Загальні відомості про колірний простір

Кольорометрія (колориметрія) – наука про методи вимірювання та кількісного вираження кольору. Кількісне вираження кольору – характеристика спектрального складу світла з урахуванням зорового сприйняття. Відповідно до трикомпонентної теорії зору будь-який колір можна уявити як суму трьох складових, так званих основних кольорів. Вибір цих кольорів визначає колірну координатну систему, в якій будь-який колір може бути зображений точкою (або колірним вектором, спрямованим з початку координат в цю точку) з трьома координатами кольору – трьома числами. Останні відповідають кількостям основних кольорів в цьому кольорі за стандартних умов його спостереження.

Фундаментальною характеристикою кольору, його якістю, є колірність, яка не залежить від абсолютної величини колірного вектору, а визначається його напрямом в колірній координатній системі. Тому колірність зручно характеризувати положенням точки перетину цього вектору з колірною площиною, яка проходить через три точки на осях основних кольорів з координатами кольору, рівними 1.

Властивості колірного зору враховуються за результатами експериментів з великим числом спостерігачів з нормальним зором (так званим стандартним спостерігачем). У цих експериментах зорово зрівнюють чисті спектральні кольори (тобто кольори, що відповідають монохроматичному світлу з певною довжиною хвилі) з сумішами трьох основних кольорів. Обидва кольори спостерігають поруч на двох половинках так званого фотометричного поля порівняння. В результаті будують графіки функцій складання кольорів, або криві складання кольорів, в координатах "співвідношення основних кольорів – довжина хвилі спектрально чистого кольору".

Згідно із законом Г. Грассмана (1853), за даних умов основні кольори справляють в суміші однакове візуальне враження незалежно від їх спектрального складу, за кривими складання кольорів можна визначити координати кольору складного випромінювання. Для цього спочатку колір останнього представляють у вигляді суми чистих спектральних кольорів, а потім визначають кількості основних кольорів, потрібних для отримання суміші, зорово невідмітної від досліджуваного кольору.

Фактично основою усіх колірних координатних систем є Міжнародна колориметрична система RGB (від англ. Red, Green, Blue – червоний, зелений, синій), в якій основними кольорами є що червоний (що відповідає випромінюванню з довжиною хвилі (l = 700 нм), зелений (l = 546,1 нм) і синій (l = 435,8 нм). Вимірюваний колір С в цій системі може бути представлений рівнянням: К = R + G + B, де R, G, і В – координати кольору К. Проте більшість спектрально чистих кольорів неможливо уявити у вигляді суміші трьох згаданих основних кольорів. У цих випадках деяка кількість одного (або двох) з основних кольорів додають до спектрального кольору і отриману суміш порівнюють із сумішшю двох кольорів (що залишилися, або з одним кольором).

Найбільш поширена міжнародна система XYZ, в якій основні кольори X, Y і Z – нереальні кольори, вибрані так, що координати кольору не набувають негативних значень, причому координата Y дорівнює яскравості спостережуваного забарвленого об'єкту.

Щоб визначити координати X, У, Z для цього кольору (об'єкту) необхідно знати:

– функцію Е(l) – розподіл енергії випромінювання джерела освітлення за довжинами хвиль;

– r (l) функцію – розподіл за довжинами хвиль інтенсивності випромінювання, відбитого або пропущеного об'єктом;

– функції складання кольорів (функції сприйняття стандартного спостерігача, .

У кольорометрії використовують джерела світла А, С і D65, що імітують сонячне освітлення в різний час доби. Їх характеристики вивчені і опубліковані у вигляді таблиць. Функції сприйняття при різних розмірах вимірюваного поля, тобто при різних сферичних кутах спостереження (зазвичай 2 і 10), також наводяться в довідковій літературі. Функцію вимірюють за допомогою спектрофотометрів. Тоді координати кольору цього об'єкту можна розрахувати за рівняннями:

Інтеграція проводиться в діапазоні довжин хвиль видимого випромінювання: від 380 до 760 нм.

Є також прилади – спеціальні фотоелектричні колориметри, характеристики фільтрів яких відтворюють функції сприйняття людського ока. За допомогою таких приладів відразу визначають величини .

Колірність визначається координатами колірності х, у, z, які розраховують за рівняннями:

Тобто колірність дорівнює проекції на колірну площину (що перетинає осі координат при X=Y=Z=l) точки, що характеризує цей колір.

Недолік колірної координатної системи XYZ – нерівноконтрасність: залежно від області колірного простору на однакові за величиною ділянки доводиться різне число (від 1 до 20) колірних порогів, тобто меж розрізнення кольорів. Це істотно затрудняє узгодження вимірів із візуальною оцінкою.

Тому була запропонована (1976) колірна координатна система Lab, де L – яскравість, або світлота, яка змінюється від 0 (абсолютно чорне тіло) до 100 (біле тіло), координати – а, +а, – b, +b визначають зелений, червоний, синій і жовтий кольори відповідно.

Колірність є проекцією цього кольору на площину ab. Система Lab однорідніша і дає кращу кореляцію з візуальними визначеннями, оскільки її параметри – L, колірність і координати а і b – близькі звичним суб'єктивним характеристикам кольору: світлоті, насиченості і колірному тону відповідно.

Сприйняття кольору істотно залежить від умов спостережень. Тому у будь-якій колірній координатній системі при зміні умов змінюються координати кольору. Це явище називається метамеризмом. Розрізняють 4 основні види метамеризму:

1) джерела освітлення;

2) спостерігачі;

3) розміри вимірюваного поля;

4) геометрія спостереження.

Виміри кольору лежать в основі інструментальних методів оцінки якості забарвлення різних матеріалів барвниками, розрахунку сумішевих рецептур фарбування, оптимізації і автоматизації хіміко-технологічних процесів фарбування і виробництва барвників.