Физическая сущность света и цвета
Светом или световым излучением называются видимые электромагнитные колебания.
Световые излучения подразделяются на сложные и простые.
Белый солнечный свет – сложное излучение, которое состоит из простых цветных составляющих – монохроматических (одноцветных) излучений. Цвета монохроматических излучений называют спектральными.
Если луч белого цвета разложить с помощью призмы в спектр, то можно увидеть ряд непрерывно изменяющихся цветов: темно-синий, синий, голубой, сине-зеленый, желто-зеленый, желтый, оранжевый, красный.
Цвет излучения определяется длиной волны. Весь видимый спектр излучений расположен в диапазоне длин волн от 380 до 720 нм (1 нм = 10-9 м, т.е. одной миллиардной доли метра). На рис. 1. показаны цвета излучений видимой части спектра и соответствующие им длины волн.
Всю видимую часть спектра можно разделить на три зоны:
- Излучением длиной волны от 380 до 490 нм называется синей зоной спектра;
- от 490 до 570 нм – зеленой;
- от 580 до 720 нм – красной.
Различные предметы человек видит окрашенными в разные цвета потому, что монохроматические излучения отражаются от них по-разному, в разных соотношениях.
Все цвета делятся на ахроматические и хроматические
Ахроматические (бесцветные) – это серые цвета различной светлоты, белый и черный цвета. Ахроматические цвета характеризуются светлотой.
Все остальные цвета – хроматические (цветные): синий, зеленый, красный, желтый и т.д. Хроматические цвета характеризуются цветовым тоном, светлотой и насыщенностью.
Цветовой тон – это субъективная характеристика цвета, которая зависит не только от спектрального состава излучений, попавших в глаз наблюдателя, но и от психологических особенностей индивидуального восприятия.
Светлота субъективно характеризует яркость цвета.
Яркость определяет силу света, излучаемую или отражаемую с единицы поверхности в перпендикулярном к ней направлении (единица яркости – кандела на метр, кд/м).
Насыщенность субъективно характеризует интенсивность ощущения цветового тона.
Поскольку в возникновении зрительного ощущения цвета участвует не только источник излучения и окрашенный предмет, но и глаз и мозг наблюдателя, то следует рассмотреть некоторые основные сведения о физической сущности процесса цветового зрения (рис. 2).
Известно, что глаз по устройству представляет собой фотоаппарат, в котором сетчатка играет роль светочувствительного слоя. Излучения различного спектрального состава регистрируются нервными клетками сетчатки, которые называются рецепторами.
Рецепторы, обеспечивающие цветовое зрение, подразделяются на три типа. Каждый тип рецепторов по-разному поглощает излучение трех основных зон спектра – синей, зеленой и красной, т.е. обладает различной спектральной чувствительностью.
Если на сетчатку глаза попадает излучение синей зоны, то оно будет воспринято только одним типом рецепторов, которые и передадут информацию о мощности этого излучения в мозг наблюдателя. В результате возникнет ощущение синего цвета.
Аналогично будет протекать процесс и в случае попадания на сетчатку глаза излучений зеленой и красной зон спектра. При одновременном возбуждении рецепторов двух или трех типов будет возникать цветовое ощущение, зависящее от соотношения мощностей излучения различных зон спектра.
При одновременном возбуждении рецепторов, регистрирующих излучения, например, синей и зеленой зон спектра, может возникнуть световое ощущение, от темно-синего до желто-зеленого.
Ощущение в большей степени синих оттенков цвета будет возникать в случае большей мощности излучений синей зоны, а зеленых оттенков – в случае большей мощности излучения зеленой зоне спектра.
Равные по мощности излучения синей и зеленой зон вызовут ощущение голубого цвета, зеленый и красной зон – ощущение желтого цвета, красной и синей зон – ощущение пурпурного цвета. Голубой, пурпурный и желтый цвета называются в связи с этим двухзональными.
