Цвет для жизни
Свет, цвет и зрительная система
Источники света и углы обзора (наблюдения)
В основе всякого полиграфического воспроизведения или репродуцирования того или иного сюжета лежит взаимодействие зрителя и запечатываемого материала. При этом не важно, получена ли распечатка на черно-белом струйном принтере или изображение воспроизведено восемью цветами на флексографской машине.
Проблематика использования цвета в полиграфической промышленности охватывает разнообразные вопросы, некоторые из которых до сих пор остаются без ответа. К таким вопросам можно отнести воспроизведение и контроль цвета, подбор и изготовление окрашивающих веществ, цветовые допуски, зависимость восприятия цвета от источников освещения, колориметрию специальных материалов, таких как флуоресцентные, металлизированные краски, и т.д. Проблемами воспроизведения и контроля цвета в разных странах занимаются организации по стандартизации и научно-исследовательские институты. Кроме того, в каждой серьезной компании (не только из полиграфической отрасли, но и, например, из текстильной или автомобильной) существуют лаборатории, ведущие собственные исследования, разрабатывающие и апробирующие на практике свои ноу-хау.
Использование в трудовой деятельности компьютеров избавило людей от выполнения рутинных вычислительных операций при моделировании различных процессов, в том числе и колориметрических. Однако не стоит забывать, что от создания какой-либо модели на компьютере до ее реального воплощения «дистанция огромного размера», преодолеть которую можно лишь хорошо понимая физическую сущность явлений. Поэтому, прежде чем перейти к описанию систем для измерения и контроля цвета, рассмотрим основы теории цвета.
Свет, цвет и зрительная система
Светом, или световым излучением, называют лучистую энергию, которая воздействует на глаз, вызывая ощущение цвета разноокрашенных и разноосвещенных предметов. Свет распространяется по прямым линиям — лучам, а всевозможные световые излучения принято подразделять на сложные и простые — монохроматические.
Простейший пример преломления солнечных лучей в верхних слоях атмосферы вызывает известное всем природное явление — радугу. При этом мы видим непрерывно изменяющиеся цвета: сине-фиолетовый, сине-зеленый, зеленый, желтый, оранжевый, красный, которые свидетельствуют о том, что свет состоит из ряда простейших монохроматических излучений, которые, в свою очередь, характеризуются длиной и энергией (амплитудой) волны (рис. 1).
От длины волны монохроматического излучения, измеряющейся в нанометрах (нм), зависит качественная характеристика цвета: цветовой тон и насыщенность, а от энергии колебания — количественная сторона зрительного восприятия цвета – его светлота. Это означает, что два излучения сложного состава, состоящие из одних и тех же монохроматических излучений с равными амплитудами, будут иметь одинаковый цвет.
Видимая (различимая человеческим глазом) часть спектра состоит из волн в диапазоне 380-720 нм и является лишь малой частью огромного спектра электромагнитных волн, «окружающих» человека (рис. 2).
Следует отметить, что в спектре солнечного света отчетливо видны три зоны: синяя, зеленая и красная. Переход от синего цвета к зеленому занимает очень небольшой промежуток в спектральной полосе, так же как и переход от зеленого к красному. Поэтому можно сказать, что видимый спектр состоит из соответствующих трех зон. В таблице представлены спектральные цвета монохроматических излучений с различной длиной волны. Излучения, которые при прохождении через преломляющую среду отклоняются от первоначального направления в наибольшей мере, являются длинноволновыми и имеют красный цвет, коротковолновые — синий цвет.
Из многих теорий цветового зрения наиболее распространена трехцветная, согласно которой все многообразие видимых человеком цветов обусловлено возникновением в сетчатке глаза нервных возбуждений трех типов. Сетчатка человеческого глаза покрыта светочувствительными клетками — палочками и колбочками, которые преобразуют свет в сигналы, передающиеся в мозг. Все возникающие в глазу возбуждения — это результат изменения мощности попадающих на сетчатку синих, зеленых и красных излучений. Каждое из трех возбуждений может изменяться только количественно, как почернения на фотопленке, снятой через синий, зеленый или красный светофильтр.
