі.

Визначення колірності в декартових координатах. Поділивши кожну із кольорових координат на їх суму, отримаємо відносне значення кольорових координат, яке називається координатами колірності. Вони мають такі самі позначення, але без штрихового індексу. Наприклад, у системі RGВ:

r = r΄/(r΄ + g΄ + b΄); g = g΄/(r΄ + g΄ + b΄); b = b΄/(r΄ + g΄ + b΄). (5)

Сума координат колірності дорівнює одиниці. Рівняння з відносними координатами кольору називається рівнянням колірності: K = rR +gG+bB. (6)

Рівняння (6) відображає тільки одну властивість кольору – його колірність, а яскравість в цьому випадку залишається постійною (сума координат завжди дорівнює одиниці). Колірність можна відобразити у вигляді точки на діаграмі колірності в тій чи іншій системі координат.

Діаграма колірності (кольоровий графік) включає в себе систему координат r, g, b, в якій можна відкладати дві перші координати колірності; локус замкнутий лінією пурпурних кольорів і "білу точку". Оскільки сума координат колірності дорівнює одиниці, то знаючи дві з них, можна визначити третю (b = 1 - (r+g)). Локусом називається лінія, яка з'єднує точки колірності монохроматичних спектральних кольорів потужністю 1 Вт. "Біла точка" (позначена буквою Б) відображає колірність білого кольору і має координати (0,33; 0,33). Використовуючи діаграму колірності RGВ, можна відобразити колірність через домінуючу довжину хвилі і чистоту кольору.

Кольоровий тон можна визначити наступним чином. Візьмемо довільну точку К (рис. 3), яка має координати, наприклад (0,18;0,60). З'єднуємо її з "білою точкою" і продовжуємо лінію до перетину з локусом. Точка перетину (К _l =550 нм) відповідає довжині хвилі спектрального випромінювання, яке має такий же кольоровий тон, що і колір К, тобто домінуючої довжини хвилі.

У випадку пурпурних кольорів, яких немає в спектрі, а значить і на локусі, поступають наступним чином. Візьмемо близько лінії пурпурних кольорів точку П, з'єднаємо з точкою Б і продовжимо пряму до штрихової лінії пурпурних. Знайдемо таким чином колір, який тотожний за тоном кольору П, але максимальної насиченості.

Рис.3 Діаграма колірності RGВ

Потім продовжуємо пряму БП, але вже в бік локусу. Точка, перетину вказує довжину хвилі l = 500 нм. Це колір додатковий до П. Його довжина хвилі взята зі знаком "штрих" і позначається точкою П' на лінії пурпурних. В нашому випадку λ΄_п= 500 нм.

Чистота кольору – це об'єктивна характеристика насиченості кольору. Графічно її можна знайти із співвідношення відрізків Р=ВК/БК^' (рис. 3). Для пурпурних кольорів відповідно: Р=БП/БП'.

Методика і прилади

Для виконання даної роботи використовують таке ж устаткування, як і в лабораторній роботі №1, але з деякими доповненнями.

На одну частину екрана направляють випромінювання, яке проходить через світлофільтр, колір якого необхідно виміряти, а на другій частині екрана за допомогою трьох основних Чс, Зс, Сс синтезують колір, зорово тотожний до вимірюваного.

Порядок виконання роботи

1. Синтезувати за допомогою трьох основних Чч, Зз, Сс білий колір. Записати значення напруг на автотрансформаторі і прийняти їх за одиницю для кожного випромінювання.

2. На одну частину екрана направити випромінювання кольору, який заміряють, а на другій частині екрана за допомогою трьох основних Чч, Зз, Сс, синтезувати тотожний колір. Визначити координати кольору і скласти кольорове рівняння в системі Чч, Зз, Сс.

3. Знаючи координати основних кольорів ч_ч, з_з, с_с с у системі RGВ (дає викладач), перерахувати координати ч', з', с' у координати r', g', b'. Скласти рівняння кольору зразка в системі RGВ.

4. Визначити координати колірності зразка, який вимірюємо, в системі RGВ і знайти розташування точки колірності на діаграмі колірності RGВ.

5. Визначити домінуючу довжину хвилі (l) монохроматичного опромінювання, а також чистоту (Р) кольору зразка.

Зміст звіту

1. Експериментальне завдання і вихідні дані.

2. Схема досліду і його короткий опис.

3. Математичні розрахунки для визначення ч', з’, с'; r’, g’; b', r, g, b; l, P.

4. Результати вимірювань у вигляді колірних рівнянь і колірних графіків.

Дата добавления: 2015-12-08