BARWA POWIERZCHNI Z POŁYSKIEM

Zofia KOLEK
BARWA POWIERZCHNI Z POŁYSKIEM
STRESZCZENIE
Wrażenia barwne wywołuje promieniowanie
dochodzące do oka, które – w przypadku nieprzezroczystych ciał
– jest światłem odbitym od powierzchni. Wyraźne odbicie kierunkowe
występuje od powierzchni gładkich i w tym przypadku barwa
powierzchni zmienia się w zależności od kąta obserwacji: gdy kąt
obserwacji jest równy kątowi padania barwa jest mniej nasycona, niż
przy obserwacji pod innymi kątami. W przypadku idealnego odbicia
dyfuzyjnego nie ma wyróżnionego kierunku światła odbitego, a barwa
powierzchni nie zależy od kąta obserwacji. Rzeczywiste powierzchnie
odbijają światło w sposób kierunkowy i rozproszony. Barwa postrzegana obiektu zależy od rodzaju materiału, oświetlenia, warunków
obserwacji oraz od samego obserwatora. Wpływ połysku na barwę
obiektów ocenia się zarówno na podstawie pomiarów fizycznych jak
i testów oraz analiz psychologicznych. Nie jest znana dokładnie zależność między wizualnym postrzeganiem barwy powierzchni z połyskiem a wielkością ustaloną na podstawie pomiaru fizycznego.
Słowa kluczowe:
barwa, połysk, odbicie światła
dr hab.inż. Zofia KOLEK
[email protected]
Katedra Metrologii i Analizy Instrumentalnej
Wydział Towaroznawstwa UEK
PRACE INSTYTUTU ELEKTROTECHNIKI, zeszyt 237, 2008
192
Z. Kolek
1. WSTĘP
Wygląd obiektu, który jest istotnym parametrem w wielu dziedzinach jest
wizualnym odczuciem wywołanym przez oddziaływanie światła z materiałem.
Światło rozchodzące się w powietrzu padając na powierzchnię graniczną z innym
ośrodkiem ulega częściowo odbiciu, częściowo załamaniu, a światło, które wnika do
drugiego ośrodka może zostać w nim pochłonięte. Wygląd obiektu jest określony przez optyczne charakterystyki materiału, przez warunki oświetlenia i obserwacji oraz cechy percepcji człowieka.
Mierzalne parametry określające wygląd obiektu można podzielić na chromatyczne, geometryczne. Cechy chromatyczne są związane z barwą obiektu, cechy
geometryczne są tymi, które mają wpływ na rozkład przestrzenny odbitego
światła. Oczywistym jest, że te atrybuty nie są niezależnymi i w rzeczywistości
nie da się oddzielić jednych od drugich.
Obserwator ocenia wygląd obiektu nieprzezroczystego dzięki światłu, które
dochodzi do jego oka po odbiciu od powierzchni obiektu. Odbicie ogólnie można
podzielić na regularne (kierunkowe, zwierciadlane) i nieregularne (rozproszone).
Zdolność do odbicia światła jest określona przez współczynnik odbicia
(reflektancję), równy ilorazowi strumienia światła odbitego do strumienia światła
padającego.
2. ODBICIE ŚWIATŁA OD POWIERZCHNI
Odróżnienie, w sposób makroskopowy, odbicia zwierciadlanego (regularnego, kierunkowego) i nieregularnego, jest oparte na kierunku rozchodzenia się
światła po odbiciu od powierzchni. Równoległa wiązka promieni padających na
powierzchnię, pozostaje równoległą po odbiciu pod kątem równym kątowi
padania – w przypadku odbicia zwierciadlanego, a przestaje być równoległą, gdy
odbicie jest nieregularne.
Idealne odbicie nieregularne, nazywane dyfuzyjnym, charakteryzuje rozchodzenie się promieni odbitych we wszystkich kierunkach w półkuli padania [15].
Spełnione jest wówczas prawo Lamberta. W rzeczywistości nie istnieją ani
idealne powierzchnie zwierciadlane, odbijające światło wyłącznie kierunkowo,
ani idealne powierzchnie rozpraszające, w przypadku których światłość jest
proporcjonalna do cosinusa kąta padania.
Rzeczywiste powierzchnie odbijają światło nierównomiernie w różnych
kierunkach, ale zwykle jest wyróżniony kierunek odpowiadający odbiciu regular-
Barwa powierzchni z połyskiem
193
nemu. W przypadku takich powierzchni współczynnik ρ odbicia jest sumą dwóch
składowych: współczynnika ρr odbicia kierunkowego i współczynnika ρd odbicia
dyfuzyjnego [15]
ρ =ρr + ρd .
