Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

В состав дипломной научно - исследовательской работы входят:

- пояснительная записка 88 с., рисунков 38, таблиц 19, 27 источников;

- графические (демонстрационные) материалы 18 листов.

КОЛОРИМЕТРИЯ, КООРДИНАТЫ ЦВЕТНОСТИ, КООРДИНАТЫ RGB, СТЕПЕНЬ ОКРАШЕННОСТИ.

Целью дипломной работы является создание компьютерной программы и компьютерный расчет цветовых характеристик цветных стекол в колориметрической системе XYZ и компьютерной системе RGB, а также расчет координат цветностей, доминирующей длины волны и степени окрашенности по данным спектров пропускания стекол различных марок.

Кроме того, составлены графики зависимостей спектральных характеристик, таких как спектры пропускания в видимой области, от длины волны, и приведена методика расчета координат компьютерной системы RGB, исходя из спектров пропускания.

В результате проделанной работы определена зависимость изменения пропускания стекол в зависимости от длины волны. На данном этапе полученных измерений пропускания недостаточно для того, чтобы данный проект мог полноценно применяться в науке, технике и производстве, например, для формирования изображений, идентичных по цветности. Несмотря на это, в исследовательской работе было обозначено направление, в котором необходимо продолжать работать.



СОДЕРЖАНИЕ

РЕФЕРАТ

ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Колориметрия

1.2 Аддитивная модель

1.3 Разработка математической модели

1.3.1 Система R-G-B

1.3.2 Система X-Y-Z

1.4 Практическое применение

1.5 Цели и задачи

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методика подготовки образцов

2.2 Описание двухлучевого спектрофотометра Shimadzu UV-2600

2.3 Методика измерения светопропускания в видимой области спектра на спектрофотометре Shimadzu UV-2600

2.3.1 Назначение прибора

2.3.2 Оптическая схема

2.3.3 Порядок работы

2.4 Методика расчета

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Описание образцов

3.2 Спектры пропускания в видимой области

3.3 Расчет доминирующей длины волны

3.4 Расчет степени окрашенности

Выводы

4. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

4.1 Тип дипломной научно-исследовательской работы

4.2 Расчет затрат на выполнение научно-исследовательской работы

4.3 Взаимосвязь исследования с предыдущими работами подобного направления

4.4 Расчет величины ожидаемого экономического эффекта

4.5 Прогноз применения результатов выполненной дипломной работы

4.6 Сводная таблица экономических показателей

5. ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ И ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

5.1 Экологические характеристики всех используемых материалов

5.2 Экологические особенности проводимых исследований

5.3 Экологические характеристики полученных материалов

Выводы

6. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

6.1 Описание объекта дипломирования

6.2 Расположение объекта относительно розы ветров и его санитарно-защитная зона

6.3 Учет фоновых концентраций

6.4 Уровень травматизма, заболеваний. Расчет показателя риска

6.5 Описание рабочего места

6.6 Микроклимат

6.7 Освещенность

6.8 Эргономика рабочего места

6.9 Опасные производственные факторы

6.10 Мероприятия по обеспечению безопасности работающих

6.11 Электробезопасность

6.12 Вредные производственные факторы

6.13 Требования к уровням шума и вибрации

6.13.1 Шум

6.13.2 Вибрация

6.13.3 Загазованность воздуха парами вредных химических веществ

6.14 Мероприятия, направленные на уменьшение воздействий вредных производственных факторов

6.15 Экологичность проекта

6.16 Пожарная безопасность

6.17 Чрезвычайные ситуации

Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК



ПЕРЕЧЕНЬ ЛИСТОВ ДЕМОНСТРАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Наименование документа	Обозначение документа	Формат
1 Колориметрия. Цветовая модель	200204.65 449200 126 ТБ	А4
2 Цель	200204.65 449200 126 ТБ	А4
3 Задачи	200204.65 449200 126 ТБ	А4
4 Аддитивная модель	200204.65 449200 126 ТБ	А4
5 График цветности	200204.65 449200 126 ТБ	А4
6 Кривые удельных координат цвета для трёх основных цветов (XYZ)	200204.65 449200 126 ТБ	А4
7 Образцы	200204.65 449200 126 ТБ	А4
8 Аппаратура	200204.65 449200 126 ТБ	А4
9 Методика	200204.65 449200 126 ТБ	А4
10 Результат вычислений	200204.65 449200 126 ТБ	А4
11 Выводы	200204.65 449200 126 ТБ	А4



НОРМАТИВНЫЕ ССЫЛКИ

В настоящей работе использованы ссылки на следующие стандарты.

ГОСТ 12.1.005-88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны.

ГОСТ 12.1.030-81. Электробезопасность. Защитное заземление. Зануление. Система стандартов безопасности труда. - Взамен ГОСТ 12.1.013-78. - Введ. 1982-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1981. - 19 с. ; 22 см.

ГОСТ 17.2.3.01-86. Охрана природы. Атмосфера. Правила контроля качества воздуха населенных пунктов. - Взамен ГОСТ 17.2.3.01-77. - Введ. 1987-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1986. - 20 с. ; 22 см.

ГОСТ 9411-66. Стекло оптическое цветное. Технические условия - Введ. 1993-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1992. - 49 с. ; 22 см.

РД 34.21.122-87. Инструкция по устройству молниезащиты зданий и сооружений. - Введ. 1987-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1987. - 26 с. ; 22 см.

СанПиН 2.2.1/2.1.1.1031-01. Санитарно-защитные зоны и санитарная классификация предприятий, сооружений и иных объектов. - Взамен СанПиН 2.2.1/2.1.1.984-00. - Введ. 2001-10-01. - М. : Изд-во стандартов, 2001. - 33 с. ; 22 см.

СНиП 21-01-97. Пожарная безопасность зданий и сооружений. - Взамен СНиП 2.01.02-85. - Введ. 1998-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1997. - 16 с. ; 22 см.

СНиП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. - Взамен СНиП II-4-79. - Введ. 1996-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1995. - 24 с. ; 22 см.

СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция, кондиционирование. - Взамен СНиП 2.04.05-91. - Введ. 2004-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 18 с. ; 22 см.



ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

ГОСТ - государственный стандарт;

МКО - международная комиссия по освещению;

НИР - научно-исследовательская работа;

НПБ - нормы пожарной безопасности;

ПДК - предельно допустимая концентрация;

ПДВ - предельно допустимый выброс;

ПУЭ - правила установки элеткроустановок;

РСЭО - расходы на содержание и эксплуатацию оборудования;

СанПиН - санитарные правила и нормы;

СИЗ - средства индивидуальной защиты;

СЗЗ - санитарно защитная зона;

СНиП - строительные нормы и правила;

ТК РФ - трудовой кодекс Российской Федерации;

ТЭО - технико-экономическое обоснование;

УрО РАН - Уральское отделение Российской академии наук;

ФГАО ВПО УрФУ - Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»;

ФЗ - федеральный закон;

ЦКС - цветовая колориметрическая система;

ЧС - чрезвычайные ситуации.



ВВЕДЕНИЕ

За многие годы, как существует наука о цвете, давались многочисленные оценки феномена цвета и цветового видения. Однако все их можно свести к одному простому определению: цвет есть совокупность психофизиологических реакций человека на световое излучение, исходящее от различных самосветящихся предметов (источников света), либо отраженное от поверхности несамосветящихся предметов, а также (в случае прозрачных сред) прошедшее сквозь них. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света -- понятия физического мира, но сам цвет уже не является физическим понятием, поскольку это субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света.

Каждое цветное стекло обладает количественно измеряемыми физическими характеристиками. Одна из таких характеристик - пропускание и его спектральная зависимость.

Целью данной дипломной работы является создание компьютерной программы и компьютерный расчет цветовых характеристик цветных стекол в колориметрической системе XYZ и компьютерной системе RGB, а также расчет координат цветностей, доминирующей длины волны и степени окрашенности по данным спектров пропускания стекол различных марок. На основе спектров пропускания в работе решается задача представления цвета в международной колориметрической системе XYZ, а также компьютерной RGB , что позволяет точно воспроизвести необходимый цвет посредством технических возможностей.

Поскольку цель является комплексной, для ее достижения уместно поставить ряд задач: создание программы для расчета; непосредственный расчет цветовых характеристик в колориметрической системе, в компьютерной системе, расчет других необходимых характеристик и представление результата в удобном для восприятия виде.

Исходные данные для проведения работы были предоставлены студенткой УрФУ Осокиной Наргиз, полученные ей с использованием установок, находящихся в Институте органического синтеза им. И.Я. Постовского, УрО РАН, Уральское отделение РАН.



1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Колориметрия

За те годы, что существует наука о цвете, давались многочисленные оценки феномена цвета и цветового видения. Однако все их можно свести к одному простому определению: цвет есть совокупность психофизиологических реакций человека на световое излучение, исходящее от различных самосветящихся предметов (источников света) либо отраженное от поверхности несамосветящихся предметов, а также (в случае прозрачных сред) прошедшее сквозь них. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света -- понятия физического мира, но сам цвет уже не является физическим понятием, поскольку это субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света.

Каждое цветное стекло обладает количественно измеряемыми физическими характеристиками. Одна из таких характеристик - пропускание.

Колориметрия -- наука о цвете и измерении цвета. Это наука, исследующая методы измерения, выражение количества цвета и различий цветов, возникшая в XIX веке. Научную основу колориметрии как сочетание нескольких основных цветов положил Исаак Ньютон. Дальнейшее развитие колориметрии отражено в работах немецким математиком Г. Грассманом законов, по которым каждый цвет является суммой трех других цветов, взятых в определенных долях. При этом такие цвета должны быть независимыми, то есть два из них, смешиваясь, не должны давать третий. Полная математическая теория цветового тела создана советским учёным Н. Нюбергом и частично немецким учёным Р. Лютером. Измерить цвет -- значит выразить его через какие-то величины и тем самым определить его место во всем множестве цветов в рамках некоторой системы их выражения или математического описания.

Многим известно о том, что существует три первичных цвета, которые невозможно получить и которые образуют все остальные. Основные цвета - это желтый, красный и синий. При смешивании желтого с красным получается оранжевый, синего с желтым - зеленый, а красного с синим - фиолетовый.

Для описания излучаемого и отраженного цвета используются разные математические модели - цветовые модели, т.е. - это способ описания цвета с помощью количественных характеристик.

В цветовой модели каждому цвету можно поставить в соответствие строго определенную точку. В этом случае цветовая модель - это просто упрощенное геометрическое представление, основанное на системе координатных осей и принятого масштаба.

По принципу действия перечисленные цветовые модели можно условно разбить на три класса:

- аддитивные (RGB), основанные на сложении цветов;

- субтрактивные (CMY, CMYK), основу которых составляет операция вычитания цветов (субтрактивный синтез);

- перцепционные (HSB, HLS, XYZ, LAB), базирующиеся на восприятии.

Наиболее простыми, исторически последовательными в использовании оказались аддитивные колориметрические системы (RGB) и (XYZ).

1.2 Аддитивная модель

Аддитивная (суммирующая) система цветопередачи означает, что цвета в этой модели добавляются к черному (Black) цвету. Аддитивное смещение цветов можно трактовать как, - процесс объединения световых потоков различных цветов до того, как они достигнут глаза. Аддитивными моделями цвета (от англ. add - складывать) называются цветовые модели, в которых световой поток со спектральным распределением, визуально воспринимающимся как нужный цвет, создается на основе операции пропорционального смешивания света, излучаемого тремя источниками. Аддитивная модель цвета предполагает, что каждый из источников света имеет свое постоянное спектральное распределение, а его интенсивность регулируется. Аддитивный цвет получается на основе законов Грассмана путем соединения лучей света разных цветов. В основе этого явления лежит тот факт, что большинство цветов видимого спектра могут быть получены путем смешивания в различных пропорциях трех основных цветовых компонент. Этими компонентами, которые в теории цвета иногда называются первичными цветами, являются красный (Red), зеленый (Green) и синий (Вlue) цвета. При попарном смешивании первичных цветов образуются вторичные цвета: голубой (Сyan), пурпурный (Magenta) и желтый (Yellow). Следует отметить, что первичные и вторичные цвета относятся к базовым цветам.

