ЦВЕТОВЕДЕНИЕ И КОЛОРИСТИКА Методическое пособие покурсу Цветоведение УГУЭС Доломатов М.Ю. и др. (2)

УДК 677.027.001.5(035)

М.Ю. Доломатов, Д.О. Шуляковская, С.В. Кисмерешкин, С.А. Еремина Методическое пособие для выполнения лабораторных работ по курсам «Цветоведение», «Колористика». Методическое пособие. Уфа: РИО Уфимск. гос. университет экономики и сервиса, 2015 – 56 с.

В методическом пособии представлено руководство по выполнению лабораторных работ по курсам «Цветоведение» и «Колористика» для студентов ВУЗов таких специальностей как химическая технология, дизайн, компьютерная графика и компьютерный дизайн, полиграфия, текстильная промышленность, технология красителей и пигментов. Лабораторные работы посвящены практическому освоению основных законов оптики и теории цвета. Методическое пособие включает краткие теоретические основы по изучению систем цветовых измерений и рекомендации по проведению исследований окрашенных объектов, текстильных материалов, полиграфической продукции, анализу контраста и ахроматических пределов цвета.

профессор кафедры «Физика»

Доломатов М.Ю., 2015

Уфимский государственный университет экономики и сервиса, 2015

2

Оглавление

Лабораторная работа №1. ПРОВЕРКА ПЕРВОГО ЗАКОНА ГРАССМАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФИЧЕСКОГО РЕДАКТОРА. КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ RGB И XYZ НА ОБРАЗЦАХ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ ... 4

3

Лабораторная работа №1. ПРОВЕРКА ПЕРВОГО ЗАКОНА ГРАССМАНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФИЧЕСКОГО РЕДАКТОРА. КОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ RGB И XYZ НА ОБРАЗЦАХ ПОЛИГРАФИЧЕСКОЙ ПРОДУКЦИИ

Цель: Проверить первый закон Грассмана. Изучить колориметрические системы RGB и XYZ

Задачи:

1.Определить составы цветов исследуемого объекта с использованием графического редактора Microsoft Paint.

2.Определить яркость цветов с использованием графического редактора Microsoft Paint.

3.Рассчитать координаты цвета в колориметрической системе XYZ.

4.Рассчитать координаты цветности в колориметрических системах RGB и XYZ.

5.Рассчитать насыщенность, определить цветовой тон и светлоту основных цветов. Объект исследования: картина Ван Гога (по вариантам).

Краткая теория

Законы Грассмана

В результате изучения аддитивного смешения цветов великим немецким математиком Г. Грассманом, основателем современной алгебры, в 1856 г. сформулированы три закона образования цвета.

Первый закон. Любые четыре цвета находятся в линейной зависимости, хотя существует неограниченное число линейно независимых совокупностей из трех цветов (триад). Иначе говоря, каждый цвет может быть выражен через три линейно независимых цвета, а количество триад линейно независимых цветов бесконечно велико.

Линейно независимые цвета – три цвета, каждый из которых не может быть получен смешением двух других.

цвета.

В данной лабораторной работе линейно независимым цветам F1 , F2, F3 будут соответствовать красный (R - red), зеленый (G - green) и синий (B - blue) цвета соответственно. В нашем случае закон (1.1) может быть записан:

также непрерывное изменение составных цветов.

Этот закон делает невозможным существования какого-либо отдельного цвета, не примыкающего непосредственно к цветам смешиваемых излучений.

Третий закон. Цвет смеси зависит только от цветов смешиваемых компонентов и не зависит от их спектральных составов.

Составные цвета триад также могут быть сложными, но это не играет роли при образовании сложного цвета. Из этого закона следует: если каждый из двух цветов, смешивающихся с третьим, то не зависимо от спектрального состава излучений этих двух цветов, результирующий цвет в обоих случаях будет одинаковым.