Равные по мощности излучения всех трех зон спектра вызывают ощущение серого цвета различной светлоты, который превращается в белый цвет при достаточной мощности излучений.
Аддитивный синтез цвета
Это процесс получения различных цветов за счет смешивания (сложения) излучений трех основных зон спектра – синего, зеленого и красного (рис. 3).
Эти цвета называются основными или первичными излучениями адаптивного синтеза.
Различные цвета могут быть получены этим способом, например, на белом экране с помощью трех проекторов со светофильтрами синего (Blue), зеленого (Green) и красного (Red) цветов.
На участках экрана, освещаемых одновременно из разных проекторов могут быть получены любые цвета. Изменение цвета достигается при этом изменением соотношения мощности основных излучений.
Ранее такая возможность была показана при объяснении цветового зрения. В данном случае процесс аналогичен. Отличие состоит в том, что сложение излучений происходит вне глаза наблюдателя. Это одна из разновидностей аддитивного синтеза.
Еще одна разновидность аддитивного синтеза – пространственное смещение. Пространственное смещение основано на том, что глаз не различает отдельно расположенных мелких разноцветных элементов изображения.
Таких, например, как растровые точки. Но вместе с тем мелкие элементы изображения перемещаются по сетчатке глаза, поэтому на одни и те же рецепторы последовательно воздействует различное излучение соседних разноокрашенных растровых точек.
В связи с тем, что глаз не различает быстрой смены излучений, он воспринимает их как цвет смеси.
Субтрактивный синтез цвета
Это процесс получения цветов за счет поглощения (вычитания) излучений из белого цвета.
В субтрактивном синтезе новый цвет получают с помощью красочных слоев: голубого (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow) (рис. 4).
Это основные или первичные цвета субтрактивного синтеза. Голубая краска поглощает (вычитает из белого) красные излучения, пурпурная – зеленые, а зеленая – синие.
Для того, чтобы субтрактивным способом, получить, например, красный цвет нужно на пути белого излучения поместить желтый и пурпурный светофильтры.
Они будут поглощать (вычитать) соответственно синие и зеленые излучения. Такой же результат будет получен, если на белую бумагу нанести желтую и пурпурные краски. Тогда до белой бумаги дойдет только красное излучение, которое отражается от нее и попадает в глаз наблюдателя.
Основные цвета аддитивного синтеза – синий, зеленый и красный и
Основные цвета субтрактивного синтеза – желтый, пурпурный и голубой образуют пары дополнительных цветов.
Дополнительными называют цвета двух излучений или двух красок, которые в смеси делают ахроматический цвет: Ж + С, П + З, Г + К.
При аддитивном синтезе дополнительные цвета дают серый и белый цвета, так как в сумме представляют излучение всей видимой части спектра, а при субтрактивном синтезе смесь указанных красок дает серый и черный цвета, в виде того, что слои этих красок поглощают излучения всех зон спектра.
Рассмотренные принципы образования цвета лежат и в основе получения цветных изображений в полиграфии.
Для получения полиграфических цветных изображений используют так называемые триадные печатные краски: голубую, пурпурную и желтую.
Эти краски прозрачны и каждая из них, как уже было указано, вычитает излучение одной из зон спектра. Схема образования основных цветов при запечатывании бумаги триадными красками представлена на рис. 5.
Однако, из-за не идеальности компонентов субтактивного синтеза при изготовлении печатной продукции используют четвертую дополнительную черную краску.
Из схемы видно, что если наносить на белую бумагу триадные краски в различном сочетании, то можно получить все основные (первичные) цвета как для аддитивного синтеза, так и для субтрактивного.
Это обстоятельство доказывает возможность получения цветов необходимых характеристик при изготовлении цветной полиграфической продукции триадными красками.
Изменение характеристик воспроизводимого цвета происходит по-разному, в зависимости от способа печати. В глубокой печати переход от светлых участков изображения к темным осуществляется благодаря изменению толщины красочного слоя, что и позволяет регулировать основные характеристики воспроизводимого цвета. В глубокой печати образование цветов происходит субтрактивно.
