3.6. Цветопередача при различных источниках света

Спектральный состав светового потока источника света, падающего на поверхность объекта, и отражательная способность последней определяют воспринимаемый цвет объекта, или цветопередачу этого источника света. Цветопередача источника света характеризует влияние его спектрального состава на зрительное восприятие цветных объектов по сравнению с восприятием тех же объектов, освещенных стандартным источником света. На основе этого определения можно установить индекс цветопередачи источника света как меры соответствия зрительного восприятия цветного объекта, освещенного исследуемым и стандартным источниками света при определенных условиях наблюдения. Эти условия заключаются в том, что наблюдатель должен обладать нормальным цветовым зрением и быть адаптированным к окружению при освещении каждым источником по очереди.

Различают частный индекс цветопередачи, когда рассматривается один объект или группа адекватных объектов, и общий индекс цветопередачи, относящийся к группе различных по цвету объектов.

Общий индекс цветопередачи R_a рассчитывается по формуле МКО [14]

где ΔE - усредненное изменение цвета эталонных образцов, определяемое по равноконтрастному цветовому графику, пороги.

Ввиду того что спектральный состав излучения искусственных источников света, как правило, отличается от спектров естественного излучения, принято вводить ограничения для искусственных источников света по индексу цветопередачи R_a и цветовой температуре T_цт. Зарубежные стандарты устанавливают нижний предел индекса цветопередачи для работ, связанных с точным различением цвета, равным 85. На практике при очень высоких требованиях к цветоразличению применяются, как правило, лампы с индексом цветопередачи, равным или большим 92. Указанные индексы цветопередачи установлены для работ, связанных с высокими требованиями к цветоразличению, исходя из международной практики. Однако до сих пор нет полной ясности в данном вопросе. Для оценки "правильности" цветопередачи МКО рекомендует пользоваться двумя методиками: спектральной и колориметрической [36]. Согласно первой видимый участок спектра (380 - 760 нм) подразделяется на зоны. Измеряют спектр данного источника света с помощью какого-либо спектрального прибора и сопоставляют потоки его излучения с аналогичными потоками стандартного источника в каждой из выбранных зон. Чем больше разница потоков, тем больше отличие в цветопередаче.

Колориметрический метод основывается на измерениях (с помощью колориметров) цветности образцов при освещении их испытываемым и стандартным источниками. По разнице цветности образцов определяется индекс цветопередачи.

Выбор серии цветов, используемых в качестве объектов для оценки цветопередачи, имеет большое значение. Цвета следует выбирать таким образом, чтобы обеспечить контроль изменений спектрального состава исследуемого источника во всех участках видимого спектра. Кроме того, необходимо учитывать цвета природных объектов (зелень растений, кожу человеческого лица, пищевые продукты и т. д.). Первоначально стремились для оценки цветопередачи использовать возможно большее число цветных образцов. Однако исследования показали, что в качестве тестов достаточно иметь 7 - 8 образцов, которым соответствуют точки в различных зонах цветового графика. Такое же количество тестов рекомендует МКО [14, 50]. Описанные выше методы полезны при разработке и производстве источников света, для контроля и относительной оценки цветопередачи, но непригодны для решения задачи оценки цветопередачи в производственных и бытовых помещениях. Ниже излагается один из существующих способов оценки цветопередачи для помещений [34].

Если сравнивается цветопередача объекта с плавной кривой спектральных коэффициентов отражения =f(λ) при его освещении двумя источниками света со сплошным спектром излучения, то разницу в яркости можно не учитывать. За критерий изменения цвета принимают число цветовых порогов между воспринимаемыми цветами. В ряде случаев разница в яркостях может оказаться довольно существенной. Однако из-за сложности вопроса это не учитывается. В качестве критерия оценки разницы в цветности устанавливают, при каком стандартном источнике света цвет поверхности принимается за исходный и какой интервал цветовых порогов можно считать допустимым для тех или иных условий.

