Определение цвета по оптическому спектру

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
В.А. ЛАБУСОВ, С.В. ПАНКРАТОВ 
 
 
 
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЦВЕТА  
ПО ОПТИЧЕСКОМУ СПЕКТРУ  
 
Учебно-методическое пособие 
по курсу «Оптический спектральный анализ» 
для студентов I и II курса магистратуры 
физико-технического факультета 
специальности 12.04.02 «Оптотехника» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2020 

 

УДК 535.6(075.8) 
Л 127 
 
Рецензенты:  
Ю.Н. Дубнищев, гл. науч. сотр. Института теплофизики СО РАН,  
д-р техн. наук, профессор 
А.М. Пугачёв, ст. науч. сотр. Института автоматики  
и электрометрии СО РАН, канд. физ.-мат. наук 
 
 
Лабусов В.А. 
Л 127  
Определение цвета по оптическому спектру: учебно-методическое пособие / В.А. Лабусов, С.В. Панкратов. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2020. – 60 с. 

ISBN 978-5-4-7782-4180-0 

Пособие содержит материалы для углубленного изучения принципов определения цвета по оптическому спектру в рамках курса «Оптический спектральный анализ», а также закрепления полученных 
знаний в процессе выполнения лабораторной работы по определению 
координат цвета различных источников излучения с использованием 
малогабаритного спектрометра «Колибри-2».  
Пособие предназначено для подготовки студентов I и II курса магистратуры по специальности 12.04.02 «Оптотехника», а также для 
аспирантов по специальности 05.11.07 «Оптические и оптикоэлектронные приборы и комплексы».  
 
 
Работа подготовлена на кафедре оптических информационных  
технологий физико-технического факультета НГТУ 
и утверждена Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебно-методического пособия 
 
 
УДК 535.6(075.8) 
 
ISBN 978-5-4-7782-4180-0 
© Лабусов В.А., Панкратов С.В., 2020 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2020 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Цель работы .............................................................................................................. 4 

Краткая теория ......................................................................................................... 4 

Измерение цвета. Колориметрия........................................................................ 4 

Цветовые системы ............................................................................................... 5 

Расчет параметров цвета ..................................................................................... 9 

Определение коэффициента отражения образца R(λ) .................................... 10 

Выбор источника излучения E(λ) ..................................................................... 10 

Умножение на чувствительность глаза ........................................................... 10 

Описание эксперимента ........................................................................................ 12 

Оборудование .................................................................................................... 12 

Краткое описание прибора ............................................................................... 12 

Измерительные каналы анализатора МАЭС ................................................... 16 

Порядок выполнения работы ................................................................................ 19 

Порядок защиты ..................................................................................................... 22 

Требования к отчету .......................................................................................... 22 

Контрольные вопросы ........................................................................................... 22 

Приложение ............................................................................................................ 23 

Библиографический список .................................................................................. 59 

 

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ 
 
Целью работы является изучение основ колориметрии, знакомство 
с малогабаритными спектрометрами «Колибри-2», а также с программным пакетом для спектрального анализа «Атом». 
Для достижения цели необходимо зарегистрировать и проанализировать спектры различных реальных и теоретических источников излучения. 
 
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ 

Измерение цвета. Колориметрия 

Задачами, связанными с численным измерением и воспроизведением цвета, занимается наука колориметрия [1]. Цвет представляет собой 
характеристику световой энергии посредством зрительного восприятия. Таким образом, эта характеристика обусловлена свойствами человеческого глаза. 
На сетчатке (светочувствительном слое) глаза находятся два вида 
рецепторов: высокочувствительные палочки, воспринимающие только 
интенсивность падающего на них света, и колбочки, отвечающие за 
цветовое восприятие и за восприятие интенсивности света при высоком 
(например, дневном) освещении, когда палочки насыщены, т. е. дают 
максимальное количество нервных сигналов. Если при дневном освещении цвет воспринимается преимущественно колбочками, то при большинстве других условий вклад колбочек и палочек широко варьирует. 
Показано, что в сетчатке человеческого глаза присутствует три вида 
колбочек с различной спектральной чувствительностью. Все три вида 
чувствительны во всем диапазоне видимого света, однако имеют максимумы чувствительности в различных спектральных областях. Таким  

