Метамеризм в колориметрии: восприятие соответствия цветов

Введение

В колориметрии метамеризм – это воспринимаемое совпадение цветов, имеющих различные (несовпадающие) спектральные распределения энергии. Цвета, совпадающие таким образом, называются метамерами. Спектральное распределение энергии описывает пропорцию общего света, излучаемого, пропускаемого или отраженного цветовым образцом на каждой длине волны видимого спектра; оно определяет полную информацию о свете, приходящем от образца. Однако человеческий глаз содержит только три типа цветовых рецепторов (три типа колбочек), что означает, что все цвета сводятся к трем сенсорным величинам, называемым тристимульными значениями. Метамеризм возникает потому, что каждый тип колбочек реагирует на суммарную энергию в широком диапазоне длин волн, поэтому различные комбинации света на всех длинах волн могут вызывать эквивалентный отклик рецепторов и одинаковые тристимульные значения или цветовое восприятие. В науке о цвете набор кривых спектральной чувствительности численно представляется функциями соответствия цветов.

Источники метамеризма

Совпадения метамерии довольно распространены, особенно в почти нейтральных (серых или беловатых) или темных цветах. По мере того, как цвета становятся ярче или насыщеннее, диапазон возможных метамерических совпадений (различных комбинаций длин волн света) уменьшается, особенно для цветов, полученных из спектров отражения поверхностей. Метамерические совпадения между двумя источниками света лежат в основе трихроматической колориметрии. Способность создавать метамерические цветовые совпадения является основой практически всех коммерчески доступных процессов воспроизведения цветных изображений, таких как фотография, телевидение, печать и цифровая обработка изображений. Создание метамерических совпадений с использованием отражающих материалов более сложно. Восприятие цвета поверхности определяется произведением спектральной кривой отражения материала и спектральной кривой излучения источника света, освещающего эту поверхность. Следовательно, цвет поверхности зависит от используемого источника света.

Неисправность метамерики

Термин "несоответствие метамерии источника света" или "метамерия источника света" иногда используется для описания ситуаций, в которых два образца материала совпадают при наблюдении под одним источником света, но не под другим. Большинство типов люминесцентных ламп создают нерегулярную или пиковую спектральную кривую излучения, поэтому два материала под люминесцентным светом могут не совпадать, даже если они являются метамерическими соответствиями для лампы накаливания "белого" света с почти плоской или гладкой кривой излучения. Цвета материалов, совпадающие при одном источнике света, часто будут выглядеть по-разному при другом. Полиграфическая печать особенно подвержена этому, и цветопробы для печати лучше всего просматривать под источником света с цветовой температурой 5000 К и хорошими характеристиками цветопередачи для обеспечения точности цвета. Обычно такие атрибуты материала, как прозрачность, глянец или текстура поверхности, не учитываются при подборе цветов. Однако может возникнуть геометрическое несоответствие метамерии или геометрическая метамерия, когда два образца совпадают при наблюдении под одним углом, но перестают совпадать при наблюдении под другим углом. Типичным примером является изменение цвета, наблюдаемое в перламутровых автомобильных покрытиях или "металлизированной" бумаге, например, Kodak Endura Metallic, Fujicolor Crystal Archive Digital Pearl. Несоответствие метамерии наблюдателя или метамерия наблюдателя может возникать из-за различий в цветовом зрении между наблюдателями. Распространенной причиной несоответствия метамерии наблюдателя является дальтонизм, но оно также может возникать и у "нормальных" наблюдателей. Во всех случаях соотношение конусов, чувствительных к длинным волнам, к конусам, чувствительным к средним волнам, в сетчатке, профиль светочувствительности каждого типа конусов и степень пожелтения хрусталика и макулярного пигмента глаза различаются у разных людей. Это изменяет относительную важность различных длин волн в спектральном распределении мощности для цветового восприятия каждого наблюдателя. В результате два спектрально различных источника света или поверхности могут создавать цветовое соответствие для одного наблюдателя, но не соответствовать при просмотре вторым наблюдателем. Несоответствие метамерии размера поля или метамерия размера поля возникает из-за того, что относительные пропорции трех типов конусов в сетчатке варьируются от центра зрительного поля к периферии, поэтому цвета, которые совпадают при просмотре в виде очень маленьких, центрально фиксированных областей, могут выглядеть по-разному при представлении в виде больших цветовых областей. Во многих промышленных приложениях соответствие цветов на больших полях используется для определения цветовых допусков. Наконец, метамерия устройств возникает из-за несогласованности колориметров одного и того же или разных производителей. Колориметры в основном состоят из комбинации матрицы датчиков и оптических фильтров, что приводит к неизбежным расхождениям в измерениях. Кроме того, устройства, изготовленные разными производителями, могут отличаться по конструкции. Различие в спектральном составе двух метамерических стимулов часто называют степенью метамерии. Чувствительность метамерического соответствия к любым изменениям спектральных элементов, формирующих цвета, зависит от степени метамерии. Два стимула с высокой степенью метамерии, вероятно, будут очень чувствительны к любым изменениям источника света, состава материала, наблюдателя, поля зрения и т. д. Слово "метамерия" часто используется для обозначения несоответствия метамерии, а не соответствия, или для описания ситуации, в которой метамерическое соответствие легко нарушается даже при незначительных изменениях условий, таких как изменение источника света.