Базовыми цветами называют цвета, с помощью которых можно получить практически весь спектр видимых цветов.

Для получения новых цветов с помощью аддитивного синтеза можно использовать и различные комбинации из двух основных цветов, варьирование состава которых приводит к изменению результирующего цвета. Таким образом аддитивные цветовые модели представляют средства для концептуального и количественного описания цвета.

Существуют две разновидности аддитивной модели цвета: аппаратно зависимая и перцептивная. В аппаратно-зависимой модели цветовое пространство зависит от характеристик устройства вывода изображения (монитора, проектора). Из-за этого одно и то же изображение, представленное на основе такой модели, при воспроизведении на различных устройствах будет восприниматься визуально немного по-разному. Перцептивная модель построена с учетом особенностей зрения наблюдателя, а не технических характеристик устройства. В 1931 г. Международная комиссия по освещению (CIE) стандартизовала цветовую систему RGB, а также завершила работу, позволившую создать математическую модель человеческого зрения. Было принято цветовое пространство CIE 1931 XYZ, являющееся базовой моделью по сей день.

При измерении цвета основной задачей является определение координат цвета, так как все остальные величины вычисляются по их значениям. Координаты цвета могут быть либо определены непосредственно при помощи трехцветных колориметров или компараторов цвета, либо вычислены на основании спектров диффузного отражения, а также пропускания.

При падении потока излучения на поверхность предмета часть потока может пройти сквозь предмет, часть -- отразиться от поверхности, а часть -- поглотиться. Отношение отраженной, пропущенной и поглощенной частей потока излучения ко всему потоку, падающему на предмет, называют, соответственно, коэффициентом отражения, пропускания и поглощения.

Для измерения коэффициентов отражения и пропускания используются спектрофотометры.

Колориметрия - методы измерения и количественного выражения цвета и цветовых различий. Определение цвета излучения связано с субъективным его восприятием, которое различно у разных людей и зависит от условий наблюдения. На практике широко используют такие субъективные характеристики, как цветовой тон, насыщенность и светлота. Существуют системы классификации цветов - систематизированного их обозначения - в виде цветовых атласов и эталонированных образцов, составленных на основе усреднённых определений цвета и утверждённых Международной комиссией по освещению (МКО). Цветовые атласы и эталонированные образцы обычно непрозрачны и предназначены для рассматривания в отражённом свете, они широко применяются на практике в полиграфии, в текстильном производстве и т. п.

В колориметрии созданы системы, в которых цвет количественно измеряется и выражается эталонными излучениями, смешиваемыми в определенных пропорциях. Такое объективное выражение цвета воспроизводимыми мерами осуществляется при строго заданных условиях наблюдения. Характеристика цвета в колориметрии трёхмерна, т. е. цвет количественно выражается тремя взаимосвязанными параметрами. Поэтому цвет в колориметрии представляют трёхкомпонентным вектором в линейном пространстве. Цвета трёх излучений, которыми выражается цветовой стимул, называют основными цветами. Основными могут быть любые три цвета, каждый из которых не воспроизводится двумя другими. Таких триад цветов, образующих цветовую координатную систему, много. Наиболее широко используется система RGВ из красного (red, R), зелёного (green, G) и синего (blue, В) основных цветов, из смеси которых могут быть получены почти все реально встречающиеся цвета.

Однако у модели цвета RGB есть три принципиальных недостатка: Первый - недостаточность цветового охвата. Независимо от размера цветового пространства модели цвета RGB, в ней невозможно воспроизвести много воспринимаемых глазом цветов (например, спектрально чистые голубой и оранжевый). У таких цветов в формуле цвета RGB имеются отрицательные значения интенсивностей базового цвета, а реализовать не сложение, а вычитание базовых цветов при технической реализации аддитивной модели очень сложно. Этот недостаток устранен в перцептивной аддитивной модели.

Второй недостаток модели цвета RGB состоит в невозможности единообразного воспроизведения цвета на различных устройствах (аппаратная зависимость) из-за того, что базовые цвета этой модели зависят от технических параметров устройств вывода изображений. Поэтому, строго говоря, единого цветового пространства RGB не существует, области воспроизводимых цветов различны для каждого устройства вывода. Более того, даже сравнивать эти пространства численно можно только с помощью других моделей цвета. Третий недостаток коррелированность цветовых каналов (при увеличении яркости одного канала другие уменьшают ее).

Также у модели есть и достоинства. Множество компьютерного оборудования работает с использованием модели RGB, кроме того, эта модель очень проста, ее "генетическое" родство с аппаратурой (сканером и монитором), широкий цветовой охват (возможность отображать многообразие цветов, близкое к возможностям человеческого зрения) этим объясняется ее широкое распространение.

Главные достоинства модели цвета RGB состоят в ее простоте, наглядности и в том, что любой точке ее цветового пространства соответствует визуально воспринимаемый цвет.

Благодаря простоте этой модели она легко реализуется аппаратно. В частности, в мониторах управляемыми источниками света с различным спектральным распределением служат микроскопические частицы люминофора трех видов. Они хорошо заметны через увеличительное стекло, но при рассматривании монитора невооруженным глазом из-за явления визуального смыкания видно непрерывное изображение.

Интенсивность светового излучения в мониторах на основе электроннолучевых трубок регулируется с помощью трех электронных пушек, возбуждающих свечение люминофоров. Доступность многих процедур обработки изображения (фильтров) в программах растровой графики, небольшой (по сравнению с моделью CMYK) объем, занимаемый изображением в оперативной памяти компьютера и на диске.

