ГОНИОКОЛОРИМЕТРИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЦВЕТА ГЛЯНЦЕВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ
GONIOCOLORIMETRIC METHOD FOR MEASUREMENT OF GLOSSY SURFACE COLOURS

Изобретение относится к области измерения цвета глянцевых поверхностей, в частности к колориметрии лакокрасочных материалов, включающих в свой пигментный состав мелкие металлические частицы.
Кроме цвета глянцевые поверхности характеризуются угловой зависимостью яркости отраженного света. Существуют три основных типа отражения света от поверхностей предметов, изображенные на гониофотометрических графиках фиг.1: зеркальное, диффузное и смешанное или глянцевое. От зеркальной поверхности предмета 1 весь свет направленно отражается под углом отражения (прямые со стрелками), тогда как от шероховатой поверхности предмета 1 он равномерно (диффузно в виде идеального полукруга) рассеивается по всем углам. Глянцевые поверхности характеризуются смешанным диффузно направленным отражением света, с повышенной яркостью для углов, близких к углам отражения.
В настоящее время в работе колориста лакокрасочных слоев все более значительный объем занимает решение задачи подбора рецептур красок «металликов», включающих в свой пигментный состав мелкие металлические частицы размером 20-70 мкм. Отличительной особенностью «металликов» является зависимость цвета такой краски от углов зрения наблюдения или освещения окрашенной поверхности. Например, автомобиль, окрашенный краской «металлик», может ярко светиться в некоторой точке наблюдения и затем постепенно темнеть при повороте. Это связано с тем, что мелкие металлические частицы отражают часть падающего света как зеркала, создавая эффект глянца. В зависимости от преимущественной ориентации таких частиц в прозрачной основе краски значительная часть отраженного света может либо попасть в глаз наблюдателя, либо пройти в основном мимо него. Направление этой преимущественной ориентации существенно зависит от технологии нанесения краски. При быстром высыхании металлические частицы в виде дисков в основном располагаются параллельно слою краски, а при медленном - под более или менее большими углами. Поэтому колористу важно знать зависимость яркости красочного слоя при различных углах освещения, чтобы подобрать размер металлических частиц и технологические режимы нанесения краски.
°
С целью унификации были выбраны три типичных угла освещения образца краски относительно нормали его наблюдения: 10°, 40, 80°. При преимущественно параллельном слою краски расположении металлических частиц для малых углов их поворота (до 5°) наиболее яркой краска будет выглядеть при угле освещения 10°, для средних углов поворота (до 20°) - при угле освещения 40°, а для больших (до 40°) - при угле освещения 80°.
Известен спектрогониофотометрический способ измерения цвета по спектральному апертурному коэффициенту отражения света [1]. Разработанные на его основе спектрогониофотометры используются для измерения цвета образцов красок с блеском, например прибор фирмы X-Rite МА90.
Наиболее близким по сути к предлагаемому гониоколориметрическому способу измерения цвета является «Способ измерения цвета» по патенту №RU 2297604 С1 от 09.11.2005 г [2].
R
G
в
R
G
B
R
G
B
Компьютерный визуальный колориметр по этому патенту содержит поле образца О, установленное на RGB экране Э монитора персонального компьютера рядом с его светящимся полем М. Поле образца О освещено источником белого света И, отражаемого полупрозрачным зеркалом ЗП нормально на образец О. Оператор наблюдает одновременно двумя глазами поля О и М через непрозрачную диафрагму Д с двумя отверстиями. Цвет поля М можно программно изменять, выбирая определенное соотношение яркостей свечения B, B, В элементов пикселов монитора. Таким образом оператор уравнивает цвета пространственно разделенных полей образца О и монитора М. Яркость поля образца О оператор может изменять, меняя расстояние от источника света И до полупрозрачного зеркала ЗП. Измерение сводится к тому, чтобы изменяя число единиц колориметрической яркости N, N, N элементов пикселов поля М экрана монитора Э найти такое их цифровое значение, при котором поля О и М не отличались бы по цвету. При равновесии цвет образца О считается измеренным в системе RGB монитора персонального компьютера. Поскольку цвет образца О может лежать вне области охвата треугольника цветов RGB монитора, то уравнять цвета полей О и М можно только разбавив цвет образца О. Разбавление цвета образца О производится с помощью дополнительного отражающего зеркала ЗО, устанавливаемого параллельно под зеркалом ЗП. Эта система зеркал вводит в световой поток от образца О дополнительный поток или красного, или зеленого, или синего света от поля разбавления цвета Р. Поле Р формируется на экране Э монитора под полем образца О путем программного выбора яркости свечения или красных, или зеленых, или синих пикселей. В итоге одно из чисел или N, или N, или N оказывается отрицательным.
