Спектрофотометр: взгляд изнутри

Таблица

Колориметрический контроль, так ли он необходим?

В основе синтеза цветов при многокрасочной печати лежит трехкомпонентная теория цветового зрения, основные положения которой были высказаны в XVIII веке Ломоносовым и получили развитие в работах Максвелла и Геймгольца во второй половине XIX века. В начале 40-х годов многочисленные исследования в области цветного репродуцирования подытожил в своем труде Н.Д. Нюберг. Он выделил три возможных типа постановки задачи цветного репродуцирования, итогом которых является физически точная, физиологически точная и психологически точная репродукция.

Физически точной является такая репродукция, при которой мы имеем совпадение абсолютных распределений энергий для любых двух соответствующих точек оригинала и репродукции.

Физиологически точная репродукция полностью совпадает с оригиналом в колориметрическом смысле.

Случай, когда большинством наблюдателей признается соответствие репродукции оригиналу при заведомом несоблюдении физиологической точности, вошел в науку под названием психологической точности.

В настоящее время не только за рубежом, но и в России все еще ведутся научные исследования по определению допусков цветовоспроизведения и разработки методов объективного контроля цветопередачи для получения психологически точных полноцветных полиграфических репродукций. Наиболее важным с практической точки зрения является достижение психологической точности цветопередачи. Для проведения любых оценочных действий необходимы методы получения объективных количественных оценок характеристик цвета и цветовых различий. Подобные методы (они называются колориметрическими) делятся на два типа:

• методы, в которых цвета предметов сопоставляют с цветовым эталоном, взятым из стандартной системы образцов;
• методы, основанные на трехцветной теории зрения.

Цветовые эталонные образцы — это чаще всего оттиски, полученные типовыми красками на разных видах бумаги. Из них составляют различного рода цветовые шкалы. Эти методы позволяют судить о степени совпадения цвета на отпечатке с цветом образца, но не дают количественную характеристику воздействиям на глаз цветов различных излучений.

Для объективной количественной характеристики цвета используются методы второго типа, позволяющие производить измерения цвета приборами, путем аддитивного синтеза. В основе любых цветовых измерений лежит возможность точного определения цветовых координат. Соответственно возникла задача о выборе цветового пространства. Пространства цветового синтеза RGB и CMYK не стандартизованы, так как являются аппаратно зависимыми. Поиски модели пространства, которое обеспечивало бы возможность адекватной оценки цветового воспроизведения, привели к пространству CIELab (см. врезку). Оно было стандартизировано и используется в современных системах допечатной подготовки и контроля качества.

Спектрофотометры

Прибором, призванным обеспечить контроль цвета, является спектрофотометр. Главная его задача — расчет цветовых координат и построение спектральной кривой для соответствующей точки измеряемого объекта.

Большинство моделей спектрофотометров для полиграфических нужд, представленных на мировом рынке различными фирмами-производителями, имеют возможность получать координаты цвета в международных системах XYZ, CIELab, CIE LCH.

Как и результаты восприятия человеческим глазом, показания спектрофотометра зависят от источника освещения и угла наблюдения. Для того чтобы эти измерения все-таки носили объективный характер, в спектрофотометрах используются стандартные наборы источников освещения и фиксированные углы измерения.

На практике отпечатанный материал может находиться не только в закрытых помещениях, но, например, под открытым небом в качестве рекламных плакатов, или в метро, где на зрительное восприятие оказывает сильное влияние освещение. Изменение восприятия цвета человеком в зависимости от освещения принято называть метамеризмом. Для имитации различного освещения спектрофотометры используют стандартизованные источники излучения — D50, D65, A, B, C и т.д., имеющие определенные стандартизованные спектральные характеристики. Например, у источника A норма среднего искусственного света эквивалентна цветовой температуре 2858К, что соответствует излучению лампы накаливания. У источника B — норма прямого солнечного света с цветовой температурой близка к 4800К. У источника C — норма рассеянного дневного света с температурой около 6500К. Источник D65 имеет температуру, почти строго равную 6500К (применяется во всем мире, кроме Германии, где стандартным считается D50 с цветовой температурой 5000К).

Во всех колориметрических приборах соблюдается определенная структура световых пучков — падающих на изображение и отражающихся от него (названная геометрией измерения). Сила света, отраженная поверхностью, зависит от направления, в котором наблюдается эта поверхность. Поэтому все условия наблюдения нормируются.

Рис.1

Для проведения колориметрических измерений изображений, которые будут наблюдаться с различных расстояний, используются стандартизованные углы наблюдения в 2^o и 10^o.