Udziały tych dwóch składowych zależą od rodzaju materiału i kąta padania. W rzeczywistości bowiem odbicie kierunkowe i dyfuzyjne zachodzi na tej
samej drodze, a istotny jest rozmiar nierówności powierzchni w stosunku do
długości fali światła padającego. Odbicie kierunkowe jest dominującym wówczas,
gdy nierówności powierzchni są znacznie mniejsze od długości fali świetlnej, tak,
że światło jest odbijane w każdym punkcie powierzchni pod tym samym kątem
i powierzchnia wydaje się gładka i zwierciadlana. Odbicie rozproszone natomiast
przeważa wtedy, gdy na powierzchni występują nierówności porównywalne z długością fali światła, które odbija się wówczas w różnych kierunkach od wyróżnionych elementów powierzchni ułożonych w różny sposób. Ten rodzaj odbicia zależy
od kąta padania: przy dużych kątach padania składowa odbicia kierunkowego
wzrasta szybko, a odbicie rozproszone prawie nie jest widoczne [13].
Rys. 1. Zależność współczynnika odbicia kierunkowego od kąta
padania w przypadku różnych względnych współczynników
załamania swiatła
Zależność współczynnika odbicia kierunkowego od kąta padania oraz od
rodzaju ośrodka, na który światło pada, opisują wzory Fresnela [13,15]. W przypadku materiałów nieprzezroczystych zmiana współczynnika odbicia jest bardzo
mała, gdy kąt padania nie różni się znacznie od 0o. Natomiast, gdy kąt padania
jest duży, to znaczy promienie są prawie równoległe do powierzchni, współczynnik odbicia szybko wzrasta, aż do wartości równej 1, tzn. padające światło
jest całkowicie odbijane (rys.1). W przypadku powierzchni metalicznych wartość
194
Z. Kolek
współczynnika odbicia kierunkowego jest duża (>0,9) i nieznacznie zależy od
kąta, pod którym światło pada na tę powierzchnię.
2.1. Połysk powierzchni
Połysk jest odczuciem zmysłowym, które jest spowodowane odbiciem światła od oświetlanej powierzchni. Kąt padania światła na powierzchnię oraz kąt
obserwacji mają istotne znaczenie dla wzrokowego odbioru połysku. Wrażenie
połysku występuje, gdy w świetle odbitym (rozproszonym) występuje wyraźna
zależność światłości od kierunku obserwacji i strumień świetlny dochodzący do
oka obserwatora znacznie zmienia się przy zmianie kąta obserwacji. W przypadku dużego kąta padania światła, obserwuje się również połysk powierzchni
matowych. Wyraźną kierunkowość rozproszenia obserwuje się także, gdy na
powierzchni odbijającej jest wyróżniony kierunek, na przykład kierunek włókien
tkanin – jest to szczególnie widoczne w wypadku jedwabiu (połysk jedwabisty).
Miarą połysku powierzchni gładkich jest wyznaczony instrumentalnie
stopień połysku, jakkolwiek nie jest znana dokładnie zależność między wizualnym
postrzeganiem a wartością ustaloną na podstawie pomiaru fizycznego [6,7,11].
Stopień połysku (połysk zwierciadlany) jest określany jako iloraz strumienia
odbitego kierunkowo od danej powierzchni do strumienia świetlnego odbitego w takich samych warunkach od wzorcowej powierzchni zwierciadlanej.
3. BARWA CIAŁ NIEPRZEZROCZYSTYCH
Ogólnie charakterystyki optyczne materiałów nieprzezroczystych są określone przez następujące zjawiska [1,3,13]:
− odbicie kierunkowe lub nieregularne od powierzchni,
− rozproszenie wewnątrz materiału (nazywane rozproszeniem objętościowym),
− absorpcję wewnątrz materiału.
Odbicie kierunkowe jest związane z połyskiem powierzchni, ogólnie barwa
światła odbitego jest taka sama jak barwa źródła promieniowania.
Najczęstszą przyczyną barwy ciał nieprzeźroczystych jest absorpcja selektywna światła. Zjawisko to zachodzi w większości ciał niemetalicznych, takich
jak tkaniny, farby, plastiki, papiery itp. W takich ciałach światło w zasadzie nie
ulega odbiciu od warstwy powierzchniowej, lecz przechodzi do głębszych warstw
materii. Światło o pewnych długościach fal jest pochłaniane selektywnie, a pozostałe fale ulegają wielokrotnemu odbiciu lub rozproszeniu rayleighowskiemu
Barwa powierzchni z połyskiem
195
i wychodzą z powrotem przez warstwę powierzchniową. To światło określa postrzeganą barwę obiektu, która zależy od rodzaju absorbujących światło chromoforów, obecnych w materiale.