Возбуждения, создающие ощущение изменения синего, зеленого и красного цветов, возникают по этой теории в нервных центрах трех типов, которые связаны с колбочками глаза. Экспериментально удалось определить реакцию трех нервных центров на монохроматическое излучение различной длины волны, то есть их спектральную чувствительность. Трехцветная теория зрения позволяет объяснить возникновение ощущений цветового тона, светлоты и насыщенности. Кривые спектральной чувствительности нервных центров трех типов используются при выборе зональных светофильтров для репродукционных процессов и красок для печати.
Кроме колбочкового аппарата, в регистрации информации принимает участие еще один светочувствительный элемент — палочки. Они реагируют на крайне малые количества лучистой энергии и ответственны за способность человека видеть при лунном цвете и в темноте. Чувствительность палочек максимальна при длине волны падающего света 510 нм (зеленый участок видимого света). Палочки обеспечивают только ахроматическое, или нейтральное в цветовом отношении, восприятие белого, серого и черного цветов. Более того, палочки не имеют непосредственной связи с мозгом и объединяются в группы, что, с одной стороны, повышает их чувствительность, а с другой— препятствует различению мелких деталей. Этим и объясняется бесцветность и нечеткость сумеречного зрения.
Другими словами, колбочковый аппарат регистрирует излучения различных длин волн, а палочковый фиксирует различную их амплитуду. Последние исследования доказывают, что пигменты палочек и трех типов колбочек обладают перекрывающимися спектрами поглощения в различных областях.
Не все части сетчатки устроены одинаково, поэтому не все детали изображения воспринимаются одинаково хорошо. Светочувствительные элементы располагаются по сетчатке неравномерно: в одних частях сетчатки преобладают палочки, в других — колбочки. В центре сетчатки расположено так называемое желтое пятно, плотно покрытое только одними колбочками. Чем дальше от центра, тем колбочек меньше, но появляются палочки. За пределами желтого пятна колбочки почти отсутствуют, на краях сетчатки уменьшается и количество палочек.
Когда человек смотрит внимательно на какой-либо предмет, глаз сам поворачивается так, что изображение этого предмета падает на желтое пятно. Желтое пятно — место наиболее отчетливого и цветового зрения. Именно по этой причине наиболее резко и с наибольшими цветовыми контрастами человек видит детали, на которые внимательно смотрит. Чем дальше предметы от внимательно рассматриваемых деталей, тем менее резкими и более бесцветными видит их человек.
Следует отметить еще одно свойство человеческого глаза — его непрерывное движение. Эти колебания очень быстрые, краткие и потому незаметные. Но они играют очень важную роль в зрительном восприятии: благодаря этим колебаниям на одни и те же места сетчатки попадают изображения расположенных рядом мелких деталей. При этом глаз суммирует кратковременные изменения излучений, падающих на одни и те же участки сетчатки. Поэтому человек, например, не различает в цветной репродукции цвета мелких разноокрашенных растровых элементов, а видит единый, «суммарный» цвет.
Восприятие цвета зависит от спектральных характеристик его источника и изменения излучения в зависимости от коэффициента отражения предмета. Полученный в результате отражения от предмета световой поток попадает в глаз и вызывает соответствующие сигналы. Таким образом, воспринимаемый цвет зависит от спектрального распределения энергии источника света, коэффициента отражения предмета и спектральной чувствительности глаза. Международная комиссия по освещению Commission Internationale de l’Eclairage (CIE) определила цвет с помощью математических формул, используя координаты цвета X, Y, Z.
Среди цветов особое место занимают бесцветные, или как их принято называть, ахроматические цвета. К ахроматическим относятся белый цвет и все оттенки серого — от светлых до самых темных. Под серым, или нейтрально-серым, понимаются только такие оттенки серого, в которых совершенно отсутствует какой-либо цветной оттенок. Строго ахроматические серые цвета можно наблюдать при падении на чистую белую поверхность более или менее густой тени.
В противоположность ахроматическим цветам все остальные цвета будут более или менее цветными — хроматическими. Цвета с сильно выраженным цветовым тоном называются насыщенными.
Цветовой тон, насыщенность и светлота называются показателями, или характеристиками, цвета. Вследствие того что эти характеристики используются для описания зрительных ощущений, нередко их называют субъективными характеристиками цвета— в отличие от объективных, определяемых при помощи измерительных приборов. Для полного и точного описания цвета нужны все три показателя. Если два цвета различаются хотя бы по одному из них, тоэти цвета следует считать различными.