1.3 Разработка математической модели

1.3.1 Система R-G-B

Основой математического описания цвета в колориметрии является экспериментально установленный факт, что любой цвет можно представить в виде суммы определенных количеств трех линейно независимых цветов, т.е. таких цветов, каждый из которых не может быть представлен в виде суммы каких-либо количеств других цветов. Групп линейно независимых цветов существует бесконечно много, но в колориметрии используются лишь некоторые из них. Три выбранных линейно независимых цвета называют основными цветами. Эти цвета определяют цветовую координатную систему. Цветовыми координатами данного цвета задается количество основных цветов в смеси, цвет которой зрительно неотличим от данного цвета.

Любой измеряемый цвет S может быть представлен графически в трёхмерном цветовом пространстве координатами R?, G?, B? (т. н. коэффициентами цвета) на соответствующие координатные оси с единичными векторами R, G, B. Цветовые координаты измеряются на колориметре или вычисляются по кривым сложения (см. ниже). Визуальное тождество измеряемого цвета S и аддитивной смеси трёх основных цветов выражается векторным цветовым уравнением

, (1.1)

которое и определяет данный цвет.

Единичными количествами принято считать такие потоки излучений трёх основных цветов, смесь которых образует нейтральный ахроматический (белый) цвет. В качестве белого цвета может, быть принят, например, цвет, равноэнергетический по спектру излучения. Зарегистрировав с помощью термоэлемента энергетической мощности смешиваемых излучений, единичные количества основных цветов можно выразить в энергетических единицах.



Рисунок 1.1 - Единичная плоскость и нейтральный цвет N в трёхкоординатном цветовом пространстве RGB

Расположение координатных осей цветового пространства тоже достаточно произвольно, но из практических соображений часто применяют такое расположение и масштаб, чтобы вектор белого цвета N пересекал бы единичную плоскость R?+G?+B?=1 в центр. точке N треугольника, образованного вершинами единичных векторов R, G, В (рисунок 1.1). Любой цветовой вектор S (или его продолжение) пересекает единичную плоскость в точке S, которая определяет цветность характеризуемого излучения (цветового стимула).

Участок единичной плоскости, заключённый внутри треугольника, представляет цветовой охват данной системы координат и называется графиком цветности (или цветовым треугольником). Вершины этого треугольника представляют собой цветности (R), (G), (В) основных цветов R, G, В. Положение точки S в цветовом треугольнике задаётся координатами (коэффициентами) цветности r, g, b, которые определяются, как отношение координат цвета к их сумме, называемой модулем:

; ; . (1.2)

Т. к. координаты цветности связаны соотношением r+g+b==l, т. е. линейно зависимы, то для полной характеристики цвета S пользуются третьей координатой, равной сумме коэффициентов цвета; эта координата характеризует вес точки. Таким образом, два коэффициента цветности в совокупности с модулем цвета дают полную количественную характеристику цвета. Для полной характеристики цвета кроме двух (любых из трёх) координат цветности используется также координата цвета Y?, выражающая яркость.

В цвете, как в трехмерной величине, можно выделить одномерную составляющую, определяющую его количество (которое связано с мощностью соответствующего излучения), а оставшаяся двухмерная составляющая будет характеризовать его качество, называемое цветностью. Эту величину удобно характеризовать в двумерном пространстве «единичной» плоскости цветового пространства, проходящей через три единичные точки координатных осей (осей основных цветов). Линии пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями образуют на ней равносторонний треугольник, в вершинах которого находятся единичные значения основных цветов - треугольник Максвелла. Цветность какого-либо цвета определяется не тремя его цветовыми координатами, а соотношением между ними, т.е. положением цветового вектора. Следовательно, цветность можно характеризовать положением точки пересечения этого вектора с единичной плоскостью. Вместо треугольника Максвелла часто используют треугольник более удобной формы - прямоугольный равнобедренный. Тогда положение точки цветности определяется двумя координатами цветности, каждая из которых равна частному от деления одной из цветовых координат на сумму всех цветовых координат. В таком случае, двух координат цветности достаточно, т.к. по определению сумма ее трех координат равна единице. Точка цветности исходного цвета, для которой три цветовые координаты равны между собой, находится в центре цветового треугольника.

Любой цвет S (R?, G?, B?), точка цветности которого S (r, g, b) расположена внутри цветового треугольника, может быть получен как сумма положительных значений основных цветов системы RGB. Однако, если цвет не входит в цветовой охват данной системы, то одна или две координаты цвета становятся отрицательными. Физически это означает, что измеряемый цвет не может быть получен смешиванием основных цветов, но измеряемый цвет в смеси с тем основным цветом, координата которого отрицательна, образует такой же цвет, как и смесь двух других основных цветов. Например, выражение

следует интерпретировать как .

МКО в 1931 стандартизовала цветовую систему с монохроматическими излучениями в качестве основных цветов R (700 нм), G (546,1 нм), В(435,8 нм). Единичные количества основных цветов выбраны так, что их энергетические яркости относятся соответственно как 72,1 : 1,4 : 1,0

Рисунок 1.2 - Удельные координаты цвета в системе RGB (МКО, 1931)

Спектральные распределения значений удельных координат (по л или х) наз. кривыми сложения (рисунок 1.2).

На рисунке 1.6 представлен график цветности указанной выше системы. В центре тяжести треугольника расположена точка Е, обозначающая белый цвет равноэнергетического спектра.

1.3.2 Система X-Y-Z

Цветность цвета, получаемого сложением двух цветовых стимулов, определяется точкой, которая расположена на прямой, соединяющей точки цветности этих стимулов, и отдалена от этих точек отрезками, обратно пропорциональными модулям цвета смешиваемых излучений. Цвета, цветности которых выходят за пределы цветового треугольника, имеют отрицательное значение одной из координат цвета, и их нельзя воспроизвести смешением основных цветов системы. Линия спектральных цветов, как видно из рисунка 1.3, лежит вне пределов треугольника, она ограничивает на цветовом графике поле реальных цветов. Следовательно, в системе МКО RGB не все реальные цвета можно получить смешением трёх основных цветов.