Termin “światło odbite dyfuzyjnie” jest stosowane do światła wychodzącego z oświetlonego materiału, po rozproszeniu i absorpcji, jak i do światła odbitego
w sposób nieregularny od powierzchni [3].
3.1. Barwa powierzchni metalicznych
Niektóre metale mają zdolność odbijania selektywnego padającego
światła [8,12]. Barwa metalu w świetle odbitym jest wówczas barwą odbitego
światła. Zdolność odbicia światła od powierzchni ciała jest ściśle związana ze
stopniem absorpcji tego światła w trakcie przechodzenia przez warstwę ciała.
Stosunek natężeń światła odbitego i światła załamanego wyraża się zależnością pomiędzy współczynnikiem załamania a współczynnikiem absorpcji: gdy
wartości współczynnika absorpcji są bardzo duże, wówczas natężenie wiązki
światła odbitego jest znacznie większe niż natężenie wiązki światła załamanego, to znaczy najsilniej pochłaniane jest to światło, dla którego występuje
największa zdolność odbicia.
Tego rodzaju odbicie nazywa się odbiciem metalicznym. Przykładem metalu odbijającego selektywnie światło jest złoto lub miedź, dla których współczynniki odbicia światła z zakresu krótkofalowego są znacznie mniejsze niż
z zakresu długości fal odpowiadającej barwie czerwonej. Powierzchnia złota
jest żółta (pomarańczowa), gdyż odbija ona 90% światła o długości fali powyżej
650 nm z całej wiązki padającego na nią światła białego (rys. 2); maksimum
zdolności odbicia złota leży w dalekiej podczerwieni. Również czerwone zabarwienie miedzi związane jest z dużą zdolnością odbicia światła z zakresu czerwonej części widma. Natomiast współczynnik odbicia światła od powierzchni
srebra i aluminium, a także niektórych innych metali, praktycznie nie zależy od
długości fali promieniowania z zakresu widzialnego; barwa tych metali jest
odbierana jako barwa achromatyczna.
3.2. Wpływ warunków obserwacji na barwę
Powierzchnie o tej samej barwie, oświetlane światłem białym mają różny
poziom nasycenia barwy, zależnie od stopnia gładkości powierzchni i kąta obserwacji. Powierzchnie gładkie, o dużym połysku, które odbijają światło zgodnie
z prawami odbicia, obserwowane pod kątem odbicia mają barwę pozornie mniej
196
Z. Kolek
nasyconą niż przy obserwacji pod innymi kątami, ze względu na największy
udział światła białego.
Rys. 2. Widma odbicia metali [8]
Barwa przedmiotów matowych ma pozornie mniejsze nasycenie niż taka
sama barwa powierzchni z połyskiem, oglądanych pod kątami różnymi od kąta
spełniającego warunek odbicia zwierciadlanego. Wynika to z faktu, że obiekty
matowe rozpraszają światło głównie na warstwie powierzchniowej. Światło takie
ma większy udział światła białego niż analogiczne światło rozproszone od powierzchni gładkiej. Natomiast barwa tych przedmiotów jest bardziej nasycona niż ta,
jaką mają powierzchnie o dużym połysku, oglądane pod kątem spełniającym
warunek odbicia.
Wpływ połysku na barwę jest widoczny zwłaszcza w przypadku barw
ciemnych. Jest tak z powodu występowania absorpcji światła i w związku z tym
większego udziału światła odbitego kierunkowo w całkowitym świetle odbitym
od ciemnych powierzchni niż to ma miejsce w przypadku obiektów o jasnej barwie, które absorbują światło w małym stopniu.
Wygląd przedmiotów z połyskiem zależy od geometrii oświetlenia. Inaczej
wygląda przedmiot oświetlony światłem rozproszonym, inaczej przy oświetleniu
bezpośrednio dochodzącym ze źródła światła. Przy bezpośrednim oświetleniu
i dużym natężeniu oświetlenia powstają refleksy i cienie, które mogą zwiększać
atrakcyjność przedmiotu, ale także mogą niekorzystnie zmieniać wygląd obiektu.
Barwa powierzchni z połyskiem
197
4. POMIARY BARWY I POŁYSKU
Wpływ połysku na barwę jest obserwowany także w pomiarach instrumentalnych. Przyrządy z kulą całkującą, zaopatrzoną w pułapkę świetlną, eliminują
częściowo światło odbite kierunkowo. Wyniki pomiarów, zarówno luminancji jak
i współrzędnych chromatycznych, przeprowadzonych z zastosowaniem pułapki
świetlnej i bez niej nie są jednakowe, a różnią się tym bardziej, im większy jest
połysk powierzchni [9,10,11,13].