В некоторых случаях наиболее критичными элементами изображения являются фирменный цвет логотипа или точное воспроизведение памятных цветов. Человеческий глаз замечает изменения цвета только в случае превышения так называемого цветового порога (минимального изменения цвета, заметного глазом) или показателя цветовых различий DE. Применяемые в современных спектрофотометрах технологии позволяют определить эту величину, которая рассчитывается из формулы

где L, a, b - цветовые координаты оригинала, а L`, a`, b` - реально полученные значения при измерении цветопробного, печатного оттиска и т.д. Это измерение позволяет оперативно и точно провести возможные корректировки технологических режимов печати, например подачу краски, увлажняющего раствора, давления в печатной паре или внести предыскажения еще на стадии допечатной подготовки.

Рис.2

В соответствии с Европейским стандартом DE не должна превышать 3. При увеличении этой величины глаз будет воспринимать цветовые различия, а выполненная работа может попасть в брак. Особенно критично превышение этой величины при работе со смесевыми красками, например Pantone.

Большинство спектрофотометров различных фирм-производителей имеют схожие схемы строения. Основное же их отличие состоит в использовании электронных схем и алгоритмов расчетов цветовых координат, а также программного обеспечения для совместной работы с компьютером.

Рис.3

На рис. 4 приведена обобщенная блок-схема внутреннего строения спектрофотометра, а на рис. 2 увеличенная схема строения считывающей головки.

Колориметрические измерения по приведенной схеме осуществляются следующим образом: луч света 1 от источника света 2 (лампы с цветовой температурой, выбранной по стандартам, описанным выше) проходит через коллиматор 3, который формирует узкий параллельный пучок лучей, затем через апертуру определенного диаметра 4 и попадает на оттиск 5.

Рис.4

Отразившись от него, свет по волоконно-оптическим световодам 6, 7, 8 попадает на набор светофильтров. Считывание информации с образца происходит одновременно только по двум каналам. Этому способствуют специальные затворы 9 и 10, приводящиеся в движение с помощью двигателей 11 и 12.

Рис.5

После прохождения по световодам луч света попадает на комплекс фильтров, имеющих определенную полосу пропускания. Как и в случае с денситометрами на отражение, в комплект со спектрофотометрами входят различные поляризационные фильтры.

Например POL — поляризационный фильтр для измерения глянцевых оттисков, No — нейтрально-серый фильтр, который дает возможность проводить измерения, используя только источник излучения спектрофотометра, а D65 применяется для измерений металлизированных красок или лакированных печатных оттисков.

Прошедший через фильтры свет попадает на фотоэлектронный умножитель, который усиливает сигнал и посылает его на аналого-цифровой преобразователь. В свою очередь тот преобразует аналоговый сигнал в цифровой для последующей обработки центральным процессором прибора.

После обработки информации данные индицируются на дисплее и могут быть распечатаны на принтере или введены в персональный компьютер. На рис. 3 и 5 приведены общие виды наиболее распространенных на российском рынке моделей 528 и SPM 50 фирм X-Rite и GretagMacbeth соответственно.

Как и любое электро-механическое устройство, спектрофотометр нуждается в постоянном контроле и уходе. Кроме общепринятых норм хранения, транспортирования и работы прибору необходима периодическая калибровка, заключающаяся в считывании абсолютно белой точки с эталонного образца.

В качестве эталонного образца используют специальные керамические пластинки на основе сульфата бария или окиси магния с абсолютным значением коэффициента отражения 0,97 и 0,98 соответственно.

Одним из критических параметров для всех спектрофотометров является так называемая повторяемость, или точность измерений, т.е. получение идентичных результатов замеров одного и того же участка изображения. Не секрет, что многие из представленных на мировом рынке приборов обладают очень большим разбросом значений, достигающим DE=0,07 и выше. Причем эти значения имеют тенденцию изменения в зависимости от времени непрерывной работы прибора, и получить достоверные результаты измерений становится весьма проблематично.

В сравнительной таблице приведены значения основных характеристик популярных в нашей стране приборов.

Дополнительные возможности спектрофотометров

Несколько лет назад в мире начали активно развиваться системы управления цветом Color Matching Management (CMM). Эти технологии позволили выйти на качественно иной уровень контроля не только отдельно взятых стадий, но и всего полиграфического процесса. Применяемые в настоящее время системы сквозной калибровки или характеризации устройств на основе профилей ICC позволяют достигать неплохих результатов согласования цветов на всех стадиях визуального представления изобразительной информации.

