Elementi di COLORIMETRIA Corso di Laurea in Tecnologie per la conservazione e il restauro Università Ca’ Foscari Venezia Emilio F. Orsega Elementi di COLORIMETRIA

4. LA MISURA DEL COLORE

L’ atlante di Munsell

L’ atlante di Munsell Si deve all’artista americano Albert H. Munsell (1858-1918) il primo tentativo di accurata classificazione numerica dei colori tenendo conto dei tre caratteri fondamentali già enunciati da Grossmann, con il Munsell Book of Color, 1915 (Atlante dei Colori di Munsell).

L’ atlante di Munsell Tinta (Hue), h Luminosità (Lightness), L Munsell partì dall’assunto grassmanniano di classificare ogni colore con tre parametri caratteristici corrispondenti ai tre attributi del colore: Tinta (Hue), h Luminosità (Lightness), L Saturazione o Purezza (Chroma), C

L’ atlante di Munsell Tinta : indica la qualità cromatica di un colore (quella che comunemente si chiama “colore”: rosso, giallo, porpora, blu, violetto, ecc.) I colori che possiedono una tinta di dicono cromatici, in opposizione agli acromatici: il bianco, il nero, i grigi.

L’ atlante di Munsell Saturazione o Purezza : è la sensazione del grado di “concentrazione” di una tinta (più intensa, più sbiadita). Il rosso acceso è più saturo del rosa, il celeste meno saturo del blu. E’ anche un’indicazione di quanto una tinta sia monocromatica, o inversamente, di quanta componente acromatica possegga. Una luce laser monocromatica ha un colore molto saturo.

L’ atlante di Munsell Luminosità: è detta anche “brillanza” e denota la sensazione di luminosità (di brillantezza) di un colore. Il giallo è più luminoso del viola. Il beige-marrone è un giallo di minore luminosità. Per i colori acromatici si va dalla massima luminosità (100%) del bianco puro, alla minima (0%) del nero, passando per i diversi valori di luminosità dei grigi.

L’Atlante dei Colori di Munsell L’ atlante di Munsell La classificazione di Munsell divide ogni coordinata in intervalli, denotandoli con lettere (Tinta) e numeri (Saturazione, 0-12) e Luminosità (0-10) L’Atlante dei Colori di Munsell

L’Atlante dei Colori di Munsell L’ atlante di Munsell La numerazione di Munsell per Saturazione e Luminosità non è lineare. In particolare, la luminosità effettiva aumenta più rapidamente. L’Atlante dei Colori di Munsell

L’ atlante di Munsell

L’ atlante di Munsell Saturazione Luminosità

L’ atlante di Munsell Saturazione Luminosità

L’ atlante di Munsell Saturazione Luminosità

L’ atlante di Munsell Saturazione Luminosità

Esempi classificazione Tinta L’ atlante di Munsell Esempi classificazione Tinta

classificazione Tinta L’ atlante di Munsell classificazione Tinta

L’ atlante di Munsell

L’ atlante di Munsell

L’ atlante di Munsell

Solido cromatico NCS +a -a +b -b

L’ atlante di Munsell

Sono esclusi materiali lucidi, translucidi e trasparenti L’ atlante di Munsell Il sistema di Munsell è molto usato ancora oggi, con Atlanti in diverse versioni, per determinazioni di colore a scopo pratico, soprattutto in campo artistico e industriale. I valori numerici possono essere anche frazionari, ampliando così gli intervalli originari. Il vantaggio principale di questo sistema è di essere basato su colori reali e consente un confronto visivo diretto con la superficie da valutare. Sono esclusi materiali lucidi, translucidi e trasparenti

Tristimolo Per una misura oggettiva del colore (nel senso di comunicare un colore indipendentemente dalla percezione o confronto soggettivo), si torna alla teoria del tristimolo di Young, e quindi alle sensibilità spettrali dei tre tipi di coni. Basterebbe dare per ogni curva di sensibilità un numero che denoti il peso di quello stimolo nella percezione di un dato colore. Ma se addottassimo le le curve spettrali reali, non riusciremmo a riprodurre alcune cromaticità

Tristimolo La Commission Internationale de l Éclairage nel 1931 propose tre primari standard “immaginari” (CIE31)

Coordinate di cromaticità Sia X la luminosità del rosso, Y quella del verde e Z quella del blu x, y, z sono le COORDINATE di CROMATICITA’ di un dato colore, caratterizzato dalle intensità relative delle curve spettarli tristimolo che lo riproducono. Poiché x+y+z =1, due di esse sono sufficienti a caratterizzare un colore.

