Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 2008, via Hoepli 5, Milano (Italy) ISBN

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1 Copyright Ulrico Hoepli Editore S.p.A. 2008, via Hoepli 5, Milano (Italy) ISBN

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3 Indice Presentazione Prefazione Simboli e notazioni convenzionali 1. Elementi di ottica per la colorimetria (Giuseppe Varalda) 1.1 Introduzione 1.2 Radiazione elettromagnetica: onda e fotone Le onde elettromagnetiche Velocità della luce e indice di rifrazione I fotoni La polarizzazione di un onda elettromagnetica Riflessione e rifrazione 1.3 Radiometria: grandezze, leggi e sfera integratrice Energia del campo elettromagnetico e radiometria Emissione di luce e grandezze spettrali Legge dell inverso del quadrato e legge del coseno di Lambert Sfera integratrice di Ulbricht 1.4 Analisi spettrale della luce La dispersione Diffrazione e interferenza 1.5 Strumentazione per le misurazioni spettrali 2. Fisica del colore nei corpi non autoluminosi e misurazioni fisiche (Claudio Oleari) 2.1 Proprietà ottiche dei corpi e loro aspetto Introduzione La luce e la superficie di separazione tra due mezzi La luce all interno di un mezzo Fluorescenza Diffusione della luce 2.2 Mezzi trasparenti Trasmittanza interna Trasmittanza e riflettanza totali 2.3 Mezzi torbidi Modello a due flussi di Kubelka-Munck Equazione di Saunderson Introduzione alla teoria a molti flussi 2.4 Grandezze fisiche e geometrie standard per la specificazione del colore dei corpi non autoluminosi Modulazione della luce in riflessione e trasmissione Misurazioni fisiche nel caso di colore gonio-apparente generale

4 3. Fisiologia della visione a colori (Adriana Fiorentini) 3.1 Struttura e funzioni dell occhio umano Il sistema ottico e la formazione delle immagini Le aberrazioni cromatiche Densità dei mezzi ottici dell occhio 3.2 Struttura della retina 3.3 Fotorecettori, caratteristiche dei pigmenti, principio dell univarianza di Rushton Visione diurna e visione notturna I pigmenti dei fotorecettori 3.4 La gamma dei colori delle luci : i colori spettrali, il magenta, il bianco I colori spettrali Il magenta o porpora Il bianco 3.5 Eguaglianza dei colori {colour matching}, metamerismo, colori complementari Colour matching Colori complementari Colore risultante dalla somma di due o più radiazioni monocromatiche: caso generale 3.6 Trivarianza della visione cromatica. Teoria di Young-Helmholtz 3.7 Contrasto di luminanza, sensibilità al contrasto, adattamento alla luminanza Sensibilità alle differenze di luminanza: Legge di Weber-Fechner Sensibilità al contrasto per variazioni spaziali di luminanza Sensibilità alla variazioni temporali di luminanza Adattamento alla luminanza 3.8 Colore degli oggetti illuminati (bianco, grigio, nero, marrone, ecc) I colori neutri Scale di chiarezza Bande di Mach Gli oggetti colorati L albero dei colori 3.9 Teoria di Hering dei colori opponentisi 3.10 Difetti della visione dei colori: tricromati anomali e dicromati 3.11 Adattamento cromatico, contrasto cromatico simultaneo e successivo, stimoli equiluminanti e sensibilità al contrasto cromatico Adattamento cromatico e contrasto cromatico Stimoli equiluminanti Sensibilità al contrasto cromatico 3.12 Funzioni retiniche postrecettoriali, vie neurali e aree cerebrali specializzate per la percezione cromatica Dai fotorecettori alle cellule gangliari: analisi e codificazione dell informazione visiva nella retina Vie neurali e aree cerebrali specializzate per la percezione cromatica 4. Percezione del colore (Walter Gerbino) 4.1 Introduzione 4.2 Il colore: ecologia e fenomenologia 4.3 Colori e categorie