образом, сложная спектральная характеристика цвета некоторого излучения преобразуется в три сигнала, и по этой причине большинство цветовых систем имеет три координаты (RGB, XYZ, LCH, Lab и др.) [2]. 
Для разработки и широкого применения методик измерения цвета 
был основан международный комитет по освещению (МКО). С помощью измерений чувствительности глаз широкого круга людей без 
существенных отклонений зрения МКО определил чувствительность 
среднестатистического «наблюдателя» в координатах RGB (Red, Green, 
Blue), основанной на спектрально чистых монохроматических цветах. 
Однако для колориметрических расчетов обычно применяются координаты XYZ, основанные на трех нереальных цветах, сочетание которых дает любой реальный цвет. Чувствительность глаза в координатах 
XYZ приведена на рис. 1. 
 

 

Рис. 1. Чувствительность глаза в координатах XYZ 

Цветовые системы 

Для передачи информации о цвете во времени и в пространстве не 
всегда удобно использовать физические образцы, более того, их цвет 
подвержен изменениям. Широкое распространение получили цветовые 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

380
415
450
485
520
555
590
625
660
695
730
765

Относительные единицы

Наблюдатель МКО 1964 года
(10 ° угол зрения)

x

y

z

системы (пространства), позволяющие выражать взаимосвязь между 
цветами однозначно. В большинстве систем для описания цвета достаточно трех чисел. 

Цветовая система RGB 
Исторически одной из первых систем была система, основанная на 
трех реальных цветах RGB. В качестве трех основных цветов использовались спектрально чистые цвета с λ = 700, 546 и 436 нм. Путем 
смешения трех таких цветов возможно получить большинство видимых глазу оттенков. На рис. 2 приведен цветовой охват глаза в координатах x, y, лежащий внутри фигуры, образованной монохроматическими цветами с λ = 380…700 нм. Все видимые цвета образуются 
смешением данных цветов. Внутри треугольника, образованного спектрально чистым красным, зеленым и синим цветом соответственно, 
лежит цветовой охват системы RGB. 
 

 
Рис. 2. Цветовой охват системы RGB на фоне  
всех видимых цветов 

Основным недостатком данной системы является ограниченный 
цветовой охват. Если цвета, попадающие в треугольник RGB, можно 
задать тремя числами в диапазоне 0…1, то остальные цвета при таком выборе координат будут содержать в себе отрицательные координаты либо бо´льшие единицы, что недопустимо для многих алгоритмов. 

Цветовая система XYZ 

Большинство алгоритмов колориметрии работает с цветом, описанным тремя положительными числами, лежащими в некотором заданном диапазоне. Такой цветовой системой стала XYZ, основанная на 
трех нереальных цветах, комбинации которых воспроизводят все реальные цвета. Цветовой охват глаза лежит внутри фигуры, образованной цветами X, Y, Z (рис. 2). Координата Y одновременно является  
яркостью. 

Цветовая система Lab 

Одной из основных операций при работе с цветом является сравнение двух цветов, и в случае их различия полезно оценить разницу 
между этими цветами. Вышеприведенные цветовые системы являются 
неравномерными, при разных значениях цвета его небольшое изменение совершенно по-разному ощущается глазом. Для решения этой задачи разработано преобразование в систему Lab, которая является равномерной, и разница двух цветов ΔE в ней задается простым соотношением 

 
2
2
2
(
)
(
)
(
)
E
L
a
b



 
 
. 
(1) 

Преобразование из системы XYZ в Lab выполняется следующим 
экспериментально подобранным соотношением. 
Светлота L (отличие от белого) рассчитывается по формуле 

 
 1/3
116
16
L
Y


. 
(2) 

Коэффициенты цветности a и b задаются соотношениями: 

 


 
1/3
1/3
500
a
X
Y





 ; 
(3) 

 
 
 
1/3
1/3
200
b
Y
Z





 . 
(4) 

Цветовые системы LCH (HSV, HSL) 

При повседневной работе с цветом человеку удобнее всего использовать интуитивно понятные величины для его описания. Если координаты RGB еще понятны неподготовленному человеку, хоть и неудобны для редактирования, то координаты Lab с трудом поддаются 
визуализации (рис. 3). Для удобной профессиональной работы с цветом разработаны системы LCH (Lightness, Chroma, Hue) и подобные 
(HSV, HSL). Параметром L задается светлота; C или S – насыщенность 
(отличие от ахроматического серого цвета); H – оттенок, тон (обычно 
изображается в виде круга и имеет значение от 0 до 360). 
 

