Systemy sterowania reprodukcjš barw: Podstawy barwometrii (częœć II)

6 Dec 2016 14:43

Systemy sterowania barwš opierajš się na osišgnięciach wielu dziedzin nauki, spoœród których jednš z najważniejszych jest barwometria. Dziedzina ta łšczšc w sobie zdobycze matematyki, fizyki, psychologii i fizjologii ma na celu liczbowy opis wrażeń barwnych wywoływanych u przeciętnego człowieka. Bez zrozumienia podstawowych zagadnień zwišzanych z barwometriš nie można zrozumieć procesów zachodzšcych we współczesnych systemach sterowania barwš. Wrażenia barwne odbierane przez człowieka wywoływane sš przez wšski zakres promieniowania elektromagnetycznego (o długoœciach od 380 do 770 nm) nazywany œwiatłem. Bez docierajšcego do dna oka ludzkiego bodŸca œwietlnego nie można mówić o jakiejkolwiek barwie. Aby powstało wrażenie wzrokowe, promieniowanie œwietlne musi zadziałać na materię (np. na substancje œwiatłoczułe znajdujšce się w receptorach siatkówki oka). Właœnie dzięki fizycznej interakcji energii œwietlnej z materiš oraz subiektywnemu odczuciu odbieramy barwy. Występujšce w przyrodzie substancje dzielimy na œwiecšce samoistnie i nieœwiecšce. Substancje œwiecšce samoistnie emitujš promieniowanie elektromagnetyczne w zakresie widzialnym, natomiast substancje nieœwiecšce pochłaniajš (częœciowo lub całkowicie) promieniowanie w tym zakresie. Aby ocenić barwę przedmiotu nieœwiecšcego (lub w ogóle go zauważyć), niezbędne jest jego oœwietlenie promieniowaniem pochodzšcym z pewnego Ÿródła œwiatła oraz umieszczenie go w polu widzenia człowieka. Na pierwszy rzut oka poprzednie zdanie wydaje się truizmem, lecz z punktu widzenia barwometrii jest podstawš właœciwoœci œwietlnych otaczajšcego nas œwiata. Barwa nie jest cechš samoistnš materii, z której zbudowany jest obserwowany obiekt, lecz zależy także od promieniowania emitowanego przez Ÿródło œwiatła, właœciwoœci geometrycznych rozchodzenia się promieniowania odbitego od obiektu, sposobu obserwacji i od samego obserwatora. Przedmioty, o których można powiedzieć, że sš zielone, po oœwietleniu œwiatłem białym odbijajš tylko tę częœć promieniowania, która odpowiada zieleni, tzn. fale elektromagnetyczne ze œrodkowego zakresu widma widzialnego, natomiast pozostałš częœć pochłaniajš. Podobnie przedmioty, które sš czarne, pochłaniajš w równej mierze promieniowanie z zakresu całego widma widzialnego i po oœwietleniu jakimkolwiek œwiatłem odbijajš je w bardzo niewielkiej iloœci zwišzanej z mocš promieniowania. Wrażenie barwy i jej opis sš zwišzane zarówno z fizycznymi, jak i fizjologicznymi aspektami. Mierzyć dajš się tylko fizyczne aspekty barwy (zwišzane z pojęciem barwy psychofizycznej). Wpływ mierzalnych parametrów promieniowania widzialnego i materii na wrażenia wywoływane u ludzi (barwa postrzegana) może być opisany jedynie w sposób przybliżony. W cišgu kilkuset lat powstało wiele teorii opisujšcych proces widzenia barw przez człowieka i modeli służšcych do jego opisu. Najbardziej rozpowszechnionymi modelami obiektywnego opisu barw sš przestrzenie kolorymetryczne proponowane na wielu zjazdach (poczšwszy od 1931 roku) Międzynarodowej Komisji Oœwietleniowej CIE (Commision Internationale de lŐEclairage). Wszystkie propozycje CIE oparte sš na pojęciu obserwatora kolorymetrycznego normalnego. Pojęcie to wykorzystywane jest również w fotometrii przy zamianie wielkoœci energetycznych na œwietlne. W celu wyjaœnienia, czym jest obserwator kolorymetryczny normalny, wprowadzimy kilka dodatkowych pojęć. Większoœć bodŸców docierajšcych do dna oka ludzkiego ma charakter promieniowania złożonego. Już w 1665 roku Isaac