Вместе с тем не всегда для описания цвета используются все три его характеристики. Во многих случаях бывает достаточно двух показателей: цветового тона и насыщенности. Напомним, что они дают качественную характеристику цвета, а светлота — количественную. Такое разделение показателей цвета на две категории обусловлено тем, что светлота взаимосвязана с общим количеством света, отражаемого тем или иным предметом, или с его освещенностью. Цветовой тон, напротив, используется для описания различий в окраске предметов. Именно по этой причине цвета, различающиеся только по светлоте, названы ахроматическими, а цвета различного цветового тона или насыщенности — хроматическими.
Цветовой тон и насыщенность характеризуют цветность разноокрашенных предметов. Для несветящихся предметов насыщенность цвета в значительной мере определяет светлоту окрашенной поверхности. Именно по этой причине во многих случаях бывает достаточно для характеристики цвета использовать только показатели цветности.
Однако в некоторых случаях характеризовать цвета только их цветностью недостаточно. Например, оранжевые и некоторые коричневые цвета носят одинаковую цветность. Но они настолько различны по светлоте, что имеют разные названия. Помимо показателей цветности и светлоты для описания цветов применяются и другие субъективные характеристики. Например, различают выступающие и отступающие цвета, разбеленные, блеклые, зачерненные и т.д.
Поскольку человеческая память распознает определенный ряд цветов, за ними закрепляются свои названия. Однако подобные комбинации специфичны для каждого человека. Поэтому появилась необходимость разработки методик объективных количественных оценок характеристик цвета и цветовых различий, которые получили название колориметрических методов. Их условно можно разделить на два типа:
• методы, в которых цвета предметов сопоставляют с цветовым эталоном образцов и обозначают условными номерами и/или буквенными обозначениями, принятыми для этой системы образцов;
• методы, основанные на трехцветной теории зрения.
Цветовые эталонные образцы широко применяют в виде оттисков, полученных стандартными красками на разных подложках. Из них составляют разного рода цветовые шкалы (веера, атласы, библиотеки и т.д.). В практической производственной работе по эталонным цветным образцам (выкраскам, накраскам и т.д.) подбираются краски для печати, составляются их рецептуры, классифицируются готовые изделия. Для визуальной идентификации неизвестного образца цвета его сравнивают с помещаемыми рядом образцами цветов и проводят сравнение при необходимых условиях освещения.
Однако зрительная система человека способна различать несколько миллионов цветов, в то время как большинство атласов цветов содержат, в лучшем случае, несколько тысяч образцов цветов. Поэтому для более точной спецификации цвета почти всегда необходимо проводить интерполяцию между образцами. Одной из основных проблем визуальных методов спецификации цвета является низкая достоверность результатов такой интерполяции.
Методы колориметрической оценки по цветовым образцам не позволяют получить количественную характеристику воздействия на глаз излучений различных цветов. Для объективной оценки цвета используются методы второго типа, позволяющие производить измерения цвета специальными приборами: колориметрами или спектрофотометрами.
 |
|
Источники света и углы обзора (наблюдения)
Основным источником света является солнце. Если понаблюдать за изменением цветов в течение дня, то станет очевидно, что на протяжении дня солнечный свет постоянно меняется. Принимая во внимание влияние на солнечное освещение облачности и зависимость его от времени года, получить достоверные сравнительные результаты оценки окрашенных объектов в условиях естественного освещения затруднительно. Поэтому для количественной оценки источников света стали использовать шкалу цветовых температур, выраженную в градусах Кельвина. Большинство природных дневных источников света находятся в диапазоне цветовых температур от 4800 до 6800 К.
Цветовая температура «нормализованного» источника по стандарту Международной комиссии по освещению составляет 6504 градуса Кельвина. Это значение наиболее часто используется в полиграфической промышленности для оценки отпечатанных оттисков. В процессе стандартизации источников излучения им присвоили буквенные индексы. Каждой введенной в стандарт букве соответствует свое значение цветовой температуры. Например, A — норма среднего искусственного света, эквивалентная цветовой температуре 2856 К, что соответствует излучению лампы накаливания, F11 — норма для узкой полосы белого флуоресцентного источника TL84, равная 4000 К.