Tinta/saturazione/luminosità Sistemi di descrizione del colore Tinta/saturazione/luminosità RGB CMY/CMYK CIExyY CIELab CIEL*a*b* Sistemi di coordinate tridimensionali: Colore descritto da un vettore tridimensionale di coordinate (x,y,z) Indicano esattamente in quale punto dello spazio colorimetrico si trova quel determinato colore.

CIE XYZ 1931 Sistema che consente di individuare matematicamente il colore in maniera oggettiva e assoluta. indipendente dal dispositivo Non è dotato di linearità percettiva Dalle leggi di Grassmann: la sintesi additiva è un processo lineare tridimensionale per cui qualsiasi colore C puo essere interpretato come un vettore di uno spazio cartesiano (definito spazio del tristimolo, in relazione alla natura tristimolare del colore), avente per componenti le luminanze di tre di fasci di luce indipendenti comunque scelti, definiti colori primari, ad esempio il rosso ( R) il verde (G) e il blu (B). Indicando tali luminanze con le lettere minuscole r, g e b, si ha : C = rR + gG + bB Questa assunzione costituisce la base dello spazio CIE XYZ, insieme all’introduzione delle specifiche sorgenti standard di illuminazione e dell’osservatore standard. Un dato colore può essere definito univocamente soltanto a partire dalla definizione di un osservatore e per una sorgente luminosa di distribuzione spettrale nota.

Spazio colorimetrico o spazio colore è uno spazio vettoriale Struttura algebrica con proprietà matematiche precise che consente di rappresentare uno spazio (il mondo a tre dimensioni o lo spazio che contiene tutti i colori) tramite l’utilizzo di particolari oggetti matematici – i VETTORI – che servono a costruire lo spazio e determinano quali proprietà esso possiede. Spazio (x,y,z) o (L,a,b): descritti da sistemi di vettori diversi, ha una forma diversa ma le loro proprietà matematiche fondamentali rimangono immutate. La distanza tra due punti – e quindi anche tra due colori – si potrà calcolare con la stessa formula, ma l’insieme dei colori visibili apparirà in forma diversa.

Vettore associato: RGB con coordinate (R,G,B) 2. Spazi colore dipendenti dal dispositivo Spazi colore RGB Modo per descrivere i colori indicando, per ogni colore, la percentuale di luce ROSSA, VERDE e BLU di cui il colore è composto. Il colore viene diviso nelle tre componenti che danno luogo alla sintesi ADDITIVA e si misura la percentuale di ciascuna componente. Vettore associato: RGB con coordinate (R,G,B) R, G e B possono assumere solo valori numerici interi e positivi che vanno da 0 a 255. Es: rosso puro al massimo di saturazione e luminosità avrà coordinate (255,0,0) MONITOR SCANNER

Vettore associato: CMY con coordinate (C,M,Y) Spazi colore CMY/CMYK Modo per descrivere i colori indicando, per ogni colore, la percentuale di luce CYAN, MAGENTA e GIALLO di cui il colore è composto. Il colore viene diviso nelle tre componenti che danno luogo alla sintesi SOTTRATTIVA e si misura la percentuale di ciascuna componente. Le stampanti producono i colori in modo SOTTRATTIVO sovrapponendo su un materiale di supporto strati di inchiostri semitrasparenti. Vettore associato: CMY con coordinate (C,M,Y) Il valore di K (nero) non è una quarta dimensione del vettore, ma ma una combinazione lineare delle prime tre, effettuata al fine di rendere migliore il risultato della stampa. C, M e Y possono assumere solo valori numerici interi e positivi che vanno da 0 a 100. Es: un colore descritto tramite il vettore (15,20,10) sarà stampato sulla carta il 15% di cyan, il 20% di magenta e il 10% di giallo.