Рисунок 1.3 - Цветовой график системы RGB основных цветов монохроматических излучений с длинами волн 700,0; 546,1; 435,8 нм (МКО, 1931) и график цветности x, y системы XYZ

Рисунок 1.4 - Удельные координаты цвета системы XYZ (МКО, 1931)

Наличие отрицательных координат для реальных цветов неудобно в вычислительной работе, поэтому в 1931 МКО стандартизовала систему XYZ с прямоугольным цветовым графиком, в которой основные цвета не являются реально существующими и кривые сложения не имеют участков с отрицательными значениями (рисунок 2.4). Основные цвета X, Y, Z выбраны с таким расчётом, что кривая подобна кривой относительной спектральной эффективности (видности) глаза. Тогда координата Y? непосредственно характеризует яркость цвета. В этой системе все реальные цвета укладываются внутри цветового треугольника (рисунок 1.5).



Рисунок 1.5 - Трёхкоординатное цветовое пространство, построенное на основных цветах (МКО, 1931) X, Y, Z

Единичные цвета системы XYZ связаны с единичными цветами системы RGB преобразованиями (2.6), а координаты цвета двух систем связаны между собой уравнением (2.7)

Цветовое уравнение в системе XYZ записывается в виде

,

где X?, Y?, Z? - координаты цвета,

X, Y, Z - единичные векторы основных цветов.

Координаты цветности в системе XYZ определяются аналогично их определению в системе RGB:

; ; . (1.3)

Когда цвет представлен спектральным распределением излучения, тио для нахождения его цветовых координат нужно использовать кривые сложения как взвешивающие функции, оценивающие это излучение. Такая оценка может выполняться так называемым спектрофотометрическим методом цветовых измерений, который состоит в измерении спектрального распределения энергии излучения и последующем расчете цветовых координат при перемножении найденной функции спектрального распределения на три функции сложения и интегрирования произведений. Если Е(л) - функция спектрального распределения источника, р(л) - функция спектрального отражения или пропускания предмета, а х(л), у(л), z(л) - функции сложения, то цветовые координаты X, Y, Z определяются следующим образом:

. (1.4)

а - области цветностей в системе XYZ, б - линии постоянного цветового тона, чистоты цвета (сплошные) и насыщенности (пунктирные).

Рисунок 1.6 - Цветовой график системы XYZ

Распределение цветностей в системе XYZ показано на рисунке 1.6 (а). Точка Е соответствует цветности равноэнергетического излучения, точки С и А - цветности излучения чёрного тела при температурах 6770 К и 2856 К. Связь системы XYZ с системой обозначения цвета по цветовому тону , колориметрической чистоте цвета (Р) и насыщенности (яркости У) представлена на рисунке 1.6 (б) при равноэнергетическом источнике Е. Штриховые линии - линии постоянной насыщенности, измеряемой числом цветовых порогов различения. Величина цветового порога определяется той минимальной разностью в цветности двух одинаковых по яркости цветов, которую ещё способен заметить глаз. Величиной цветовых порогов между двумя близкими цветами можно измерять разнооттеночность цветов. На различных участках графика XYZ пороги различения цветов неодинаковы, что представляется т. н. эллипсами ошибок, в пределах которых различие в цвете не обнаруживается. Для наглядности определения количества различных цветовых оттенков на колориметрическом участке цветового графика большое удобство представляют равноконтрастные цветовые графики. Они дают возможность выразить разнооттеночности близких друг к другу цветов по величине расстояний между точками их цветности на диаграмме.

1.4 Практическое применение

Цветные стекла, оптические и технические, имеют разнообразные применения: в фотографии, в визуальных оптических приборах для улучшения видимости, для сигнализации, для декоративных целей и во многих других случаях; в применении к приборам пластинки из цветного оптического стекла часто называют светофильтрами.

В некоторых случаях имеет значение главным образом спектральный состав излучения, прошедшего светофильтр; такой случай мы имеем, когда светофильтр ставится на пути лучей, проходящих фотографический объектив, с целью задержать лучи определенной длины волны; очевидно, что цвет стекла еще не определяет пригодности светофильтра для данной цели, так как один и тот же цвет могут иметь излучения с различным спектральным составом. В противоположность этому можно привести случай применения цветного стекла для сигнализационных фонарей, где преимущественное значение имеет цвет стекла.

Современные фотоэлектрические спектрофотометры позволили значительно расширить области применения как визуальной, так и фотоэлектрической колориметрии. Они представляют собой практическое средство для быстрой калибровки рабочих цветовых стандартов. Если нужно измерить достаточно большую группу образцов (порядка 20 или более), имеющих примерно один и тот же спектральный состав, то при современном состоянии колориметрии наиболее удовлетворительный путь решения задачи заключается в тщательном измерении на спектрофотометре одного или двух образцов из этой группы и использованием их в качестве рабочих стандартов при визуальном или фотоэлектрическом измерении цветовых различий между стандартами и остальными образцами.

Необходимо отметить, что много задач при промышленном контроле цвета попадает в эту категорию. Вариации цвета промышленных изделий вызываются, как правило, небольшими изменениями пропорций небольшого числа красителей или изменениями параметров технологических процессов, например температуры, влажности, кислотности, щелочности, а также небольшими изменениями цвета исходных материалов. Случаи, когда перечисленные изменения приводят к значительным метамерным различиям между изделиями одной партии, редки.

Знание координат цветов необходимо людям, чья профессиональная деятельность связана с цветным стеклом как элементом декора: подробные таблицы координат RGB способны оказать огромную помощь при подборе цвета стеклянной поверхности.

1.5 Цели и задачи

Целью дипломной работы является создание компьютерной программы и компьютерный расчет цветовых характеристик цветных стекол в колориметрической системе XYZ и компьютерной системе RGB, а также расчет координат цветностей, доминирующей длины волны и степени окрашенности по данным спектров пропускания стекол различных марок.

Задачи:

- создание программы для расчета;

- расчет координат цветностей;

- расчет доминирующей длины волны;

- расчет степени окрашенности;

- расчет цветовых характеристик в колориметрической системе XYZ;

- расчет цветовых характеристик в компьютерной системе RGB;

- представление результата в удобном для восприятия виде.