В зависимости от того, какой из стандартных источников белого света взять за исходный, меняется координатная сетка цветового графика. Например, некоторый зеленый цвет Ф₁ имеет координаты цветности x=0,18 и y=0,43. Если за белый принять стандартный источник света C (см. рис. 1.8), то цветовой тон данного цвета окажется равным λ=502 нм. Если же за белый принять цвет источника A (см. рис. 1.9), то цветовой тон определяется уже величиной λ=496 нм. Аналогичная картина наблюдается и в отношении чистоты цвета P. Следовательно, цвет будет оцениваться по-разному в зависимости от того, какой из источников белого цвета будет принят за исходный. Еще сложнее обстоит дело при естественном освещении.

Известно, что даже под открытым небом дневной свет непостоянен по цветности и изменяется в зависимости от условий погоды, времени года и суток, географической широты и т. д. Внутри помещения сказываются дополнительно такие факторы, как цвет стен, ориентация окон, цвет отражающих поверхностей, расположенных перед окнами, и др. Эксперименты показывают, что в зависимости от изменения метеорологических условий, а также изменений, вносимых прямым светом солнца и других факторов, влияющих на цветность, колебания в цветопередаче достигают десятков цветовых порогов. Следовательно, нельзя говорить об однозначном определении цвета той или иной поверхности при освещении их дневным или естественным светом. В связи с изложенным следует решить вопрос, какие условия освещения можно считать наилучшими, при которых цветопередача "наиболее правильная".

Рис. 3.12. Изменение цвета краски в зависимости от цветности освещения

Из практики известно, что обычно там, где требовалось тонкое различение цветов, окна ориентировались на север и использовался только естественный свет от неба. Изменение цвета некоторой краски в зависимости от метеорологических условий и ориентации наблюдения по странам света может быть охарактеризовано многоугольником, нанесенным на равноконтрастный график (рис. 3.12) [34]. Вершины этого многоугольника соответствуют цветностям окрашенной поверхности при различных фазах естественного освещения в северной части неба в одно и то же время: точки C и H - цвета при освещении стандартным источником С (расчетный) и лампой накаливания. Максимальное изменение цвета определяется наибольшим расстоянием между вершинами многоугольника, равным 5 - 10 цветовым порогам.

Таким образом, казалось бы, что наиболее целесообразно сравнивать цветопередачу, приняв за исходную цвет излучения черного тела при его средней цветовой температуре, соответствующей температуре принимаемого источника света. Такой прием мог бы определенным образом стандартизировать оценку цветопередачи. Однако он не позволяет оценить цветопередачу в дневных условиях в реальных помещениях (цех, интерьер и т. д.). Для того чтобы это стало возможным, целесообразно принять за исходный критерий освещение источником белого света C. Цвет поверхности при освещении данным источником отвечает точке C на графике цветности (см. рис. 1.8). Для большинства красок точка C при освещении небом располагается вне многоугольника цветов, но в непосредственной близости от него.

В случаях когда требуется создание цветовых условий, точно отвечающих "дневным", следует замерить цвет при нескольких вариантах освещения светом северной части неба и построить многоугольник изменения цвета при дневном освещении в данных условиях. Тогда оценка цветопередачи при других источниках будет произведена применительно к наилучшим местным условиям естественного освещения. Оценка цветопередачи производится следующим образом.

Пусть требуется оценить цветопередачу какой-то краски при освещении ее лампой накаливания. Для этого путем измерения (спектрофотометром, колориметром) или цветового расчета определяют координаты x и y цвета краски при освещении принятым источником света (лампой накаливания) и стандартным источником белого света C и наносят их на равноконтрастный цветовой график. Затем измеряют разницу в цветовых порогах между цветом краски при освещении лампой накаливания и источником C. Пусть этим условиям отвечают точки H и C на графике (см. рис. 3.12). Так как равноконтрастный график изображен в определенном масштабе, то с помощью последнего легко определить расстояние от точки H до границы многоугольника и до точки C. В зависимости от удаленности точки H от C или от углов многоугольника количество цветовых порогов может служить количественной оценкой правильности цветопередачи при освещении данной краски лампой накаливания.