3. Spazi colore indipendenti dal dispositivo CIExyY 1931 CIELuv 1960 CIEL’u’v’ 1976 CIELab 1976 CMF e osservatori Standard CIE (Commission Internationale de l’Eclaraige): metodo dei color matching experiments Colori primari standard: R = ROSSO  = 700 nm G = VERDE  = 546.1 nm B = BLU  = 435.8 nm

Illuminanti standard 1 Illuminante standard D65   (daylight illuminants)      Luce del giorno media (inclusa la regione degli UV) con la relativa temperatura del colore di 6504 K; dovrebbe essere utilizzata per la misurazione di campioni che verranno illuminati dalla luce del giorno, incluse le radiazioni ultraviolette. (nella serie D ci sono anche D50, D55 e D75)  2 Illuminante standard C Luce del giorno media (esclusa la regione degli UV) con la relativa temperatura del colore di 6774 K; dovrebbe essere utilizzata per la misurazione di campioni che verranno illuminati dalla luce del giorno nella regione del visibile, escluse le radiazioni ultraviolette. 3 Illuminante standard A Luce incandescente con la relativa temperatura del colore di 2856 K; dovrebbe essere utilizzata per la misurazione di campioni che verranno illuminati da lampade incandescenti.

Osservatori Standard

Angolo di 2° Visione foveale

Tale ponderazione viene solitamente effettuata su tutto lo spettro visibile ad intervalli di 1, 5 o 10 nm e produce i tre valori tristimolare X, Y e Z che descrivono qualsiasi colore visibile secondo le seguenti espressioni: In cui: K = fattore di normalizzazione S(l) 0 funzione che descrive l’entità dello stimolo della sensazione x(l) = funzione colorimetrica y(l) = funzione colorimetrica z(l) = funzione colorimetrica D(l) = intervallo di 1, 5 o 10 nm nel quale si considerano costanti le funzioni precedenti. Ponendo k=Kmax = 683lm/W, ed esprimendo lo stimolo in termini di radianza per ciascun intervallo di lunghezza d’onda, si ottiene che il valore della componente tricromatica Y coincide con la luminanza della radiazione.

Spazio del tristimolo XYZ nel sistema CIE 1931 Il vettore Q = (X,Y,Z) è un vettore tristimolo e il punto q (x,y,z) ne rappresenta la cromaticità. A partire dalle componenti tricromatiche X, Y, Z si possono definire le coordinate tricromatiche x, y, z tramite i seguenti rapporti adimensionali:

Questo processo di normalizzazione corrisponde a proiettare il diagramma di cromaticità dall’infinito sul piano Z=0 E poiche x + y + z = 1 è possibile individuare qualsiasi colore visibile semplicemente tramite una coppia di valori. (in genere si usano x,y, tralasciando la coordinata z) Rappresentando in un piano cartesiano le radiazioni monocromatiche in termini di coordinate tricromatiche x e y, si ottiene il diagramma di cromaticità (x,y) CIE 1931. Le coordinate cromatiche assumono valori da 0 a 1.

Nel diagramma è possibile individuare il luogo dello spettro all’interno del quale sono rappresentati tutti i colori visibili, delimitati in basso dal limite delle porpore, le cui sensazione cromatiche non possono essere prodotte da radiazioni monocromatiche. B

Alcune caratteristiche interessanti dei diagrammi di cromaticità: i punti che si trovano sul bordo del diagramma a forma di U capovolta rappresentano i colori monocromatici. Es: il punto che si trova sullo spigolo in basso a destra rappresenta il rosso generato da una radiazione elettromagnetica di lunghezza d’onda 680 nm. il diagramma ha al centro un punto bianco. Piu si ci allontana in senso radiale da quel punto verso il bordo e piu si incontrano colori a maggiore saturazione. Se si fissano tre punti all’interno del diagramma e li si unisce formando un triangolo, tutti i colori che possono essere generati dalla combinazione lineare dei colori corrispondenti ai vertici del triangolo sono rappresentati dai colori che si trovano all’interno del triangolo. La lunghezza d’onda dominante di un colore che si trova sul diagramma è la lunghezza d’onda che si puo leggere all’intersezione tra la retta che passa per il punto generico fissato e il punto di bianco e la parte del bordo del diagramma a forma di U rovesciata.

Ciascun colore può avere una diversa luminosità, per cui l’intero “catalogo” dei colori visibili è matematicamente individuabile tramite la terna di valori x,y,Y. Aumentando il valore di Y la gamma cromatica visibile diminuisce, sino a diventare una piccola area per elevati valori di luminosità.