- 

2. МЕТОДИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методика подготовки образцов

В качестве образцов были взяты 25 цветных стекол различных марок. Выбор материала был обусловлен цветом образцов: отбор происходил таким образом, чтобы цвет образцов был отличен друг от друга невооруженным глазом. Требования к такому стеклу изложены в ГОСТ 9411-91. Полный перечень образцов и их толщин представлен в таблице 2.1.

Таблица 2.1 -- Марки и толщины стекол

Марка стекла	Толщина, мм	Марка стекла	Толщина, мм
БС-5	2,08	ОС-11	3,14
БС-10	3,16	ОС-13	3,44
ЖЗС-1	1,85	ПС-5	3,10
ЖЗС-19	2,11	ПС-13	1,78
ЖС-11	3,02	СЗС-7	2,08
ЖС-17	3,15	СЗС-22	2,84
ЗС-1	2,11	СЗС-26	2,05
ЗС-7	4,11	СС-6	2,06
КС-10	3,05	СС-15	2,00
КС-13	3,14	ТС-1	2,09
КС-19	3,19	ТС-2	2,05
НС-7	2,15	ФС-1	1,94
НС-10	2,06

Внешний вид образцов изображен на рисунке 2.1.



Рисунок 2.1 -- Исходные образцы

Необходимым условием для получения измерений является тщательная подготовка образца и соблюдение чистоты процесса, а именно:

- проведение эксперимента в обеспыленных условиях;

- должным образом очищенное стекло.

Чистка и обезжиривание стекла производится этиловым спиртом при помощи безворсовой салфетки.

2.2 Описание двухлучевого спектрофотометра Shimadzu UV-2600

Приборы исследовательского класса для решения научных и прикладных задач. Спектральный диапазон 185-900 нм с возможностью расширения до 1400 нм.

Программное обеспечение UVProbe дает возможность работать в следующих режимах:

- спектральный;

- фотометрический (количественный);

- кинетический;

- выполнение валидации спектрофотометра.

В таблице 2.3 представлены технические характеристики Shimadzu UV-2600.

Таблица 2.3 -- Технические характеристики Shimadzu UV-2600

Технические характеристики	Shimadzu UV-2600
Оптическая схема	Двухлучевая
Монохроматор	одиночный (Черни-Тернера);
Спектральный диапазон	185 - 1400 нм (с интегрирующей сферой)
	185 - 900 нм (без интегрирующей сферы)
Ширина щели	0,1; 0,2; 0,5; 1; 2 и 5 нм
Скорость сканирования	от 4000 до 0,5 нм/мин
Скорость установки длины волны	до 14000 нм/мин
Детектор	Фотоумножитель R-928 и дополнительные полупроводниковые детекторы в интегрирующих сферах
Погрешность по шкале длин волн	± 0,1 нм при 656,1 нм (D2);
	± 0,3 нм в остальном диапазоне
Воспроизводимость по шкале длин волн	± 0,05 нм
Уровень рассеянного излучения	? 0,005 % (220, 340 и 370 нм)
Фотометрируемые величины	Поглощение (Abs), пропускание (% T), отражение (%), энергия (Е)
Фотометрический диапазон	от - 5 до +5 Abs;
Фотометрическая точность	± 0,002 Abs (при 0,5 Abs);
	± 0,003 Abs (при 1 Abs);
	± 0,006 Abs (при 2 Abs);
	± 0,3 % T
Фотометрическая воспроизводимость	± 0,001 Abs (0,5 Abs);
	± 0,001 Abs (1 Abs);
	± 0,1 % T
Дрейф нулевой линии	? 0,0002 Аbs/час;
Размеры прибора	450 * 600 * 250 мм
Вес	23кг

Конструкция кюветного отделения позволяет устанавливать различные дополнительные приставки.



2.3 Методика измерения светопропускания в видимой области спектра на спектрофотометре Shimadzu UV-2600

2.3.1 Назначение прибора

Спектрофотометр Shimadzu UV-2600 рассчитан для измерения коэффициента пропускания исследуемого образца Т, равного отношению интенсивности потока излучения I, прошедшего через измеряемый образец, к интенсивности потока излучения I₀, падающего на измеряемый образец (или прошедшего через контрольный образец, коэффициент пропускания которого принимается за единицу), и выражаемого формулой (2.1):

. (2.1)

Измерение производится по методу электрической автокомпенсации.

В монохроматический поток излучения поочередно вводятся контрольный и измеряемый образцы. При введении контрольного образца стрелка измерительного прибора устанавливается на деление 100 % регулировкой ширины щели, и величину установившегося при этом светового потока принимают за 100 % пропускания. При введении в поток излучения измеряемого образца стрелка измерительного прибора отклоняется пропорционально изменению потока, величина коэффициента пропускания отсчитывается по шкале, отрегулированной в процентах пропускания или единицах оптической плотности.

2.3.2 Оптическая схема

Оптическая схема - двухлучевая. В оптической схеме: 1 - источник излучения; 2 - система зеркал; 3 - кювета с анализируемым образцом; 4 - кювета сравнения; 5 - механический модулятор-прерыватель; 6 - входная щель монохроматора; 7 - диспергирующий узел (дифракционная решетка или призма); 8 - выходная щель монохроматора; 9 - приемник; 10 - усилитель; 11 - мотор отработки; 12 - фотометрический клин; 13 - самописец; 14 - двигатель развертки (лентопротяжки). Схема изображена на рисунке 2.6.

Чтобы измерить коэффициент отражения (поглощения), необходимо измерить как падающий, так и отраженный от образца свет. Поэтому в традиционном двухлучевом приборе второй луч, луч сравнения, используется в качестве эталона. Это позволяет измерить свет, который попадает на образец.

Рисунок 2.6 -- Оптическая схема спектрофотометра

В двухлучевом приборе использование луча сравнения также увеличивает стабильность измерения прибора. Двухлучевой прибор менее чувствителен к изменениям, происходящим в процессе измерения.