Pomiary stopnia połysku przeprowadza się za pomoca połyskomierzy,
w jednej z trzech możliwych geometriach pomiaru, zmieniając:
− położenie detektora promieniowania, przy ustalonym położeniu badanej
powierzchni i nieruchomym źródle światła,
− położenie źródła światła promieniowania, przy ustalonym położeniu badanej
powierzchni i nieruchomym detektorze,
− położenie badanej powierzchni, przy nieruchomym źródle światła i detektorze.
O zdolności do odbijania kierunkowego światła świadczy wysokość
i szerokość otrzymanej krzywej przedstawiajacej zależność światłości światła
odbitego od kąta oświetlenia lub obserwacji. Na kształt krzywej pośrednio ma też
wpływ barwa powierzchni. W przypadku obiektów o tym samym połysku pole
powierzchni pod krzywą jest mniejsze, gdy badana powierzchnia jest ciemna,
niż w przypadku powierzchni jasnej (rys. 3).
Rys. 3. Zależność światłości światła odbitego od powierzchni o zbliżonym połysku od różnicy kąta obserwacji i kąta padania:
1 – powierzchnia o barwie czerwonej, 2 – powierzchnia ciemnoczerwona
198
Z. Kolek
Oświetlenie powierzchni promieniowaniem monochromatycznym również
zmienia kształt krzywej połysku. Doświadczenia wskazują, że światłość wiązki
świetlnej odbitej kierunkowo od powierzchni z połyskiem jest większa w przypadku, gdy barwa światła odpowiada barwie powierzchni [3].
Proponowane są różne modele, uwzględniajace efekt chromatyczny w zjawisku odbicia światła od rzeczywistych obiektów barwnych [np.1,2,9].
4.1. Funkcja BRDF
Natężenie promieniowania odbitego od powierzchni zależy od jej właściwości, od położenia i rodzaju źródła światła oraz od warunków obserwacji. W przypadku powierzchni anizotropowych zmiana któregokolwiek z tych parametrów
powoduje zmianę luminancji powierzchni. Dlatego odbicie od powierzchni w sposób
ogólny jest opisane tzw. funkcją BRDF – dwukierunkową funkcją rozkładu współczynnika odbicia, która jest funkcją pięciu zmiennych: czterech kątów określających kierunek padania światła (θi,ϕι) i kierunek obserwacji (θR,ϕΡ) oraz długości fali świetlnej. Funkcja BRDF jest definiowana, dla określonej długości fali,
jako stosunek luminancji energetycznej L światła odbitego w danym punkcie
w kierunku Θr do natężenia napromienienia Ei w tym punkcie z ustalonego
kierunku Θi, (rys. 4a) [5]:
ρ (Θ i ,Θ R , λ ) =
dLR (Θ R , λ )
dLR (θ R ,ϕ R , λ )
=
dEi (Θ i , λ ) dLi (θ i ,ϕ i , λ )cos(θ i )dϖ i
Funkcje BRDF są używane w modelowaniu właściwości optycznych różnych
powierzchni; przykład funkcji BRDF, jako funkcji dwóch kątów jest przedstawiony na rysunku 4b [4].
a)
b)
Rys. 4. Geometria odbicia światła (a) i funkcja BRDF (b)
Barwa powierzchni z połyskiem
199
5. UWAGI KOŃCOWE
Problem wrażeń wzrokowych można rozważać z różnych punktów widzenia,
uwzględniając aspekt fizjologiczny i psychologiczny, jak również filozoficzny,
a także rozpatrując zachodzące zjawiska fizyczne, które mają wpływ na wygląd
przedmiotów.
Zarówno barwa, jak i połysk, są wrażeniami subiektywnymi; zależą od rodzaju materiału, oświetlenia, warunków obserwacji oraz od samego obserwatora. Można określać ilościowo psychofizyczne cechy barw poprzez dokładną
charakterystykę bodźców wywołujących wrażenie barwne pozwalające na odróżnienie postrzeganych cech. Połysk ilościowo określa światłość wiązki odbitej
kierunkowo od powierzchni. Wpływ połysku na barwę obiektów ocenia się zarówno na podstawie pomiarów fizycznych jak i badań psychologicznych. Nie jest
jednak znana dokładnie zależność między wizualnym postrzeganiem barwy
powierzchni z połyskiem a wielkością ustaloną na podstawie pomiaru fizycznego. Właściwości optyczne materiałów i zjawiska fizyczne zachodzące na skutek
oddziaływania światła z materią nie charakteryzują jednoznacznie subiektywnych wrażeń wzrokowych, które dodatkowo są modyfikowane przez wiedzę
i doświadczenie człowieka.