Spazio colore XYZ (Yxy) I valori tristimolo XYZ e lo spazio di colori Yxy ad essi associato costituiscono le fondamenta dell'attuale spazio di colori CIE. Il concetto per i valori tristimolo XYZ è basato sulla teoria dei tre componenti della visione del colore secondo la quale l'occhio possiede dei ricettori per i tre colori primari (rosso, verde e blu) e tutti i colori sono visti come combinazione di questi tre colori primari. I valori tristimolo XYZ sono calcolati utilizzando le funzioni colorimetriche dell'Osservatore standard. Se la mela vieme misurata usando lo spazio di colori Yxy, si ottengono i valori x=0,4832, y=0,3045 come coordinate di cromaticità che corrispondono al punto (A) del diagramma illustrato nella figure 12; il valore Y di 13,37 indica che la mela ha una riflettanza del 13,37%.

Spazio colore XYZ (Yxy) I valori tristimolo XYZ e lo spazio di colori Yxy ad essi associato costituiscono le fondamenta dell'attuale spazio di colori CIE. Il concetto per i valori tristimolo XYZ è basato sulla teoria dei tre componenti della visione del colore secondo la quale l'occhio possiede dei ricettori per i tre colori primari (rosso, verde e blu) e tutti i colori sono visti come combinazione di questi tre colori primari. I valori tristimolo XYZ sono calcolati utilizzando le funzioni colorimetriche dell'Osservatore standard. Se la mela vieme misurata usando lo spazio di colori Yxy, si ottengono i valori x=0,4832, y=0,3045 come coordinate di cromaticità che corrispondono al punto (A) del diagramma illustrato nella figure 12; il valore Y di 13,37 indica che la mela ha una riflettanza del 13,37%.

Lo spazio CIExyY è poco uniforme. Il sistema visivo umano è in grado di discriminare differenza di colore di sorgenti monocromatiche che abbiano un Dl di circa 5 nm. Segmenti isocromaticoincrementali nel diagramma x,y CIE.

Lo spazio CIExyY è poco uniforme. Il sistema visivo umano è in grado di discriminare differenza di colore di sorgenti monocromatiche che abbiano un Dl di circa 5 nm. Segmenti isocromaticoincrementali nel diagramma x,y CIE.

La distanza euclidea è una distanza geometrica – nello spazio dei colori facciamo riferimento a una distanza colorimetrica. Supponiamo di essere in grado di vedere perfettamente quando due colori sono diversi tra loro di una quantità uno. Se noi fissiamo un colore, diciamo Crif sul diagramma cromatico CIExy 1931 saremmo in grado di segnare con una matita tutti i colori che per noi sono diversi dal colore Crif di una quantità uno. Se il diagramma fosse uniforme la distanza cromatica tra i colori corrisponderebbe alla distanza geometrica tra i punti del diagramma che rappresentano quei colori.

Lo spazio CIExyY è poco uniforme. Per capire cosa significa la non uniformità negli spazi colore bisogna ricordare il concetto di distanza tra due punti di uno spazio. Gli spazi colore sono particolari sottoinsiemi di spazi vettoriali a tre dimensioni. In tali spazi è possibile definire una funzione che si chiama “distanza” che calcola tra due punti qualsiasi, quanto questi punti sono distanti tra loro in quello spazio. Un esempio abbastanza semplice di “distanza” è la distanza euclidea. Dati due punti A e B di coordinate generiche : A =(x,y,z) e B= (u, v, w) La loro distanza è data da: [(x-u)2 + (y-v)2 + (z-w)2]1/2 Ad esempio: Se A = (1,2,8) e B= (4,6,8) la distanza tra A e B sara: [(1-4)2 + (2-6)2 + (8-8)2]1/2= 5

Per rendere gli spazi colore piu uniformi, sono state introdotte trasformazioni matematiche capaci di eliminare l’anisotropia insita nella proiezione sul piano x,y. Queste trasformazioni hanno dato origine ad altri spazi colore, come ad esempio Luv e Lu’v’.

CIE Luv La coordinata Y è stata sostituita attraverso una trasformazione matematica da una coordinata L (luminosità). CIELuv: utilizzato per sistemi di riproduzione dei colori che sfruttano la sintesi additiva quali i monitor e la TV.