2.3.3 Порядок работы

1) Включить прибор в сеть с помощью тумблера. Он должен отобразиться на экране компьютера как активный; стабильная работа спектрофотометра обеспечивается через 10 минут после его включения.

2) Задать необходимый интервал измерения с помощью компьютерной программы;

3) Поместить исследуемый образец в кювету. При этом обеспечить достаточную чистоту образца; использовать при необходимости держатель;

4) Плотно закрыть отсек для образцов;

5) С помощью компьютерной программы снять показания и произвести необходимые их преобразования;

6) Выключение спектрофотометра производится тумблером.

2.4 Методика расчета

Основой математического описания цвета в колориметрии является экспериментально установленный факт, что любой цвет можно представить в виде суммы определенных количеств трех линейно независимых цветов, т.е. таких цветов, каждый из которых не может быть представлен в виде суммы каких-либо количеств двух других цветов. Групп линейно независимых цветов существует бесконечно много, но в колориметрии используются лишь некоторые из них. Три выбранных линейно независимых цвета называют основными цветами. Эти цвета определяют цветовую координатную систему. Цветовыми координатами данного цвета задается количество основных цветов в смеси, цвет которой зрительно неотличим от данного цвета.

Отнесенные к стандартному наблюдателю в определенных неизменных условиях, стандартные данные смешения цветов и построенные на них ЦКС описывают лишь физический аспект цвета, но учитывая цветовосприятие глаза при изменении условий наблюдения и по другим причинам.

Когда цветовые координаты какого-либо цвета откладывают по трем взаимноперпендикулярным координатным осям, этот цвет геометрически представляется точкой в трехмерном пространстве или вектором, начало которого совпадает с началом координат, а конец - с указанной точкой цвета. Точечная или векторная геометрическая трактовки цвета равноценны и обе используются при описании цветов. Точки, заполняющие все реальные цвета, заполняют некоторую область цветового пространства. Но математически все точки пространства равноправны, поэтому можно считать, что и точки вне области реальных цветов представляют некоторые цвета. Такое расширение толкования цвета как математического объекта приводит к понятию так называемых нереальных цветов, которые невозможно как-либо реализовать практически. Тем не менее, с такими цветами можно производить математические операции так же, как и с реальными цветами, что оказывается чрезвычайно удобным в колориметрии. Соотношение между основными цветами в ЦКС выбирают так, что их количества, дающие в смеси некоторый цвет, чаще всего белый, принимают равными единице. В качестве белого цвета может быть принят, например, цвет равноэнергетического по спектру излучения.

В цвете как в трехмерной величине можно выделить одномерную составляющую, определяющую его количество, а оставшаяся двухмерная составляющая будет характеризовать его качество, называемое цветностью. Эту величину удобно описать в двумерном пространстве - на «единичной» плоскости цветового пространства, проходящей через три единичные точки координатных осей. Линии пересечения единичной плоскости с координатными плоскостями образуют на ней равносторонний треугольник, в вершинах которого находятся единичные знаки значения основных цветов. Этот треугольник часто называют треугольником Максвелла. Цветность какого-либо цвета определяется не тремя его цветовыми координатами, а соотношением между ними, т.е. положением цветового вектора. Следовательно, цветность можно охарактеризовать положением точки пересечения этого вектора с единичной плоскостью. Вместо треугольника Макссвелла часто используют цветовой треугольник более удобной формы - прямоугольный и равнобедренный. Положение точки цветности в нем определяется двумя координатами цветности, каждая из которых равна частному от деления одной из цветовых координат на сумму всех цветовых координат. Двух координат цветности достаточно, т.к. по определению сумма ее трех координат равна единице. Точка цветности исходного цвета, для которой три цветовые координаты равны между собой, находятся в центре цветового треугольника. Представление цвета с помощью ЦКС должно отражать свойства цветового зрения человека. Поэтому предполагается, что в основе всех ЦКС лежит так называемая физиологическая ЦКС. Эта система определяется тремя функциями спектральной чувствительности трех различных видов приемников света, которые имеются в сетчатке глаза человека и, согласно наиболее употребительной трехцветной категории цветового зрения, ответственны за человеческое цветовосприятие. Реакции этих трех приемников на излучение считаются цветовыми координатами в физиологической ЦКС, но функции спектральной чувствительности глаза не удается определить косвенным путем и не используют непосредственно в качестве основы построения колориметрических систем.

Свойства цветового зрения учитываются в колориметрии по результатам экспериментов по смешению цветов. В таких экспериментах выполняется зрительно уравнивание чистых спектральных цветов, т.е. цветов, соответствующих монохроматическому свету с различными длинами волн, со смесями трех основных цветов. Оба цвета наблюдают рядом на двух половинках фотометрического поля сравнения. По достижении уравнивания измеряются количества трех основных цветов и их отношения к принимаемым за единицу количествам основных цветов в смеси, уравнивающей выбранный опорный белый цвет. Полученные величины цветовыми координатами уравниваемого цвета в ЦКС, определяемой основными цветами прибора и выбранным опорным белым цветом.

Наиболее широко используется цветовая координатная система RGB из красного red, R, зеленого green, G, и синего blue, B, основных цветов, длины волн соответственно 700,0 нм, 546,1 нм, 435,8 нм. Из смеси которых могут быть получены почти все реально встречающиеся цвета. Эта система была принята Международной комиссией по освещению в 1931 г. Единичные количества основных цветов выбраны так, что их энергетические яркости относятся соответственно как 72,1:1,4:1. Любой измеряемый цвет может быть представлен в трехмерном цветовом пространстве координатами R?, G?, B?. Визуальное тождество измеряемого цвета и аддитивной смеси трех цветов выражаются векторным цветовым уравнением.

, (2.2)

где - единичные вектора координатных осей.