К сожалению, относительное спектральное распределение энергии многих искусственных источников дневного света не всегда соответствует распределению энергии естественного дневного света того же цвета. На рис. 3 приведено распределение энергии типичной флуоресцентной лампы с цветовой температурой 4000K и стандартного излучения D65. У источника флуоресцентного света особенно заметны «вспышки» в длинноволновой части спектра на длинах волн испускания ртути (405, 436, 546 и 578 нм). При этом цветности обоих источников близки.
Источники света с более низкими цветовыми температурами отличаются красным оттенком, за счет чего объекты воспринимаются наблюдателем как более красные или теплые (рис. 4). Примером такого источника света являются обычные лампы накаливания. Флуоресцентные источники характеризуются более высокими цветовыми температурами и голубым оттенком. Поэтому освещенные ими объекты будут казаться наблюдателю более холодными. При оценке цвета в процессе печати или изготовлении красок источник света должен быть стандартным или рекомендованным исследовательскими организациями.
Поскольку каждый вид печатной продукции используется в специфических условиях, например упаковка в основном рассматривается в супермаркетах под флуоресцентными лампами, а рекламные плакаты— на улице при уличном освещении, необходимо определить и оговорить с заказчиком стандартную цветовую температуру (источник света) контроля отпечатков. Обычно ее выбирают, исходя из превалирующих условий наблюдения.
Зрительное восприятие цвета зависит и от угла наблюдения. На рис. 5 приведены кривые спектральной чувствительности нервных центров колбочкового аппарата цветового зрения для соответствующих областей спектра при углах 2 и 10°. Оба эти угла стандартизированы: угол наблюдения 2° был описан в 1931 году, а угол 10° — в 1964 году. Угол 10° моделирует условия рассматривания печатной продукции с расстояния «нормального зрения» — 25-30 см, а угол 2° — наблюдения изображения с большого расстояния.
|
|
Метамерия
Следует отметить, что два излучения, одинаковые по спектральному составу, вызывают и одинаковые ощущения цвета, но не всегда справедлива обратная связь. Часто человеческий глаз может воспринимать одинаковыми по цвету излучения различного спектрального состава. При этом объекты выглядят идентично под одним источником света, но различно под другим (рис. 6). Это явление носит название метамерии и в полиграфии является результатом использования различных комбинаций красящих пигментов для воспроизведения аналогичных цветов.
Итак, метамеризм — явление, при котором два цвета воспринимаются одинаковыми при одних условиях наблюдения и различаются при других. Принято различать четыре вида метамеризма:
• метамеризм излучения;
• метамеризм наблюдателя;
• метамеризм поля угла обзора (наблюдения);
• геометрический метамеризм.
Наиболее важным из них является метамеризм излучения, проявляющийся в том случае, когда наблюдатель смотрит на метамерную пару (исследуемые образцы), последовательно освещаемую двумя или более источниками света.
Метамеризм наблюдателя проявляется, когда метамерная пара воспринимается одинаковой по цвету одним наблюдателем и разной по цвету другим. Это естественное явление, так как все люди воспринимают цвета по-разному и отлично от «стандартного наблюдателя», в расчете на которого и определяются координаты цвета. Такой вид метамерима может приводить к серьезным проблемам, например когда один из наблюдателей является продавцом, а другой — покупателем.
В случае метамеризма поля зрения равенство цветов пропадает, когда угол меняется с 2 на 10°. Метамерная пара, показывающая равенство образцов на расстоянии (малое поле зрения), может не сохранить его, когда наблюдатель приближается к образцам (большое поле зрения).
Геометрический метамеризм возникает при изменении геометрии наблюдения. Этот эффект особенно часто проявляется при работе с металлизированными и специальными красками.
Приемлемая степень метамеризма зависит от области применения материала. Если два образца никогда не будут выставляться вместе, метамеризмом можно пренебречь, однако если упаковка, напечатанная способом флексографской печати, стоит рядом с упаковкой, напечатанной офсетом, неприемлемой будет даже малая степень метамеризма.
Чтобы избежать метамерии, при подборе цветовых оттенков лучше применять постоянные комбинации пигментов. Для контроля метамерии могут также использоваться специальные просмотровые камеры.