R
G
B
Набор чисел N, N, N однозначно характеризует цвет образца О в системе RGB монитора персонального компьютера и может быть пересчитан в требуемую расчетную систему, например XYZ. В системе XYZ любой цвет представляется точкой цветности на плоскости (х, у) и значением коэффициента яркости Y и записывается в виде тройки чисел (x, y, Y).
По известному способу можно измерить только одно значение Y для случая освещения образца О нормально падающим светом (угол освещения относительно нормали к образцу равен нулю). Широкий выбор углов освещения здесь невозможен. Кроме того, пространственное разнесение полей О и М затрудняет сравнивание цветов.
В предлагаемом способе поле разбавления цвета образца обрамляют на RGB экране монитора персонального компьютера полем переменного цвета и совместно оптически объединяют их на единой оси наблюдения с полем образца измеряемого цвета, располагаемого вне экрана RGB монитора для гониоколориметрических измерений цвета образца путем его последовательного освещения с различных угловых ракурсов светом белого светодиода.
Гониоколориметр, реализующий данный способ, содержит источник белого света, поле сравнения переменного цвета, состоящее из двух областей триад экрана трехцветного RGB монитора персонального компьютера: области поля переменного цвета и области поля разбавления цвета образца, оптически объединенной с полем образца цвета системой параллельных: отражающего и полупрозрачного зеркал, установленных под углом 45° к оси наблюдения так, что поле разбавления цвета образца обрамлено полем переменного цвета, а поле образца установлено вне экрана RGB монитора на единой оси наблюдения поля сравнения через оптическую систему зрительной трубки и полупрозрачного зеркала, причем ось источника света в виде белого светодиода установлена под углом ракурса освещения образца цвета.
На фиг.2 изображена схема гониоколориметра. Он содержит поле образца 1, установленное рядом с экраном 2 RGB монитора персонального компьютера 3. На экране 2 RGB монитора формируют квадратное поле 9 разбавления цвета образца 1, равное полю образца 1. Поле разбавления цвета 9 образца обрамляют на экране 2 RGB монитора квадратным полем 4 переменного цвета и совместно оптически переносят их на ось глаза оператора 7 с помощью системы отражающего 10 и полупрозрачного 6 зеркал. Центр поля образца 1 устанавливают на оси глаза оператора 7 так, что его изображение, видимое в зрительную трубку 8 через полупрозрачное зеркало 6, совпадает с изображением поля разбавления 9 цвета. Одновременно оператор 7 наблюдает через зрительную трубку 8 и поле переменного цвета 4, обрамляющего сумму полей 1 и 9. В вертикальной (или горизонтальной) плоскости оператора 7 устанавливают один или несколько (например, три) белых светодиода 5 на равных расстояниях от поля образца 1 и освещающих его под различными угловыми ракурсами, например 10°, 40°, 80°. Наблюдение совмещенных полей 1, 4 и 9 ведется через зрительную трубку 8 при условии равенства оптических расстояний наблюдения от глаза оператора 7 до образца 1 и до экрана 2 RGB монитора. Для фокусировки совмещенного изображения полей 1, 4 и 9 сначала наводят трубку 8 на резкость изображения поля сравнения, состоящего из полей 4 и 9, а затем, перемещая образец вдоль оси наблюдения, на резкость изображения поля образца 1.
Оператор 7, производящий измерение на гониоколориметре, видит через зрительную трубку 8 поле сравнения в виде освещенного квадратного цветового поля образца 1, совмещенного со светящимся полем разбавления цвета 9 и обрамленного светящимся полем переменного цвета 4. Поле образца 1 освещается под выбранным ракурсом, например 10°, белым светодиодом 5 с распределением спектральной плотности мощности близким по цветовой температуре к солнечному свету. Образец 1 селективно поглощает свет белого светодиода 5, изменяя его цвет.
R
G
в
Цвет поля 4 экрана 2 монитора персонального компьютера можно программно изменять (например, в программе Adobe Photoshop), выбирая определенное соотношение яркостей свечения B, B, В элементов пикселов. Максимальное значение колориметрической яркости каждого элемента пиксела соответствует уровню свечения в 256 условных единиц яркости. Едва заметное изменение яркости происходит при смене уровня на одну единицу.
R
G
B
Измерение сводится к тому, чтобы изменяя число единиц колориметрической яркости N, N, N элементов пикселов, найти их такое цифровое значение, при котором поля 1 и 4 не отличались бы по цвету. При равновесии цвет образца считается измеренным в системе RGB монитора персонального компьютера:
RGB
R
G
B
Ц=NR+NG+N В.
RGB
R
G
B
Если известны координаты цвета Ц в системе RGB монитора - N, N, N,то его координаты Nx, Ny, Nz в системе XYZ можно получить по известным формулам [2] пересчета и записать цвет образца:
xyz
x
y
Ц=NX+NY+Nz Z.