Что касается допустимой величины отклонений в цветопередаче, можно руководствоваться следующими соображениями. Разница в цвете менее одного цветового порога глазом не воспринимается. Разницу в один-два цветовых порога можно считать незначительной в общем случае для большинства цветов. В отдельных случаях можно допустить разницу в цвете, соответствующую расстоянию между углами многоугольника, измеренному для разных вариантов освещения северной части неба, - порядка 5 - 10 цветовых порогов в интерьере при работах, не связанных с контролем цвета, цветовое различие в 5 порогов не обнаруживается глазом [34]. Исходя из этого можно считать, что 10 порогов являются допустимым изменением цвета при работах, не требующих точного цветоразличения. Такие изменения возникают, например, при освещении общественных зданий люминесцентными лампами. Допускается, что для грубых работ на производстве можно использовать источники света, вызывающие изменение цвета до 15 порогов. Большая разница резко заметна и, как правило, недопустима.

В последнее время для оценки цветопередачи находит применение метод субъективных оценок, выполняемых специально подобранными группами наблюдателей-экспертов [51].

Оценка цветопередачи источников цвета предназначена для определения способности источников сохранять у объектов их истинный цвет. Практика показывает, что для источников с высокой цветовой температурой истинным считается цвет объекта при дневном освещении. В случае использования источников с низкой цветовой температурой истинным считается цвет объектов при освещении лампой накаливания. Для оценки окрашенных объектов нужно выбрать тот источник, который дает достаточно хорошее приближение в определении истинного цвета. Обычно это означает, что источник должен иметь довольно высокий индекс цветопередачи (92 и более).

При оценке целесообразности применения того или иного источника света с точки зрения цветопередачи следует учитывать величину изменения цветов не только по величине, но и по направлению, а также сопоставить величины изменений отдельных цветов между собой. Возможны такие случаи, когда изменения довольно значительны, но примерно одинаковы для всех частей спектра и, несмотря на разнонаправленность, закономерны. Такой источник света хотя объективно и значительно искажает цветопередачу, но субъективно воспринимается благоприятно, так как не создает отдельных выделяющих тонов. Примером служит лампа накаливания, в свете которой трансформируемые цвета не производят отрицательного впечатления. Такая картина характерна для источников с непрерывным спектром излучения. При наличии резких селективных максимумов в излучении наблюдается другая картина: неизбежно выделяющиеся отдельные тона воспринимаются неблагоприятно, например, ртутная лампа высокого давления.

Наибольший интерес с точки зрения цветопередачи представляет люминесцентная лампа ЛДЦ. Цвета окрашенных поверхностей при освещении этими лампами практически совпадают с цветами тех же накрасок при освещении их северной частью небосвода [34]. Наибольшая разница в этом случае наблюдается в области зеленых тонов, для которых она достигает одного цветового порога. При сравнении цветных образцов при их освещении лампой ЛДЦ и источником света С разница в цвете имеется в красной области спектра, она достигает около двух цветовых порогов. Естественно, к лампам дневного света ЛДЦ предъявляются особо жесткие требования в части распределения светового потока по зонам спектра (ГОСТ 6825 - 74*):

Кривые спектральной интенсивности дневного света при разных условиях и стандартного источника света С приведены на рис. 3.13. Из этого рисунка следует, что излучение источника света С несколько отличается от средних данных дневного света.

Рис. 3.13. Относительное распределение энергии в спектре естественного света (при различных погодных условиях) и источника света C: 1 - средние данные (при различных условиях); 2 - безоблачно; 3 - небосвод, сплошная облачность; 4 - солнце и свет неба, средние значения, небосвод, безоблачно; 5 - стандартный источник C