5 4.4 Oltre la composizione spettrale 4.5 Colore e organizzazione della scena 4.6 Conclusioni 5. Fotometria (Claudio Oleari) 5.1 Introduzione 5.2 Unità fotometrica: dalla candela storica al Sistema Internazionale 5.3 Efficienza spettrale fotopica luminosa relativa CIE Osservatore fotometrico fotopico standard CIE 1924 e CIE Grandezze fotometriche nel Sistema Internazionale 5.6 Osservatore scotopico fotometrico standard CIE Osservatore fotopico fotometrico con campo visivo di 10 CIE Colorimetria (Claudio Oleari) 6.1 Introduzione Fasi storiche e sistemi della colorimetria Modi di presentare il colore e relativa nomenclatura 6.2 Spazio psicofisico del colore e standard CIE Introduzione Fisica prerecettoriale Principio dell univarianza e spazio delle attivazioni dei coni Cromaticità e diagrammi di cromaticità Metamerismo Fotometria e spazio del tristimolo Osservatore standard CIE 1931 per campo visivo di Osservatore per campo visivo di 2 modificato Osservatore standard CIE Limiti dello spazio del tristimolo 6.3 Dati spettrali, illuminazione e calcoli colorimetrici Introduzione Sorgenti di luce e illuminanti standard CIE Specificazione CIE del colore di una sorgente di luce Specificazione CIE del colore superficiale e colori ottimali Specificazione del colore fluorescente Indice di bianco e indice di tinta Calcoli colorimetrici 6.4 Scale psicometriche e sistemi standard CIE Introduzione Adattamento cromatico Discriminazione cromatica e metrica nello spazio del colore Sistemi CIE 1976: CIELUV e CIELAB Specificazione della differenza di colore Indici di metamerismo Conclusione 6.5 Atlanti e sistemi di ordinamento dei colori Introduzione Sistemi a miscela di sostanze coloranti

6 6.5.3 Sistemi di colori a stampa mediante retinatura Sistemi a miscela di colori Sistema dei colori di Munsell Sistema svedese dei colori naturali (NCS) Sistema della Società di ottica americana (OSA-ucs) Sistema dei colori DIN 6264 generale CIE 7 Strumentazione radiometrica, fotometrica e colorimetrica di base (Sabina Battaglino) 7.1 Introduzione 7.2 Cabina di luce 7.3 Strumenti a comparazione visiva 7.4 Strumenti di misurazione a pesatura spettrale Strumenti fotometrici Strumenti colorimetrici 7.5 Strumenti di misurazione ad analisi spettrale 7.6 Lucentimetro {glossmeter} 8 Strumentazione fotometria e spettrofotometra (Pietro Polato) 8.1 Generalità Introduzione Metodi a pesatura spettrale e ad analisi spettrale Sistemi di irradiamento e di osservazione Condizioni geometriche CIE di irradiamento e di osservazione Principio di reciprocità di Helmholtz Precauzioni nelle misurazioni fotometriche e spettrofotometriche 8.2 Sfera integrante e misurazioni Sfera integrante Misurazioni di trasmittanza τ 0/di (λ) Misurazioni di riflettanza ρ 0/di (λ) Misurazioni di trasmittanza e riflettanza (0/d) SPEX Misurazioni dei fattori di radianza β di/0 (λ) e β de/0 (λ) in trasmissione Misurazioni dei fattori di radianza β di/0 (λ) e β de/0 (λ) in riflessione Sfere integranti con porte di grande diametro Misurazioni di assorbimento col metodo 4π 8.3 Spettrofotometro e misurazioni Spettrofotometro Misurazioni di trasmittanza Misurazioni di riflettanza Misurazioni di trasmittanza e riflettanza 0/d SPEX Misurazioni con angoli di incidenza superiori a Calcolo dell assorbimento 8.4 Spettrofotometro multicanale {abridged} 8.5 Goniofotometro e Spettrogonioradiometro 8.6 Misurazioni dei fattori di luminanza β 45/0 e β 0/45