Исключения из законов Грассмана:

1.Не выполним для цветов различной светлоты и насыщенности.

2.Не выполним в мощных монохроматических излучениях, например, в лазерном излучении.

4

3.Не выполним, если поверхность материала химически взаимодействует с красителями.

4.Не выполним, если потоки складываемых излучений вызывают фотохимические изменения поверхности материалов.

5.Не выполним, если красители или пигменты химически взаимодействуют между собой. Законы Грассмана имеют физиологическую основу. Цветовое зрение человека связано с

наличием трех типов клеток - колбочек в сетчатке глазного дна. Эти колбочки содержат пигменты, максимумы спектральной чувствительности которых соответствуют 450 нм (синий), 550нм (зеленый) и 630 нм (красный). Все многообразные цвета воспринимаются человеком через смешение излучений этих трех компонентов в различных пропорциях. Например, чтобы получить оранжевый цвет, необязательно воспроизводить его тон - длину волны в электромагнитном спектре. Достаточно создать суммарный спектр излучения, который возбуждает колбочки сетчатки глаза так же, как оранжевый цвет.

Законы Грассмана являются теоретической базой современных колориметрических и компьютерных систем измерения цвета.

Колориметрическая система RGB

Цветовая модель RGB описывает излучаемые цвета и является основной для компьютерных цветовых систем. Базовыми являются три излучения — красный, зеленый, синий

(от англ., нем. red, rot — красный; green, grun — зелѐный; blue, blau — синий, голубой).

В модели RGB все цвета выражаются как результат аддитивного смешения красного, зеленого и синего цветов в различных пропорциях. Цветовая система RGB (1931) использует треугольник Максвелла (рис. 2.1). Треугольником Максвелла называют равносторонний треугольник, на вершинах которого лежат цветовые потоки, соответствующие основным цветам.

Свойства треугольника Максвелла системы RGB:

1. Вершины треугольника соответствуют трем основным цветам RGB.

2.В вершинах треугольника расположены источники красного, зеленого и синего излучения со следующими характеристиками: R=700,1 нм, G=546,1 нм, B = 435,8 нм. При этом красный цвет выделяется красным светофильтром из спектра вольфрамовой лампы накаливания; зеленый соответствует линии e в спектре ртутной лампы; синий - линии g в спектре ртутной лампы.

3.Все цвета, которые могут быть получены смешением основных цветов, в соответствии с законом Грассмана лежат на сторонах и внутри треугольника Максвелла.

4.Область белого цвета на треугольнике соответствует не только центру тяжести треугольника, но и равному вкладу зеленого, синего и красного цветов.

Рис. 1. - Треугольник Максвелла как основа системы RGB

5

Цветовой треугольник Максвелла позволяет количественно рассчитать эффект смешения любых красителей и любых монохроматических и сложных цветовых лучей. Самая большая площадь, которая может быть охвачена в треугольнике, для передачи изображения соответствует компьютерным мониторам и цветному телевидению. Самая низкая возможность передачи цвета соответствует красителям, полиграфическим краскам и текстильным красителям. В персональных ЭВМ для передачи цвета используется один октет из 8 бит (R, G, B), значения которого обозначаются целыми числами от 0 до 255 включительно. Все популярные дизайнерские пакеты построены на этой основе воспроизводства цвета, в частности, Microsoft Paint, Adobe Photoshop, CorelDraw и т. д. Например, чѐрному цвету соответствует комбинация цифр — (0,0,0), белому —

(255, 255, 255), ярко-оранжевому (242, 105, 53), насыщенному желтому (222, 211, 33).

Вычисление цветового модуля m=R+G+B и трехцветных координат цветности в системе

RGB:

Недостатком системы RGB является то, что кривые сложения системы имеют отрицательные участки (отрицательные количества основных цветов), что создает трудности при расчете ряда спектральных цветов. В связи с этим, в 1931 г. в качестве стандарта измерения цвета МКО приняла систему XYZ, в которой отсутствовали недостатки системы RGB.