The term illuminant metameric failure or illuminant metamerism is sometimes used to describe situations in which two material samples match when viewed under one light source but not another. Most types of fluorescent lights produce an irregular or peaky spectral emittance curve, so that two materials under fluorescent light might not match, even though they are a metameric match to an incandescent "white" light source with a nearly flat or smooth emittance curve. Material colors that match under one source will often appear different under the other. Inkjet printing is particularly susceptible, and inkjet proofs are best viewed under a 5000K color temperature lighting source, with good color rendering properties, for color accuracy. Normally, material attributes such as translucency, gloss or surface texture are not considered in color matching. However geometric metameric failure or geometric metamerism can occur when two samples match when viewed from one angle, but then fail to match when viewed from a different angle. A common example is the color variation that appears in pearlescent automobile finishes or "metallic" paper; e. g., Kodak Endura Metallic, Fujicolor Crystal Archive Digital Pearl. Observer metameric failure or observer metamerism can occur because of differences in color vision between observers. The common source of observer metameric failure is colorblindness, but it is can also occur among "normal" observers. In all cases, the proportion of long wavelength sensitive cones to medium wavelength sensitive cones in the retina, the profile of light sensitivity in each type of cone, and the amount of yellowing in the lens and macular pigment of the eye, differs from one person to the next. This alters the relative importance of different wavelengths in a spectral power distribution to each observer's color perception. As a result, two spectrally dissimilar lights or surfaces may produce a color match for one observer but fail to match when viewed by a second observer. Field size metameric failure or field size metamerism occurs because the relative proportions of the three cone types in the retina vary from the center of the visual field to the periphery, so that colors that match when viewed as very small, centrally fixated areas may appear different when presented as large color areas. In many industrial applications, large field color matches are used to define color tolerances. Finally, device metamerism comes up due to the lack of consistency of colorimeters of the same or different manufacturers. Colorimeters basically consist of a combination of a matrix of sensor cells and optical filters, which present an unavoidable variance in their measurements. Moreover, devices built by different manufacturers can differ in their construction. The difference in the spectral compositions of two metameric stimuli is often referred to as the degree of metamerism. The sensitivity of a metameric match to any changes in the spectral elements that form the colors depend on the degree of metamerism. Two stimuli with a high degree of metamerism are likely to be very sensitive to any changes in the illuminant, material composition, observer, field of view, and so on. The word metamerism is often used to indicate a metameric failure rather than a match, or used to describe a situation in which a metameric match is easily degraded by a slight change in conditions, such as a change in the illuminant.