В высокой и офсетной печати цвета различных участков изображения передаются растровыми элементами различной площади. Здесь характеристики воспроизводимого цвета регулируются размерами растровых элементов различного цвета.
Ранее уже отмечалось, что цвета в этом случае образуются аддитивным синтезом – пространственным смешиванием цветов мелких элементов.
Однако, там, где растровые точки различных цветов совпадают друг с другом и краски накладываются одна на другую, новый цвет точек образуется субтрактивным синтезом.
Оценка цвета
Для измерения, передачи и хранения информации о цвете необходима стандартная система измерений. 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.
Большинство людей не осознает, насколько значительно воздействие цвета на их повседневную жизнь. Однако в полиграфии цвет становится серьезным объектом работы. Когда дело доходит до многократного воспроизведения, цвет, кажущийся одному человеку “красным”, другим воспринимается как “красновато-оранжевый”.
Именно поэтому возникла необходимость разработки числовых стандартов наряду с систематизацией способов передачи цвета.
Методы, которыми осуществляется объективная количественная характеристика цвета и цветовых различий, называют колориметрическими методами.
Трехцветная теория зрения позволяет объяснить возникновение ощущений различного цветового тона, светлоты и насыщенности.
Кривые спектральной чувствительности трех нервных центров цветового зрения используются при выборе светофильтров для репродукционных процессов и красок для печати.
Количество измеряемого цвета характеризуется тремя числами, показывающими относительные количества смешиваемых излучений. Эти числа называются цветовыми координатами. Все колориметрические методы основаны на трехмерности т.е. на своего рода объемности цвета.
Эти методы дают столь же надежную количественную характеристику цвета, как например измерение температуры или влажности. Отличие состоит лишь в количестве характеризующих значений и их взаимосвязи.
Эта взаимосвязь трех основных цветных координат выражается в согласованном изменении при изменении цвета освещения. Поэтому “трехцветные” измерения проводятся в строго определенных условиях при стандартизованном белом освещении.
Таким образом, цвет в колориметрическом понимании однозначно определяется спектральным составом измеряемого излучения, цветовое же ощущение не однозначно определяется спектральным составом излучения, а зависит от условий наблюдения и в частности от цвета освещения.
Современное полиграфическое производство предусматривает работу с системой физических цветовых эталонов. Роль подобного эталона может играть печатный оттиск, выкраски или цветовая система Pantone, с успехом применяющаяся во многих случаях.
Однако, когда участки производства отдалены друг от друга на значительные расстояния, то систему физических цветовых эталонов применять затруднительно. Заказчик, дизайнер, художник, оператор сканера, печатник и т.д. – всем им будет сложно обрабатывать и передавать друг другу физические цветовые эталоны.
На каждом этапе будут приниматься субъективные решения, зависящие от индивидуального восприятия и допусков для определенных цветов.
По этой причине предприятия, выпускающие цветную продукцию, уже давно осознали потребность в разработке более объективного метода оценки визуального восприятия цвета.
Сочетание длин волн, исходящих от объекта, – это спектральные данные, которые получаются в ходе проведения анализа длин всех отражаемых от предмета волн. В ходе этого анализа определяется процентное содержание каждой из длин волн.
Измерения такого типа могут проводиться только с помощью спектрофотометра, который в свою очередь должен манипулировать объективными показателями.
Цветовое пространство
В 1931 г. Международная комиссия по освещению – CIE (Commission Internationale de L`Eclairage) предложила математически рассчитанное цветовое пространство XYZ, в котором весь видимый человеческим глазом спектр лежал внутри.
В качестве базовых была выбрана система реальных цветов (красного, зеленого и синего), а свободный пересчет одних координат в другие позволял проводить различного рода измерения.
Недостатком нового пространства была его неравноконтрастность. Понимая это, ученые проводили дальнейшие исследования, и в 1960 г.