Колориметрическая система XYZ

Были введены условные цветовые координаты X, Y, Z. В отличие от кривых цветности координат системы RGB, все цветовые координаты были положительны, поэтому расчѐты цвета упрощались.

Вместо треугольника Максвелла, в системе XYZ используют преобразованный цветовой треугольник более удобной формы для представления цвета (рис. 2).

Рис. 2 - Цветовой график (локус) системы ХYZ для равноэнергетического источника E Существует возможность перехода из колориметрической системы RGB в XYZ и обратно

согласно известному в колориметрии преобразованию:

колориметрической системе это sRGB. Преобразование координат цвета из колориметрической системы sRGB в XYZ представлено ниже:

X = 0,4124R+0,3576G + 0,1805B;

Y = 0,2126R + 0,7152G+ 0,0722B;

Z = 0,0193R +0,1192G + 0,9505B.

Основные характеристики цвета

Согласно современным представлениям, цвет определяется:

соотношением отражающей и поглощающей способности поверхности и химической природы пигментов, которыми покрыта поверхность;

свойствами источников излучения;

цветовым зрением человека.

Несмотря на многогранность цветовых явлений, в современной колориметрии хроматические цвета характеризуются тремя основными колориметрическими свойствами: цветовым тоном (λ), чистотой или насыщенностью (P), яркостью (B) или светлотой (L). Яркость определяется для характеристики цвета светящихся тел, светлота (или относительная яркость) – для характеристики цвета несветящихся тел. Рассмотрим эти величины более подробно.

Цвет, аналогичный цвету любого сложного излучения, может быть получен путем смешения определенного монохроматического излучения с белым светом.

Цветовой тон хроматического цвета – длина волны такого монохроматического излучения, смешение которого в определенной пропорции с белым обеспечивает получение цвета, тождественного в визуальном отношении данному. Цветовой тон можно определить по цветовому кругу (применяя транспортир), при этом цветовой тон он будет выражен в градусах.

Чистота (насыщенность) – колориметрическая величина, показывающая степень выражения цветового тона в данном цвете. Чистота цвета Р в процентах равна отношению яркости монохроматического излучения (Вλ) к сумме яркости монохроматического излучения и пучка белого света (ВБ):

Наибольшей чистотой (100%) обладают монохроматические цвета; ахроматические цвета имеют чистоту, равною нулю.

План выполнения работы

1.В папке группы создать собственную папку с именем «Фамилия Имя». Скопировать в новую папку картину Ван Гога согласно своему варианту.

2.Открыть графический редактор Microsoft Paint: Пуск→Все программы→Стандартные→Paint.

3.Открыть файл с картиной: Меню→Открыть→Указать путь к своей папке.

4.Определить состав цвета на картине.

Выбрать любой цвет, навести на него курсор мыши и щелкнуть левой кнопкой. Открыть в меню Палитру. В окне Палитры нажать кнопку «Определить цвет». Нажать кнопку «Добавить в набор» (см. рис. 3).

5. Занести значения, находящиеся напротив пунктов Красный (R), Зеленый (G), Синий (B) и Яркость (Br- Brightness) в сводную таблицу. Значения R, G, B и будут вкладом каждого цвета в

7

результирующий цвет согласно первому закону Грассмана. Иначе, эти значения называются

координатами цвета.

6.Рассчитать значения координат цветности r, g, b по формулам (с точностью до 2-го знака) и занести в сводную таблицу (расчеты привести в тетради):

7.Преобразовать координаты цвета из системы sRGB в систему XYZ. Для перехода используем известные соотношения:

X = 0,4124R+0,3576G + 0,1805B;

Y = 0,2126R + 0,7152G+ 0,0722B;

Z = 0,0193R +0,1192G + 0,9505B.

8. Рассчитать насыщенность цвета P по формуле (1.4). Определить цветовой тон по цветовому кругу. Светлота определяется как координата цвета Y.