   
   
 

Рис. 3. Зависимость цвета от a, b при различной заданной светлоте L 

Вычисление насыщенности С и тона H начинается с вычисления 
величин a и b.  
Насыщенность определяется из уравнения 

 
2
2
C
a
b


. 
(5) 

Тон находится из уравнения 

 


arctg
/
H
b a

. 
(6) 

Для получения значений H используется табл. 1. 

Т а б л и ц а  1 

Вычисление тона H из a, b 

+a 
+b 
H = H 

–a 
+b 
H = H + 90 

–a 
–b 
H = H + 180 

+a 
–b 
H = H + 270 

Расчет параметров цвета 

Для расчетов параметров цвета порошков, закрашенных поверхностей, других образцов требуется следующее. 
1. Спектр эталона Iэт (). 
2. Спектр образца Iобр (). 
3. Спектры источников света A(), B(), C(), D65(). 
4. Спектральные зависимости трех типов рецепторов глаза человека x(), y(), z(). 
Для расчета цвета самосветящихся образцов пункты 1 и 3 не требуются. 
Спектры первых двух величин получаются из эксперимента, спектры двух других – из литературных источников. Человеческий глаз 
чувствителен только в длинах волн от 380 до 780 нм, поэтому спектры 
должны сниматься только в этом диапазоне. Углы падения и наблюдения света различаются от 0 до 45. 

Определение коэффициента отражения образца R(λ) 

Экспериментально подтверждено, что доля отраженного света 
определенной волны не зависит от интенсивности падающего излучения. Поэтому на первом этапе снимается спектр отраженного света от 
эталона (считающегося идеально белым) и от исследуемого образца 
(для светопропускающего образца – спектр пропускания): 

 
обр
эт
(
)
(
)
(
)
i
i
i
R
I
I




. 
(7) 

Данный коэффициент должен лежать в пределах 0,0…1,0 и не имеет смысла при люминесценции. 

Выбор источника излучения E(λ) 

После вычисления коэффициента отражения (пропускания) образца возможно вычисление его цвета при любом заданном освещении. 
Комитетом МКО определен набор стандартных освещений, среди которых: излучение абсолютно черного цвета при T = 2856 К (A), прямой 
солнечный свет с коррелированной температурой T = 4870 К и 6770 К 
(B, C), дневной свет с коррелированной температурой T = 6500 К 
(D65), наиболее часто применяемый при расчетах, и другие. Необходимо выбрать, при каком освещении нужно знать цвет образца. Таблицу интенсивностей этих освещений можно найти в директории с программой «Атом» по пути Colorimetry\LightSources. 

Умножение на чувствительность глаза 

Таблица с чувствительностью x, y, z глаза может быть найдена в 
директории с программой «Атом» по пути Colorimetry\Observers.  
В системе XYZ координата Y одновременно является яркостью, поэтому сначала необходимо вычислить нормировочный коэффициент k: 

 
780

380

100

(
) (
)
i
i

k
y
E










. 
(8) 

Табличные данные заданы дискретно, поэтому экспериментальные 
данные должны быть приведены к такому же виду, и далее все расчеты 
будут вестись в виде расчета сумм: 

 

1

100

(
) (
)
N
i
i
i

k
y
E








. 
(9) 

Далее производится расчет сумм (10, 11, 12), где R(λ) для ясности 
заменено на обр
эт
( )
):
(
i
i
I
l
I
l
  

 



обр
эт
(
)
(
)
(
) (
)
i
i
i
i
X
k
I
I
E
x






. 
(10) 

 


обр
эт
(
)
(
)
(
) (
)
i
i
i
i
Y
k
I
I
E
y






. 
(11) 

 


обр
эт
(
)
(
)
(
) (
)
i
i
i
i
Z
k
I
I
E
z






. 
(12) 

Делаются поправки на спектр эталона для данного угла наблюдения. Так, для сульфата бария и угла 0 поправки имеют следующий 
вид: 

 
94.83

X
X  
,    
100.00
Y
Y 
,    
101.38

Z
Z 
. 
(13)