С развитием систем управления у спектрофотометров появилась новая область применения. Помимо своих основных функций, приборы могут работать в комплексе со специальными программными продуктами, создающими профили ICC, например с Photoshop, Painter, Illustrator и т.д. Общий вид формирования профилей представлен на рис. 7. Создание профилей осуществляется с помощью таких программ, как ColorShop фирмы X-Rite, ProfileMaker фирмы GretagMacbeth, ViewOpen, ScanOpen, PrintOpen фирмы Heidelberg Prepress и т.д.

Рис.7

Например, спектрофотометр Spectrolino швейцарской фирмы GretagMacbeth (рис. 10) совмещает в себе три функции: колориметрические измерения цветовых характеристик монитора, прозрачных и непрозрачных материалов, а также измерение оптических плотностей непрозрачных материалов. Похожий прибор (только по некоторым выполняемым функциям, но не по техническим и технологическим характеристикам) — Colortron американской фирмы X-Rite.

Рис.10

Кроме спектрофотометров, предназначенных для проведения измерений в полиграфии, существуют приборы, применяющиеся в текстильной и пищевой промышленности, при изготовлении бумаги и в медицине. В этих случаях измерениям подвергаются не только твердые субстанции, но и жидкости.

Например, американская компания Hunter Associates Laboratory, работающая на рынке измерительных систем более 40 лет, выпускает устройства для колориметрических измерений образцов пластика, текстиля (рис. 9), сыпучих материалов и различных продуктов питания. Или компания DataColor International, спектрофотометры которой используют крупнейшие автомобильные компании для подбора красок.

Рис.9

В качестве заключения хочется напомнить, что в современной полиграфии к качеству передачи цвета предъявляются особые требования. Пренебрежение к средствам контроля может привести не только к периодическому появлению брака, но и к потере имиджа фирмы со всеми вытекающими последствиями. 

Литература:

1. Артюшин Л.Ф. и Артюшина Е.А. «Цветоделение для полиграфистов», М., «Книга», 1977 г.
2. Нюберг Н.Д. «Теоретические основы цветной репродукции», М., «ПолиграфКнига», 1947 г.
3. Шашлов Б.А. «Цвет и цветовоспроизведение», М., «Мир книги», 1995 год.

Цветовое пространство CIELab

В 1931 году Международная комиссия по освещению — CIE (Commission Internationale de L`Eclairage) предложила математически рассчитанное цветовое пространство XYZ, которое было определено таким образом, чтобы закрывать весь спектр, видимый человеческим глазом. В качестве базовой была выбрана система реальных цветов RGB, а свободный пересчет одних координат в другие позволял проводить различного рода измерения.

Рис.6

Недостатком нового пространства была его неравноконтрастность. Понимая это, ученые проводили дальнейшие исследования, и в 1960 году Мак-Адам внес некоторые дополнения и изменения в существовавшее цветовое пространство, назвав его UVW (или CIE-60). Затем в 1964 году по предложению Г. Вышецкого было введено пространство U*V*W* (CIE-64), в конце концов в 1976 году были устранены все разногласия и на свет появилось пространство Lab (CIE-76), базирующееся на тех же координатах XYZ, но являющееся равноконтрастным.

В настоящее время цветовое пространство CIELab служит международным стандартом работы с цветом. Основное преимущество пространства — независимость от механизма воспроизведения цвета как на мониторах, так и на других устройствах ввода и вывода информации. Это несомненно является важным фактором в полиграфической деятельности, так как дает возможность оценивать цветовые различия не только единичных цветов, но и цветов произвольной яркости.

Это пространство показано на рис. 6. Координаты цвета обозначены буквами:

L (Lightness) — яркость цвета, измеряется от 0 до 100%;

a — диапазон цвета по цветовому кругу от зеленого —120o до красного значения +120o;

b — диапазон цвета от синего –120o до желтого +120o.

В настольных издательских системах, в частности на стадии сканирования и обработки изображения, принято работать с цветовыми координатами LCH, которые получаются из Lab следующим образом:

C (Chroma) = — насыщенность цвета;
H (Hue) =arctg(b/a) — цветовой тон;
L — та же координата яркости.

Практическое использование спектрофотометров

Как показывает опыт, каждое предприятие периодически сталкивается с различного рода нестандартными ситуациями, возникающими на производстве. И каждое решает их по-своему, исходя из поставленных задач, технических средств и профессионализма сотрудников.

Компания «Эдас Пак», занимающаяся в основном флексографской печатью, для проведения сравнений цветовых охватов устройств и построения цветовых профилей использует программные продукты ColorSynergy фирмы Pictographics Ltd. и набор программ ViewOpen, ScanOpen и PrintOpen фирмы Heidelberg Prepress.