Newton udowodnił, że œwiatło uznawane za białe można rozszczepić (za pomocš pryzmatu lub siatki dyfrakcyjnej) na œwiatła barwne, co dowodzi złożonoœci promieniowania białego (achromatycznego). Złożonoœć promieniowania œwietlnego ocenia się na podstawie jego składu widmowego. W wielkim uproszczeniu można powiedzieć, że skład widmowy bšdŸ względny rozkład widmowy promieniowania jest cechš tego promieniowania, która informuje, ăileÓ promieniowania prostego (monochromatycznego) o długoœci fali l występuje w badanym promieniowaniu złożonym (polichromatycznym). Wspomnianš iloœć wyraża się w jednostkach względnych lub bezwzględnych zwišzanych z mocš promieniowania. Rozkłady widmowe promieniowań monochromatycznych (nazywanych inaczej barwami widmowymi) sš funkcjami schodkowymi, które przyjmujš stałš niezerowš wartoœć w wšskim przedziale (o szerokoœci kilku nm), a dla pozostałych długoœci fal przyjmujš wartoœć zero. O podobnych rozkładach mówi się również, że majš charakter pršżkowy. Ponieważ w każdym promieniowaniu daje się ocenić udział promieniowania monochromatycznego (za pomocš pomiarów spektrofotometrycznych), więc natychmiastowo nasuwajšcym się pytaniem jest: Jak oko ludzkie reaguje na œwiatła monochromatyczne o różnych barwach (czyli różnych długoœciach fal)? Odpowiedzi na to pytanie udziela względna widmowa skutecznoœć œwietlna promieniowania równoenergetycznego V. Jest to funkcja, która w dużej częœci okreœla obserwatora kolorymetrycznego normalnego. W oparciu o jej wartoœci można porównać działanie różnych œwiateł monochromatycznych o takiej samej mocy promieniowania na zmysł wzroku ludzkiego. Można zatem okreœlić tę funkcję mianem czułoœci widmowej oka ludzkiego. Funkcja ta jednak opisuje reakcję receptorów oka na promieniowanie monochromatyczne w œciœle okreœlonych warunkach obserwacji. Warunki te, oprócz wartoœci numerycznych zwišzanych z krzywš V, definiujš obserwatora kolorymetrycznego normalnego. Zostały one okreœlone w taki sposób, aby zapewnić możliwie najbardziej obiektywnš ocenę barwy. Przede wszystkim sprecyzowane zostało pole obserwacji. Ze względu na występujšce w szerokim polu widzenia zjawiska uniemożliwiajšce obiektywnš ocenę barwy (indukcja przestrzenna zwišzana z takim zjawiskiem jak kontrast symultaniczny oraz indukcja czasowa) wybrano wšskie pole widzenia. Okreœla się je za pomocš tzw. rozwartoœci kštowej, i przy okazji obserwatora kolorymetrycznego normalnego ustala się tę wielkoœć na poziomie 2Ą (przy odległoœci 30 cm oka od obserwowanej powierzchni odpowiada ona kołu o œrednicy 1 cm). W praktyce za wšskie pole widzenia uznaje się pole o rozwartoœci do 4Ą. Innym parametrem precyzujšcym warunki obserwacji jest stworzenie takich warunków oœwietlenia obserwowanego pola, aby zapewnić działanie receptorów oka odpowiedzialnych za widzenie barwne (inaczej nazywane widzeniem dziennym lub fotopowym). Receptory te, zwane czopkami, działajš od pewnego poziomu mocy promieniowania docierajšcego do dna oka. Przy okreœleniu obserwatora kolorymetrycznego normalnego wzięto również pod uwagę pewien aspekt psychologiczny. Założono mianowicie, że oceniana jest jedynie tzw. barwa swobodna, czyli barwa niezwišzana z charakterem przedmiotu. Obserwator kolorymetryczny normalny stanowi podstawę współczesnej barwometrii. W następnych częœciach artykułu zostanš opisane tzw. przestrzenie trójchromatyczne, w których w obiektywny sposób da się opisać każdš barwę psychofizycznš, czyli każdš barwę występujšcš w przyrodzie. Autor jest adiunktem w Instytucie Poligrafii Politechniki Warszawskiej oraz konsultantem w firmie Grafikus Sp. z o.o.