Количественно оценить метамеризм сложно. Он характерен в основном для высокометамерных пар, различия между спектрами отражения которых велики. Различия в разных частях видимого спектра неодинаковы, например области длин волн около 400 и 700 нм менее важны для человеческого глаза, чем длина около 550 нм. Следовательно, по спектрам отражения двух образцов трудно оценить, насколько различными они могут казаться наблюдателю.
Однако с помощью спектрофотометров мы можем рассчитать цветовые различия между образцами для разных излучений и наблюдателей. Правда, установить, какие источники следует использовать, не всегда просто. Для многих целей достаточным считается сравнение или описание поведения цвета для трех отличных друг от друга источников, рекомендуемых ведущими производителями спектрофотометров. Например, одно из излучений должно соответствовать дневному свету, другое — свету лампы накаливания, а третье — люминесцентной лампе.
|
|
Оценка цвета
Человеческое зрение может считаться одним из наиболее точных измерительных приборов, но оно не в состоянии ни присваивать цветам определенные числовые значения, ни в точности их запоминать. Именно поэтому возникла необходимость в разработке стандартов количественной оценки цвета, а также в систематизации способов воспроизведения цвета, получивших название колориметрических методов.
Количество измеряемого цвета характеризуется тремя числами, показывающими относительные количества смешиваемых излучений, — цветовыми координатами. Эти координаты дают столь же надежную количественную характеристику цвета, как, например, измерение температуры или влажности. Различие состоит лишь в количестве параметров и в их взаимосвязи. Взаимосвязь трех основных цветовых координат выражается в их согласованном изменении при изменении цвета освещения. Поэтому «трехцветные» измерения проводятся в строго определенных условиях при стандартизованном освещении. Таким образом, цвет в колориметрическом понимании однозначно определяется спектральным составом измеряемого излучения.
Спектральные данные определяются в ходе проведения анализа длин всех отражаемых от предмета волн. При этом определяется относительное содержание каждой из длин волн. Измерения такого типа могут производиться только с помощью спектрофотометра.
В 1931 году Международная комиссия по освещению предложила цветовое пространство XYZ, которое было рассчитано таким образом, что вмещать весь видимый человеческим глазом спектр. В качестве базовых была выбрана система красного, зеленого и синего цветов, что соответствует человеческому восприятию цвета, а свободный пересчет одних координат в другие позволял производить различного рода измерения и сравнения.
Недостатком нового пространства была его неравноконтрастность. Понимая это, ученые продолжали исследования, и в 1960 году Мак-Адам внес некоторые дополнения и изменения в цветовое пространство, назвав его новый вариант UVW (или CIE-60). Затем, в 1964 году по предложению Г.Вышецкого было введено пространство U*V*W* (CIE-64), и наконец, в 1976 году были устранены все разногласия и разработана модель Lab (CIE-76), базирующаяся все на том же XYZ, но являющаяся равноконтрастной. В настоящее время цветовое пространство Lab является международным стандартом.
В модели Lab (рис. 7) приняты следующие обозначения:
L (Lightness)— яркость цвета, измеряется от 0 до 100%;
a — диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого (–120°) до красного (+120°);
b — диапазон цвета от синего
(–120°) до желтого (+120°).
В настольных издательских системах, в частности на стадии сканирования и обработки изображения, часто используются полярные цветовые координаты Lch, которые рассчитываются из Lab следующим образом:
c (chroma)=(a2+b2)1/2 — насыщенность цвета;
h (hue)=arctg(b/a) — цветовой тон;
L — та же координата яркости.
Координаты Lch делают процесс цветокоррекции при сканировании и обработке изображения более наглядным.
Человеческий глаз замечает изменения цвета только в случае превышения так называемого
цветового порога (минимального изменения цвета, заметного глазом). Применяемые
в современных системах контроля технологии позволяют учитывают данный фактор
и определять величину отклонения цвета от оригинала, названную показателем
цветовых различий 
E:
где L, a, b — цветовые координаты оригинала, а L', a', b' — координаты, полученные при измерении отпечатка. Это измерение позволяет оперативно установить необходимость корректировки режима печати, например подачи краски или увлажняющего раствора либо внесения предыскажений на стадии допечатной подготовки, например выполнения цветокоррекции.