Schiaccia i colori giallo, marrone, arancio e rosso in un area relativamente piccola. Lo spazio risulta più uniforme del precedente CIExyY

CIE Lu’v’

CIE L*a*b* Sistema indipendente da ogni dispositivo (device independent) come tutti i modelli CIE che, nelle intenzioni, vorrebbe essere percettivamente uniforme. È, attualmente considerato lo standard di interscambio di dati colorimetrici, soprattutto in ambito di elaborazione elettronica delle immagini. La sua peculiarità è costituita dal riferirsi direttamente alla opponent process theory per la codifica delle coordinate cromatiche a* e b*, mentre la specificazione della luminosità viene operata usando lo stesso termine L* del sistema CIE Luv.

Esprimere il colore con parametri numerici Colorimetria Esprimere il colore con parametri numerici Spazio L*a*b* L* Luminosità + bianco - nero a* + rosso - verde b* + giallo - blu

Set di coordinate dello spazio CIELab L* = rappresenta la luminosità, puo assumere valori da 0 (luminosità minimas – nero) a 100 (luminosità massima – bianco) a* : esprime il ROSSO quando è positiva e il VERDE quando è negativa. Può assumere valori che vanno da più infinito a meno infinito. b*: esprime il GIALLO quando è positiva e il BLU quando è negativa. Può assumere valori che vanno da più infinito a meno infinito. a* e b* sono coordinate di cromaticità. Un colore non puo essere contemporaneamente rosso e verde, ovvero, giallo e blu, in quanto tali colori sono reciprocamente complementari rispetto al bianco nella sintesi additiva.

Se immaginiamo di tagliare lo spazio CIELab perpendicolarmente all’asse L in corrispondenza del valore L = 50, otteniamo una proiezione del modello L*a*b* sul piano L=50 che rappresenta tutti i colori visibili alla stessa luminosità (50). Il centro del cerchio corrisponde a un grigio esattamente a metà strada tra il bianco (L=100) ed il nero (L=0)

Diagramma di cromaticità a*b*

A Per vedere quale colore rappresentino tali valori, occorre innanzitutto riportare i valori a* e b* (a*=+47,63, b*=+14,12) su un diagramma a*, b* della figura precedente per ottenere il punto (A), che indica la cromaticità della mela. Ora, se si taglia in sezione verticale il solido dei colori attraverso il punto (A) e il centro, si ottiene una visione della cromaticità rispetto alla luminosità, parte della quale appare nella figura.

SPAZIO L*C*h Lo spazio di colore L*C*h usa lo stesso diagramma dello spazio di colore L*a*b* ma le sue coordinate sono cilindriche anziché rettangolari. In questo spazio di colore: L* indica la luminosità (è la stessa L* dello spazio di colore L*a*b* ) C* è il croma (saturazione) h l'angolo della tinta (hue). La saturazione C* e la tinta h sono definite da                               Dato un punto P sul cerchio cromatico, la sua tinta (h) è espressa dall’angolo (in gradi) che il raggio vettore con origine nel centro O ed estremo in P forma con il semiasse +a*; il valore di C*, detto anche croma o saturazione, è uguale al modulo del raggio vettore OP ed è un indice della saturazione di colore.

SPAZIO L*C*h Il valore di croma C*è pari a 0 al centro e aumenta con la distanza dal centro. L'angolo della tinta h parte per definizione sull'asse +a* ed è espressa in gradi; 0° sarà +a* (rosso), 90° sarà +b* (giallo), 180° sarà -a* (verde) e 270° sarà -b* (blu). Se si misura la mela usando lo spazio di colore L* C*h, si ottengono i risultati mostrati sotto. Se questi valori vengono rappresentati in un digramma (figura 9), si ottiene il punto (A).                              

Piano Colorimetrico a*b* Saturazione (C*) Tinta (h)

Spazio colore Hunter lab Lo spazio di colore Hunter Lab è stato sviluppato da R. S. Hunter perché visivamente più uniforme rispetto a quello CIE 1931 Yxy. Simile allo spazio di colori CIE L*a*b*, viene utilizzato in diversi campi applicativi, incluso il settore delle vernici.

Tipici triangoli cromatici triangolo a tratto continuo (nero): triangolo dei monitor a colori fosforescenti dei computer o del televisore sistema PAL triangolo tratteggiato (blu): triangolo cromatico dei monitor a colori fosforescenti del televisore sistema NTSC (americano); Triangolo cromatico standard RGB

Spettri di RIFLETTANZA