7 9 Incertezza di misura in colorimetria (Maria Luisa Rastello) 9.1 Introduzione Equazione della misurazione Classificazione delle componenti dell incertezza Combinazione delle inceterzze 9.2 Calcolo dell incertezza in colorimetria Metodi di misura ad analisi spettrale Metodi di misura a pesatura spettrale 9.3 Procedura di misurazione 9.4 Altri esempi di calcolo della incertezza Taratura in luce monocromatica di un rivelatore per donfronto con un rivelatore campione Taratura di un colorimetro tristimolo mediante illuminante CIE-A 10. Colore e illuminazione (Alessandro Farini) 10.1 Introduzione 10.2 Temperatura di colore Scelta della corretta temperatura di colore 10.3 Indice di resa del colore Limiti dell indice di resa del colore 10.4 Altri parametri per la resa del colore Indici basati sulla preferenza cromatica Indici basati sulla discriminazione del colore 10.5 Influenza della cromaticità delle sorgenti sulla percezione visiva Correlazione tra indice di resa del colore e temperatura del colore Cromaticità della luce e percezione visiva Cromaticità delle sorgenti e ciclo circadiano 11. Applicazioni classiche della colorimetria (Claudio Oleari) 11.1 Introduzione 11.2 Monitor, camera e segnale video Monitor e segnale video Camera Sistema srgb Sistemi di ordinamento dei colori in computergrafica 11.3 Formulazione dei coloranti 11.4 Stampa mediante retinatura 11.5 Verso la colorimetria dell apparenza 11.6 Conclusioni sulla riproduzione dei colori generale Appendice 1 - Strumenti matematici della colorimetria (Sabina Battaglino e Claudio Oleari) A1.1 Introduzione

8 A1.2 Spazio lineare reale a una dimensione A1.3 Spazio lineare reale a due dimensioni A1.4 Equazioni della retta, del cerchio e dell ellisse sul piano A1.5 Spazio lineare reale a tre dimensioni A1.6 Coordinate baricentriche A1.7 Angoli solidi A1.8 Formule interpolanti raccomandate dalla CIE Appendice 2 - Software per fenomeni della visione a colori e per il calcolo e l analisi colorimetrica (Gabriele Simone) A2.1 Introduzione A2.2 Installazione del programma A2.3 Descrizione del programma A2.3.1 Impostazione del monitor A2.3.2 Test per la visione a colori A2.3.3 Fenomeni dell apparenza A2.3.4 Atlanti dei colori A2.3.5 Tristimolo e attivazione dei coni A2.3.6 Colorimetria A2.3.7 Spettri degli illuminanti di riferimento A2.3.8 Sintesi dei colori A2.3.9 Strumenti Appendice 3 - Illuminanti A3.1 Specificazione colorimetrica degli illuminanti standard CIE e delle lampade tipiche A3.2 Metodo per calcolare le distribuzioni spettrali relative degli illuminanti D Appendice 4 - Glossario Indice analitico Tavole