Измерение метамеризма

Наиболее известным показателем метамеризма является индекс цветопередачи (CRI), который представляет собой линейную функцию среднего евклидова расстояния между тестовым и эталонным спектральными векторами отражения в цветовом пространстве CIE 1964 года. CRI был заменен обновленной метрикой IES:TM30, которая обеспечивает более точную оценку соответствия цветов и добавляет возможности для оценки того, как тестовый источник света изменит насыщенность и тон цветов по сравнению с эталонным источником света. Другая метрика, используемая для имитаторов дневного света, – это MI, индекс метамеризма CIE, который вычисляется путем расчета средней разницы цветов восьми метамеров (пять в видимом спектре и три в ультрафиолетовом диапазоне) в CIELAB или CIELUV. Основное различие между CRI и MI заключается в используемом цветовом пространстве для расчета разницы цветов: пространство, используемое в CRI, устарело и не является перцептивно однородным. MI можно разложить на MIvis и MIUV, если рассматривается только часть спектра. Численный результат можно интерпретировать путем округления до одной из пяти буквенных категорий:

Категория MI (CIELAB) MI (CIELUV)
A < 0,25 < 0,32
B 0,25–0,5 0,32–0,65
C 0,5–1,0 0,65–1,3
D 1,0–2,0 1,3–2,6
E > 2,0 > 2,6

Метамеризм и промышленность

Использование материалов с метамерическими соответствиями цветов, а не спектральными, является существенной проблемой в отраслях, где важны подбор цвета или цветовые допуски.

Автомобильная промышленность

Классическим примером является автомобильная промышленность: красители, используемые для отделочных тканей, пластмасс и красок, могут быть подобраны для достижения хорошего соответствия цветов при освещении холодным белым люминесцентным источником, однако это соответствие может исчезать при других источниках света (например, дневном свете или лампах накаливания). Более того, из-за различий в составе красителей, спектральное совпадение встречается редко и часто возникает метамеризм.

Текстильная промышленность

Соответствие цветов в текстильной промышленности имеет решающее значение. В этой отрасли обычно встречаются три типа метамеризма: метамеризм источника света, метамеризм наблюдателя и метамеризм размера поля зрения. Из-за широкого разнообразия источников света, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, обеспечить точное соответствие цветов текстиля сложно. Метамеризм на больших текстильных изделиях можно устранить, используя различные источники света при сравнении цветов. Однако метамеризм в небольших изделиях, таких как текстильные волокна, решить сложнее. Эта сложность обусловлена необходимостью использования микроскопа, который имеет единственный источник освещения, для наблюдения этих мелких волокон. Следовательно, метамерические волокна нельзя различить ни макроскопически, ни микроскопически. Метод, позволяющий решить проблему метамеризма в волокнах, сочетает в себе микроскопию и спектроскопию и называется микроспектроскопией.

Производство красок

Цветовые совпадения, достигаемые в лакокрасочной промышленности, часто направлены на получение спектрального совпадения цветов, а не просто тристимульного (метамерического) совпадения при заданном спектре освещения. Спектральное цветовое совпадение стремится придать двум цветам одинаковые спектральные характеристики отражения, обеспечивая хорошее метамерическое совпадение с низкой степенью метамеризма и, тем самым, снижая чувствительность полученного цветового совпадения к изменениям источника света или различиям в восприятии разных наблюдателей. Один из способов избежать метамеризма в красках – использовать в воспроизведениях точно такие же пигментные и базовые цветовые составы, как и в оригинале. Если состав пигмента и базового цвета неизвестен, избежать метамеризма возможно только с помощью колориметрических приборов.

Печатная промышленность

На печатную промышленность также влияет метамеризм. Струйные принтеры осуществляют смешение цветов при определенном источнике света, что приводит к изменению внешнего вида оригинала и копии при различных источниках света. Один из способов минимизировать метамеризм в печати – сначала измерить спектральные характеристики отражения объекта или репродукции с помощью колориметра. Затем выбирается набор составов красок, соответствующих коэффициенту цветового отражения, которые используются струйным принтером для воспроизведения. Процесс повторяется до тех пор, пока оригинал и репродукция не демонстрируют приемлемую степень метамеризма. Однако, иногда приходит понимание, что более точное соответствие невозможно с использованием доступных материалов, либо из-за ограничений цветового охвата, либо из-за колориметрических свойств материалов.