Мак-Адам внес некоторые дополнения и изменения в существовавшее цветовое пространство, назвав его UVW (или CIE-60).
Затем в 1964 г. по предложению Г. Вышецкого было введено пространство U*V*W* (CIE-64).
Вопреки ожиданию специалистов предложенная система оказалась недостаточно совершенной. В одних случаях используемые при расчете цветовых координат формулы давали удовлетворительные результаты (в основном при аддитивном синтезе), в других (при субтрактивном синтезе) погрешности оказывались чрезмерными.
Это заставило CIE принять новую равноконтрастную систему. В 1976 г. были устранены все разногласия и на свет появились пространства Luv и Lab, базирующиеся на том же XYZ.
Эти цветовые пространства принимают за основу самостоятельных колориметрических систем CIELuv и CIELab. Считается, что первая система в большей мере отвечает условиям аддитивного синтеза, а вторая – субтрактивного.
В настоящее время цветовое пространство CIELab (CIE-76) служит международным стандартом работы с цветом. Основное преимущество пространства – независимость как от устройств воспроизведения цвета на мониторах, так и от устройств ввода и вывода информации.
Это несомненно является важным фактором в полиграфической деятельности, так как дает возможность оценивать цветовые различия не только единичных цветов, но и цветов произвольной яркости. С помощью стандартов CIE могут быть описаны все цвета, которые воспринимает человеческий глаз.
На рис. 6 показано представление этого пространства. Координаты цвета обозначены буквами:
- L (Lightness) – яркость цвета измеряется от 0 до 100%;
- a – диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого -120 до красного значения +120;
- b – диапазон цвета от синего -120 до желтого +120.
В настольно-издательских системах, в частности на стадии сканирования и обработки изображения, принято работать с цветовыми координатами LCH, которые получаются из Lab следующим образом:
- C (Chroma) = (a2+b2)1/2 – насыщенность цвета;
- H (Hue) = arctg(b/a) – цветовой тон;
- L – координата яркости.
В некоторых случаях наиболее критическими элементами изображения является цвет логотипа или точное воспроизведение памятных цветов. Человеческий глаз замечает изменения цвета только в случае превышения так называемого цветового порога (минимального изменения цвета, заметного глазом).
Применяемые в современных спектрофотометрах технологии, позволяют учитывают данный фактор и определять величину отклонения цвета от оригинала, названную показателем цветовых различий dE.
Где L, a, b — цветовые координаты оригинала, а L`, a`, b` — реально полученные при измерении цветопробного, печатного оттиска и т.д.
Это измерение позволяет оперативно и точно определить возможные корректировки технологических режимов печати, например подачу краски, увлажняющего раствора, давления в печатной паре или внести предискажения еще на стадии допечатной подготовки, например цветокоррекции.
В современной практике спектрофотметрические измерения в большей части опираются на измерения в цветовом пространстве Lab.
В случае грамотно построенного производственного процесса и контроля качества на всех его участках для допечатной стадии используют координаты Lch, так как они позволяют оператору при сканировании и обработке изображения более наглядно производить цветокоррекцию.
Понять, как работает интерфейс LCH, можно по упрощенной модели цветового пространства CIELab, представленной на рис. 7, 8 и 9. Яркость изменяется снизу вверх, т.е. возрастает от основания к верхней части цилиндра (рис. 7).
Это означает, что можно корректировать яркость, не изменяя другие параметры – насыщенность и цветовой тон. Насыщенность возрастает при движении от центра к окружности (рис. 8).
Значение тона изменяется по кругу (рис. 9).
Однако наука о цвете не стоит на месте, и различные научно-исследовательские институты предлагают новые решения в области оценок цветового различия.
Задача согласовать как можно более точно оценки с визуальным восприятием цвета. В 1988 году Британским научным обществом по измерениям красящих веществ (Colour Measurement Committee of the Society of Dyers and Colorists in Great Britain) была предложена новая формула CMC, нашедшая в настоящее время наибольшее применение в текстильной промышленности.