Координаты цветности характеризуемого цвета s определяются положением точки пересечения вектора с плоскостью цветового треугольника. Координаты r, g, b точки s в цветовом треугольнике называются коэффициентом цветности и находятся из выражений:

, (2.3)

, (2.4)

. (2.5)

Описанная процедура сравнения цветов не позволяет уравнять большинство чистых спектральных цветов со смесями трех основных цветов R, G, B. В таких случаях некоторое количество одного из основных цветов добавляют к уравниваемому цвету. Цвет получаемой смеси уравнивают со смесью оставшихся двух основных цветов. В цветовом уравнении это учитывается переносом соответствующего члена из левой части в правую. Так, если в поле измеряемого цвета был добавлен красный цвет, то

.

При допущении отрицательных значений цветовых координат уже все спектральные цвета можно выразить через выбранную тройку основных цветов. При усреднении результатов подобной процедуры для большого количества наблюдателей были получены значения количеств трех определенных цветов, требующихся в смесях, зрительно неотличимых от чистых спектральных цветов, которые соответствуют монохроматическим излучениям одинаковой интенсивности. При графическом построении зависимостей количеств основных цветов от длины волны получаются функции длины волны, называемые кривыми сложения цветов, которые играют в колориметрии большую роль. По ним можно рассчитать количество основных цветов, требуемое для получения смеси, зрительно неотличимой от цвета излучения сложного спектрального состава, т.е. цветовые координаты такого цвета в ЦКС, определяемой данными кривыми сложения. Для этого цвет сложного излучения представляют в виде суммы чистых спектральных цветов, соответствующих его монохроматическим составляющим с учетом их интенсивности. Возможность подобного представления основана на одном из опытно установленных законов смешения цветов, согласно которому цветовые координаты цвета смеси равны суммам соответствующих координат смешиваемых цветов. Таким образом, кривые сложения характеризуют реакции на излучение трех различных приемников излучения. Очевидно, что функции спектральной чувствительности трех приемников в сетчатке глаза человека представляют собой кривые сложения, причем все группы кривых сложения связаны между собой линейными соотношениями. Следовательно, кривые сложения любой из всех возможных ЦКС можно считать линейными комбинациями функций спектральной чувствительности трех типов приемников человеческого глаза.

Кривые сложения системы МКО RGB имеют отрицательные участки для некоторых спектральных цветов, что неудобно при расчетах. Поэтому наряду с системой RGB МКО в 1931 году приняла другую ЦКС, систему X, Y, Z, в которой отсутствовали недостатки системы RGB и которая дала ряд других возможностей упрощения расчетов. Кроме того, стандартизированная система XYZ имеет прямоугольный цветовой график. Основными цветами системы являются нереальные цвета, выбранные так, что кривые сложения этой системы не имеют отрицательных участков, а координата Y равна яркости наблюдаемого окрашенного объекта, т.к. кривая сложения совпадает с функцией относительной спектральной световой эффективности стандартного наблюдателя МКО для дневного зрения. На рисунке 2.6 показан график цветностей системы XYZ. На нем приведены линия спектральных цветностей, линия пурпурных цветностей, цветовой треугольник (R), (G), (B) системы МКО RGB, линия цветностей излучения абсолютно черного тела и точка цветностей стандартных сточников освещения МКО А, В, С, D. Цветность равноэнергетического белого цвета Е (опорная цветность системы XYZ) находится в центре тяжести цветового треугольника системы XYZ.

Единичные цвета системы XYZ связаны с единичными цветами системы RGB следующими преобразованиями:

компьютерный цветовой стекло колориметрический

. (2.6)

Координаты цвета двух систем связаны между собой уравнением

. (2.7)

Эта система получила всеобщее распространение и широко используется в колориметрии. Но она не отражает цветоразличительных свойств глаза, т.е. одинаковые расстояния на графике цветностей x, y в различных его частях на соответствуют одинаковому зрительному расстоянию между соответствующими цветами при одинаковой яркости. На рисунке 2.11а представлен график, схематично обозначающий области цветности в системе XYZ.

Создать полностью однородное цветовое пространство до сих пор не удается. В основном это связано с нелинейным характером зависимости зрительного восприятия от интенсивности возбуждения цветочувствительных фоторецепторов. Предложено много эмпирических формул для подсчета числа цветовых различий между разными цветами. Более ограниченная задача - создание зрительно однородного графика цветностей - приблизительно решена. МКО в 1960 году рекомендовала такой график u, х.

Когда цвет представлен спектральным распределением излучения, то для нахождения его цветовых координат нужно использовать кривые сложения как взвешивающие функции, оценивающие это излучение. Такая оценка может выполняться так называемым спектрофотометрическим методом цветовых измерений, который состоит в измерении спектрального распределения энергии излучения и последующем расчете цветовых координат при перемножении найденной функции спектрального распределения на три функции сложения и интегрирования произведений. Если Е(л) - функция спектрального распределения источника, с(л) - функция спектрального отражения или пропускания, x(л), y(л), z(л) - функции сложения, то цветовые координаты X, Y, Z определятся следующим образом:

. (2.8)

Интегрирование проводится в диапазоне длин волн видимого излучения - от 360 до 760 нм. Практически интегрирование заменяют суммированием через интервал Дл, обычно от 5 до 10 нм, т.к. подинтегральные спектральные функции обычно неудобны для интегрирования.

. (2.9)

Аналогично для Y-той и Z-той координаты.

Спектральное распределение излучения и спектральную характеристику пропускания определяют экспериментально с помощью спектрофотометра Shimadzu UV-2600. Кривые сложения задаются в таблице значений удельных координат через 10 нм. Стандартное излучение D65 - усредненная фаза дневного света - суммарное излучение неба и солнца в ясный день с коррелированной цветовой температурой 6504 К, координаты цветности x = 0,313; y = 0,329.

Для определения цветового тона излучения на график наносится точка, соответствующая координатам цветности исследуемого излучения. Соединяя точку белого цвета с заданной точкой и продолжая линию до пересечения с граничной кривой цветности спектральных излучений, получаем цветовой тон излучения.

Чистота цвета определяется по концентрическим кривым равных значений чистоты цвета, нанесенным на цветовой график, в зависимости от положения точки, характеризующей цветность исследуемого излучения.