Наука о цвете не стоит на месте, и различные научно-исследовательские организации
предлагают всё новые решения в области оценок цветового различия. Основная
задача этих разработок — улучшить согласование этой оценки с визуальным восприятием
цвета. В 1988 году Британским научным обществом по измерениям красящих веществ
(Colour Measurement Committee of the Society of Dyers and Colourists in Great
Britain) была предложена новая формула — CMC, нашедшая в настоящее время наиболее
широкое применение в текстильной промышленности. Разница между цветами в системе
CMC выражается величиной порога цветоразличия, которая носит название Е CMC:
,
где L*, C*ab, H*ab являются соответственно различиями по светлоте, насыщенности
и цветовому тону между измеряемым и стандартным образцами. SL, SC, SH — длины
полуосей эллипсоида, именуемые весовыми функциями. Величины l и c являются
значениями, относящимися соответственно к различиям по светлоте и насыщенности
относительно различия по цветовому тону. В ходе исследований было выяснено,
что наилучшее соответствие восприятию цвета человеческим глазом достигается
при значениях l=2 и c=1. Это связано с тем, что человеческий глаз хуже различает
изменение цвета по координате светлоты, нежели по координате насыщенности или
цветового тона.
Графически отклонения цвета могут быть представлены в виде эллипса вокруг цвета оригинала (рис.8). Эллипс представляет собой множество доступных цветов и автоматически варьируется по размеру и форме в зависимости от расположения в цветовом пространстве. На рис.9 представлена вариация эллипсов на цветовом пространстве Lab. Заметно, что эллипсы в оранжевой части цветового пространства длиннее и уже, чем в зеленой, а их размеры меняются в зависимости от изменения насыщенности и светлоты. CMC более точно отражает цветовые различия и постепенно завоевывает признание во многих отраслях промышленности.
В 1989 году Международная комиссия по освещению приняла решение учредить технический комитет с целью изучить пути улучшения оценок цветовых различий. Результаты были представлены в специальном техническом докладе в 1995 году. Был предложен к использованию новый метод определения различия цветового тона, причем цветовым пространством для расчета оставалось Lab. Так же как и CMC, этот метод оценки основывается на представлении отклонений в виде эллипсов. Пользователю предоставляется свобода выбора параметрических показателей для светлоты или яркости (KL), насыщенности (KC) и цветового тона (KH):
.
При равенстве параметрических показателей условия сравнения или измерения называются основными. На практике, например при оценке пар образцов тканей, рекомендуется уменьшить чувствительность по светлоте (KL=2; KC=KH=1), при этом следует ожидать лучшей корреляции результатов расчета с данными визуальной оценки.
Длины полуосей эллипсоида SL, SC, SH определяются иначе, чем их аналоги по предыдущей формуле CMC, при их вычислении вводятся дополнительные коэффициенты. Следует учесть, что CMC нацелена на работу в текстильной промышленности, а CIE-94 предназначается для использования в художественной индустрии и в работах, связанных со внешними покрытиями. Поэтому при измерениях текстиля или материалов, имеющих грубую фактуру, CMC может давать лучшие результаты.
Появившаяся в начале 2000 года новая оценка цветового различия CIE-2000 учитывает не только соотношение светлоты, насыщенности и цветового тона, но и их взаимное влияние друг на друга в зависимости от расположения в цветовом пространстве:
.
Международная комиссия по освещению предложила оптимальную формулу для расчета оценки цветового различия, обеспечивающую наиболее точное согласование между визуальной и колориметрической оценками за счет введения коэффициента RT. Однако в силу некоторой инертности регламентирующих органов работы по апробации и внедрению в практику новой оценки ведутся очень медленно.
Следует отметить, что кроме вышеперечисленных существует большое количество других методик определения оценок цветового различия, используемых, например, только определенной группой компаний. Однако выбор единиц измерения, цветового пространства и значений цветового различия, обычно, основывается на пяти основных правилах Бильмаера, сформулированных еще в 70-х годах прошлого столетия:
• выбрать единый метод измерений и использовать его постоянно;
• всегда точно знать условия проведения измерений;
• никогда не пытаться конвертировать цветовые различия, сделанные по другим расчетным формулам;
• использовать цветовые различия только как первое приближение к установленной разнице до тех пор, пока они не будут подтверждены визуально;
• всегда помнить, что заказчик не будет принимать или отбраковывать цвет по цифрам — для него главное зрительное восприятие.?
Окончание в следующем номере.
|
|