Данный колориметр предназначен для измерения цвета несамосветящихся объектов. У них собственно нет определенного цвета. Такой объект характеризуется спектральным коэффициентом отражения, и его цвет проявится только после освещения светом источника определенного спектрального состава. Поэтому в системе XYZ принята система нормировки координат цвета. Вся яркость в системе XYZ характеризуется координатой Y и для идеально белой диффузной поверхности принимается, что Y=1. У любого цветного объекта Y не равен единице.
Далее можно перейти к координатам цветности (х, у) фиг.3, вычислив значения Nx, Ny, Nz и разделив их на модуль цвета m=Nx+Ny+Nz. Таким образом, цвет объекта будет полностью характеризоваться тройкой чисел - (x, y, Y).
Для некоторых цветов координаты цветности (х, у) находятся вне зоны цветового охвата (R), (G), (B) треугольника, как это изображено на фиг.3. Образец 1 может иметь цвет, след которого на плоскости цветности (х, у) изображен точкой Ц в области зеленых цветов. Цвет Ц лежит вне площади охвата треугольника (R), (G), (B) люминофоров RGB монитора. Видно, что цвет Ц лежит ближе к линии спектрально-чистых цветов, чем цвета внутри (R), (G), (B) треугольника, т.е. чистота цвета Ц больше той, которую можно получить смешением (R), (G), (B) излучений люминофоров монитора в любом их соотношении. Уравнять цвета в поле образца 1 и в поле переменного цвета 4 экрана 2 монитора можно только уменьшив чистоту цвета поля образца 1, т.е. разбавив его цвет.
R
Эта операция производится при включении поля разбавления 9 цвета образца 1. Процесс разбавления осуществляется с помощью отражающего зеркала 10 и полупрозрачного зеркала 6. Цвет для разбавления должен находиться на одной из трех прямых [Ц;(Я)], [Ц;(G)], [Ц;(В)], пересекающей площадь треугольника (R), (G), (B). В данном случае таким цветом является красный (R). Доля красного должна быть достаточна, чтобы точка Ц переместилась до границы [(G), (B)] треугольника (R), (G), (B). Эта доля вычитается из доли зеленого и синего, введенного в поле переменного цвета сравнения 4 и поэтому число N оказывается отрицательным, что возможно в любой реальной системе цветов и свидетельствует об отсутствии красного цвета в поле переменного цвета сравнения 4.
В итоге цветовое уравнение для такого цвета приобретает следующий вид:
RGB
R
G
B
Ц=-NR+NG+N В.
B
G
Подобная ситуация может возникнуть также для областей желтых и пурпурных цветов. В этом случае отрицательные значения могут принять числа N или Nсоответственно.
Может оказаться, что яркость образца 1 мала. Тогда для увеличения яркости образца 1 увеличивают длительность импульсов питания белого светодиода 5. Если, наоборот, яркость образца 1 слишком велика, длительность импульсов уменьшают.
Регулировка цвета сравниваемых полей - поля образца 1 и поля переменного цвета 4 - происходит при запуске программы персонального компьютера 3 (например, в программе Adobe Photoshop), с клавиатуры, причем фиксация результата смены и сравнения цветов происходит в поле индикации 11 монитора 2.
Когда в поле 1 устанавливается образец краски с включенными в него металлическими частицами (краска - «металлик») в программе Adobe Photoshop используется режим наложения пикселов - режим Dissolve. В этом режиме в поле переменного цвета 4 происходит замена основного исходного цвета, на вносимый для отдельных пикселов. При этом эти пикселы располагаются случайно с определенной плотностью по площади и с учетом их прозрачности. Данный режим позволяет моделировать эффект краски «маталлик» путем того, что поле переменного цвета 4 среди RGB триад основного цвета содержит случайно расположенные отдельные триады дополнительного, например белого, цвета. По яркости (Y) отдельных триад дополнительного белого цвета колорист судит о размерах металлических частиц краски «металлик», а по их количеству на площади поля переменного цвета 4 - о их концентрации.
10°,40°,80°
10°,40°,80°
10°,40°,80°
Инструментально измеренная величина цвета Ц образца 1 в виде набора из девяти чисел для углов ракурса 10°, 40°, 80 (освещения образца 1: цветности (X; У) и яркости (У) служит ориентиром для дальнейшего расчета пигментной композиции подбираемой краски. Поскольку решение такой задачи не имеет единственного однозначного решения в принципе, то разумно построить алгоритм перебора возможных решений при непосредственном участии в нем колориста. Это упростит и удешевит расчет. Упрощение связано с тем, что колорист может оперативно путем компьютерного перебора нескольких вариантов выбрать предварительный пигментный состав краски, исключив при этом несколько промежуточных выкрасок, т.е. уменьшив число необходимых проб.
Литература
1. А.В.Луизов. Свет и цвет. - Л.: Энергоатомиздат, 1989.
2. Бюллетень изобретений №11, 20.11.2007.