9.

Пример сводной таблицы

Примечание: изображение выполнять цветными карандашами или красками; название цветам давать самостоятельно.

Рис. 3 - Окно палитры

10. Повторить пункты №4-№7 для 8-10 для цветов, которые, по Вашему мнению, являются основными на данной картине.

Структура отчета по выполненной работе: номер лабораторной работы, тема, цель, задачи, краткая теория, сводная таблица с данными для 8-10 основных цветов картины, выводы по лабораторной работе.

Контрольные вопросы

1. Сложением каких цветов из триады красный-зеленый-синий можно получить желтый цвет? Для ответа можно использовать палитру.

8

2.Как, по Вашему мнению, на практике можно применить полученные в данной лабораторной работе навыки определения состава цвета с использованием графического редактора?

3.Каковы координаты красного, зеленого и синего цветов для цвета №5 из Вашей таблицы?

9

Лабораторная работа №2. АХРОМАТИЧЕСКИЕ ПРЕДЕЛЫ ЦВЕТА

Цель: Исследование ахроматического предела цвета

Задачи:

1) Изучение ахроматического предела черного цвета с применением графического редактора Microsoft Paint.

2) Изучение ахроматического предела белого цвета с применением графического редактора Microsoft Paint.

Краткая теория

Цвет зависит от свойств поверхности и свойств излучения. Цветовое излучение, которое поглощается поверхностью, называется основным. Цвет отраженного излучения называется дополнительным. Основной цвет связан с дополнительным так же, как поглощение и отражение. Все цвета делятся на две группы – хроматические и ахроматические. Ахроматические - все черные и белые цвета. Серые цвета образуются в результате смешения черного и белого цвета в различных пропорциях. В сером цвете противоположные оптические характеристики белого и черного цветов компенсируются, следовательно, он нейтральный, равновесный цвет. Может быть бесконечное число вариантов серого цвета. Тренированный глаз человека воспринимает из этого бесконечного множества до 300 оттенков серого цвета.

Согласно закону сохранения энергии, падающий поток излучения J делится на четыре составных потока – поглощенный JA, отраженный JR, пропущенный JT , а для оптически неоднородных тел - и рассеянный JS:

Исходя из соотношения (1), рассмотрим различные случаи формирования ахроматического цвета.

Все излучение, падающее от источника излучения, поглощается телом (черный цвет).

В этом случае входной поток света равен поглощенному (J=JA), остальные потоки пренебрежимо малы - и выполнимо условие:

JR+JT+Js=0 .

Поскольку мы воспринимаем глазами свет, испускаемый либо отраженный телом, то такое тело будет невидимо. Это случай полностью черного тела. Существует парадокс, что абсолютно черные тела должны быть невидимы. Чтобы сделать объект невидимым, его необходимо покрыть абсолютно черным красителем, но это - уже из области фантастики. Однако в природе такие тела существуют. В 90-ые гг. ХХ века с помощью рентгеновского телескопа астрофизики обнаружили такие абсолютно черные объекты и назвали их «черными дырами». Черные дыры - это очень массивные, но небольшие по объему звезды с огромной плотностью, которые притягивают свет (втягивают лучи в себя). Обнаружить такие объекты можно косвенно - они видимы только в рентгеновском диапазоне спектра, за счет падающих на них атомов (атомы, падая на такой объект, излучают рентгеновские лучи). В окружающем нас земном мире абсолютно черных объектов, повидимому, нет. Все тела, поглощающие свыше 90% света, выглядят как черные. Самым черным материалом на Земле длительное время считался черный бархат, поглощающий 99,6 % процентов света. По данным газеты Washington Post от 20 февраля 2008 г., в области создания сверхчерных оптических материалов был сделан технический прорыв. Группой исследователей из политехнического университета Райса (США) под руководством Шон-Ю Линя и Пуликеля

10