Рис.8

На рис. 8 приведен интерфейс программы ColorSynergy, который дает возможность визуальной оценки получающихся цветовых пространств (в данном случае монитора, выделенного зеленым цветом, и тиражного оттиска с флексографской печатной машины — красного цвета).

Два дополнительных окна показывают координаты цвета в различных цветовых пространствах, ошибку цветового тона, а вид сверху, на цветовом круге, позволяет оценить охват монитора и оттиска, а следовательно возможность воспроизведения монитором всех цветов печатного оттиска.

Для подобного сравнения необходимо создать профиль устройства. Здесь не обойтись без спектрофотометра, который бы измерял специальные цветовые шкалы с полями, имеющими цветовые координаты реперных точек того или иного пространства, и записывал бы их в цифровой форме.

Особенно сложно обходиться без спектрофотометра при выполнении нетривиальных задач. В компанию «Эдас Пак» обратился заказчик с просьбой отпечатать этикеточную продукцию для серии прохладительных напитков, причем цвет этикетки должен был совпадать с цветом пластиковой бутылки, заполненной жидкостью.

Для измерения цвета воды пришлось воспользоваться специальным спектрофотометром. Проведенный анализ получившихся цветовых координат и возможностей воспроизведения этого цвета обычным CMYK не дал положительных результатов. Тогда пришлось визуально подбирать цвет по Pantone Formula Guide и оценивать его в пространстве CIELab. Ближайший цвет с минимальным DE был взят в качестве рабочего.

По завершении пробной печати на полипропиленовой пленке оттиски были замерены с помощью спектрофотометра и сразу же внесена коррекция в печатный процесс.

Возьмем еще один пример. Компания «УпакСервис», являющаяся поставщиком красок фирмы BASF для глубокой и флексографской печати, оказывает также своим клиентам техническую помощь в работе с поставляемыми продуктами. Одной из услуг является составление рецептуры смешения красок для печати на различных материалах и получение максимального соответствия цвета требованиям заказчика.

Подбор красок осуществляется с учетом свойств тиражного материала, на котором работает заказчик. При этом не важно, какова основа (бумага, гофрокартон, прозрачная полипропиленовая пленка, алюминиевая фольга и т.д.). В качестве базовых используются монопигментные краски, которые при смешении позволяют получить максимальный цветовой диапазон. Из них составляются необходимые сочетания для получения необходимого цвета.

Измерения проводятся подключенным к компьютеру прибором Color Quest II фирмы Hunter Associates Laboratoriy при помощи специального программного обеспечения фирмы BASF — BACOS.

Составление рецептов происходит с учетом конкретной используемой серии красок, условий печатного процесса заказчика и особенностей запечатываемого материала.

Принесенный образец цвета и будущая печатная основа измеряются с помощью спектрофотометра. Строится спектральная кривая образца и программой рассчитывается формула смешения красок по имеющимся в компьютере сведениям о базовых красках. Программа автоматически проводит оптимизацию по следующим параметрам: цветовому соответствию, метамеризму, количеству компонентов и цене.

Далее, смешав в лабораторных условиях предложенные краски и сделав выкраску полученной смеси на материале заказчика, опять проводят измерения. Программа анализирует полученные результаты и вносит соответствующие коррективы в формулу смешения, после чего все повторяется заново.

В результате, через некоторое количество повторов операций достигается значение цветового различия DE менее 3 (во многих случаях и менее 1). При этом для смеси может быть предложено как три-четыре компонента, так и более, например 6–8, это зависит от оператора, который руководствуется своими знаниями о конкретных условиях работы и требованиями заказчика.

Получившийся рецепт красок отдается в типографию, где колорист или печатник смешивают краски непосредственно на производстве.

Естественно, чем экзотичнее цвет, который хочет получить заказчик, тем более трудоемким становится процесс подбора красок и тем дороже обойдется печать упаковки. Иногда встречаются требования, которые невозможно выполнить на конкретном оборудовании и применяемых материалах. Чаще всего такие ситуации происходят из-за того, что заказчик не представляет ограничений, накладываемых печатным процессом, либо пытается выполнить работу с максимально возможным качеством и по минимальной цене, что зачастую несовместимо.

Описанная система позволяет достаточно точно определить, возможно ли выполнить требования заказчика при использовании имеющегося оборудования и материалов еще до того, как заказ отдадут в производство.

Автор выражает благодарность Теплышову С. («Эдас Пак») и Петрашу Д. («УпакСервис») за предоставленные практические материалы.