Разница между цветами в системе CMC выражается величиной порога цветоразличия, которая носит название ΔЕ CMC.
Где ΔL*, ΔC*ab, ΔH*ab являются, соответственно, различиями по светлоте, насыщенности и цветовому тон между испытуемым и стандартным образцами. SL, SC, SH – длины полуосей эллипсоида, именуемые весовыми функциями, позволяющими регулировать их соответствующие составляющие, следуя местоположению образца цвета в цветовом пространстве Lab.
Величины l и c являются значениями, относящимися, соответственно, к различиям по светлоте и насыщенности относительно различия по цветовому тону.
При сопоставлении различных вариантов было выяснено, что наилучшее соответствия восприятия цвета человеческим глазом достигается при значениях l=2 и c=1 соответственно и обеспечивает лучшую согласованность между визуальным человеческим восприятием и измеренным цветом.
Это связано в целом, человеческий глаз различает большое изменение цвета, по координате светлоты, нежели насыщенности или цветового тона, поэтому по предложенной оценке коэффициент допуска составляет 2:1.
После измерения цвета, математически вычисляется эллипс вокруг стандартного цвета с определенными координатами цветового тона, насыщенности и светлоты рис. 10.
Эллипс представляет собой множество доступных цветов и автоматически варьируется по размеру и форме в зависимости от расположения в цветовом пространстве.
На рис. 11 представлена вариация эллипсов на цветовом пространстве Lab. Как видно эллипсы в оранжевой части цветового пространства длиннее и уже чем в зеленой, а размеры эллипсов меняются в зависимости от изменения насыщенности и светлоты.
Хотя идеальной системы измерения отклонений цветов не существует, CMC более точно отражает цветовые различия и постепенно становится общепризнанной во многих отраслях промышленности.
Так для полиграфической и текстильной промышленности принято отношение 2:1, в то время как в промышленности по производству пластика 1,37:1.
В 1989 году CIE приняла решение учредить технический комитет с целью изучить пути улучшения оценок цветовых различий. Результаты были представлены в специальном техническом докладе в 1995 году.
Было предложено к использованию новый метод определения различия цветового тона, причем цветовым пространством для расчета оставалось Lab. Так же как и CMC, это метод оценки основывается на “эллипсном описании”.
Для пользователя предоставляется свобода выбора параметрических показателей для светлоты или яркости (KL), насыщенности (KC) и цветового тона (KH).
При равенстве этих показателей можно считать, что условия сравнения или измерения являются “основными”. В другом случае, например при оценке пар образцов тканей, хорошо уменьшить чувствительность по светлоте (KL=2; KC=KH=1), при этом следует ожидать лучшую корреляцию 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.
Однако, как было сказано выше CMC “нацелена” на работу в текстильной промышленности, а CIE94 предназначается для использования в художественной индустрии и работах связанных со внешними покрытиями. Это необходимо учитывать при измерениях проводимых на различных подложках. При измерениях на текстиле или грубой фактуре CMC может давать лучшие результаты.
Появившаяся в начале 2000 года новая оценка цветового различия CIE2000 устанавливает соотношения не только светлоты, насыщенности и цветового тона, но и их взаимного влияния друг на друга в зависимости от расположения в цветовом пространстве.
Международная комиссия по освещению предложила наилучшее согласование между визуальной и колориметрической оценками, введя коэффициент RT, определяющий это согласование.
Однако в силу некоторой инертности регламентирующих органов работы по апробации, внедрению в практику и стандартизации новой оценки ведется очень медленно.
В настоящее время кроме перечисленных выше наиболее употребимых, существует большое количество дополнительных оценок цветового различия используемые, например, только группой компаний.
На практике выбор единиц измерения, цветового пространства и значений цветового различия основывается на пяти основных правилах Бильмаера, которые он сформулировал в ходе научных исследований 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.