LITERATURA
1. Arino I., Kleist U., Rigdahl M.: Effect of Gloss and Texture on the Color of Injection-Molded
Pigmented Plastics. Polym. Eng. Sci. 45, str. 733–744, 2005.
2. Arney J. S., Anderson P. G., Franz G., Pfeister W.: Color Properties of Specular Reflections
J. Imag. Sci. & Technol, 50(3), str. 228–232, 2006.
3. Arney J. S., Anderson P. G., Hoon Heo.: A Micro-Goniophotometer and the Measurement of Print
Gloss. J. Imag. Sci. & Technol., 48 (5), str. 458–463, 2004.
4. Arney J. S., Ye L., Banach: Interpretation of Gloss Meter Measurements. J. Imag. Sci. & Technol,
50(6), str. 567–571, 2006.
5. Claustres L.., Boucher Y., Paulin M.: Spectral BRDF Modeling Using Wavelets. Proc. SPIE,
Wavelet and Independent Component Analysis Applications, IX Vol. 4738, str. 33–43, Orlando,
2002.
6. Ferwerda J. A., Pellacini F., Greenberg.D.P: A Psychophysically-Based Model of Surface Gloss
Perception. Proc. SPIE Human Vision and Electronic Imaging, vol 4299, s. 291-301, 2001.
7. Fleming R.W., Dror R. O., Adelson E. H.: Real-world Illumination and the Perception of Surface
Reflectance Properties. Journal of Vision, 3(5), str. 347–368, 2003.
8. Jacobs A.: Syntlight Handbook. Chapter 3: Artificial Light. London Metropolitan University, 2004.
9. Ji W., Pointer M. R., Luo M. R., Dakin J.: Gloss as an Aspect of the Measurement of
Appearance. JOSA A. 23(1), str. 22–33, 2006.
200
Z. Kolek
10. Kolek Z.: Measuring of the Reflecting characteristics of Materials. Proc. 9th International
Commodity Science Conference (IGWT), Current Trends in Commodity Science, vol.I,
str. 445–451, Poznań, 2007.
11. Lindstrand M.: Instrumental Gloss Characterization – in the Light of Visual Evaluation: A Review,
J. Imag. Sci. & Technol., 49(1), str. 61–70, 2005.
12. Mikula M., Čeppan M., Vaško K.: Gloss and Goniocolorimetry of Printed Materials, Color Res.
Appl., 28(5), str. 335–342, 2003.
13. Pieńkowski S.: Fizyka doświadczalna. Optyka, PWN, Warszawa, 1955.
14. Suzuki K., Baba G.: Geometric Conditions for Reflectance Factor Measurement. Proc. Interim
Meeting of the International Color Association, Color Communication and Management,
str. 91–94, Bangkok, 2003.
15. Wyszecki G., Stiles W.: Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae,
John Wiley and Sons, New York, 2000.
Rękopis dostarczono dnia 04.04.2008 r.
Opiniował: prof. dr hab. inż. Władysław Dybczyński
COLOUR OF GLOSSY SURFACES
Zofia KOLEK
ABSTRACT
Colour is a sensation caused by light arriving at
the eye which – in the case of non-transparent object – is the light reflected from the surface. Ideal specular reflection comes from perfectly
smooth surfaces, and in this case the colour of surface is changing
due to the angle of observation: when the angle of observation is
equal to the angle of incidence, the colour is less saturated than in
the observation from different angles. In the case of ideal diffusive
reflection the direction of reflected light is not distinguished, and the
colour of surface is not dependent on the angle of observation. Real
surfaces reflect light in specular and diffuse way. The perceived colour of an object depends on the type of material, the conditions of illuminantion as well as of observation, and observer himself. The
influence of gloss on the colour of objects is estimated on the basis of
physical measurements as well as of the tests and psychological
analysis.The dependence between visual perception of glossy surface’s colour and the value of physical parameters in not known in details.
Dr hab. inż. Zofia Kolek ukończyła studia na Wydziale Elektrotechniki AGH, uzyskała absolutorium z fizyki w UJ, posiada stopień
naukowy doktora habilitowanego w zakresie nauk ekonomicznych.
Obecnie pracuje w Katedrze Metrologii I Analizy Instrumentalnej UEK
w Krakowie. Zainteresowania zawodowe: zagadnienia metrologiczne
w systemach jakości; wykorzystanie fizycznych metod badań; znaczenie
zjawisk i czynników fizycznych w życiu i działalności człowieka.