9 Prefazione La colorimetria nasce dalla confluenza di più discipline: l ottica, la fisiologia, la psicologia e oggi anche l ingegneria, dato il ruolo applicativo che la colorimetria ha assunto. La colorimetria è anche disciplina antica: in passato, come tutte le discipline, da una parte sconfina nella filosofia e dall altra, nelle botteghe artigiane, si identifica in ricette che oggi ci affascinano. Il colore non è una grandezza fisica ma una qualità della sensazione visiva e come tale è un entità puramente soggettiva e incomunicabile. Ciò pare negare a priori ogni misura del colore, ma così non è se si considera che persone diverse possono in generale essere in accordo circa le eguaglianze di colore, cioè convenire che radiazioni fisicamente diverse appaiono cromaticamente uguali. La colorimetria si fonda su questa corrispondenza univoca (molti a uno) tra radiazioni visibili e sensazioni di colore. Tale corrispondenza è giustificata dalle proprietà dei meccanismi responsabili della visione a colori. È allora chiaro che la colorimetria non può essere disgiunta dallo studio del fenomeno della visione a colori, nel quale affonda le sue radici. La visione è un fenomeno che da sempre ha stimolato e attratto l uomo e si presenta come un complicato processo di trasduzione ed elaborazione che inizia con l assorbimento di quanti di luce di opportuna energia da parte dei fotorecettori della retina dell occhio e coinvolge l attività di larga parte del sistema nervoso. La percezione del colore è uno dei risultati del fenomeno della visione. Per giungere alla descrizione odierna del fenomeno il cammino è lungo e si deve superare l antica dicotomia tra lumen, agente esterno all osservatore, e lux, fenomeno psichico. L idea nuova è di Galileo Galilei che la discute nel Saggiatore, ma è con Isaac Newton, nella seconda metà del 600, che prende chiaramente corpo: i colori come caratteristica della lux non sono una modificazione del lumen, ma il risultato dell azione fisica, fisiologica e psicologica del lumen sul sistema visivo dell osservatore. Infatti la percezione del colore nasce solo dall interazione del lumen col sistema visivo e con la psiche dell osservatore. Newton, nel suo libro di Ottica, esprime questo concetto con una frase di grande effetto che induce alla meditazione: In realtà, i raggi, opportunamente espressi, non sono colorati {Indeed, rays, properly expressed, are not coloured}. La colorimetria ha così le sue prime basi scientifiche, ma le grandi intuizioni di Newton non possono essere compiutamente formalizzate perché alcuni strumenti matematici, principalmente il calcolo vettoriale, non sono ancora pronti. La fisiologia della visione entra in campo con forza solo più tardi, nell 800. In questo secolo, in un susseguirsi di intuizioni profonde sulla fisiologia della visione (Thomas Young, 1802) e sulla formalizzazione matematica (Herman Günther von Grassmann, 1853) si pongono le condizioni per cui James Clerk Maxwell (1860), definendo e attuando le combinazioni additive del colore, rende questa disciplina pienamente scientifica. Ma a quel tempo vi sono ancora ipotesi non provate che riguardano la fisiologia, mentre la fenomenologia della visione porta a problematiche di dimensione storica: la controversia Helmholtz-Hering rimane aperta per molti decenni e trova un epilogo solo in anni recenti. Nel 1920 anche Ervin Schrödinger si occupa di colorimetria e di visione; in particolare l introduzione dell alychne, contribuisce a porre le basi del riferimento usato nel 1931 per definire il primo standard colorimetrico. E, inoltre, ancor oggi la ricerca sulla metrica dello spazio del colore deve confrontarsi con le sue proposte. Le fasi della colorimetria e la scienza della visione a colori

10 La colorimetria non rimane ferma sulle basi di Maxwell, ma procede per fasi successive non ancora concluse. Probabilmente la loro chiusura sarà simultanea perché corrisponderà alla comprensione del fenomeno della visione nella sua completezza. Le varie fasi hanno nomi in lingua inglese, secondo la consuetudine scientifica odierna, che richiamano le operazioni o le grandezze che le caratterizzano: 1. la prima fase, detta del colour matching, ossia dell eguagliamento dei colori, ha valore oggettivo, cioè i colori sono numericamente specificati; essa è la fase posta operativamente da Maxwell (1860); 2. la seconda, della colour difference, letteralmente differenza tra colori, è la fase psicometrica, riguarda appunto le scale del colore, ha valore oggettivo ed è posta da Hermann von Helmholtz ( ); 3. l ultima fase, nota come colour appearance, riguarda la percezione e, nonostante il suo valore prevalentemente soggettivo, tende a dare una specificazione numerica dell apparenza del colore; infatti, in senso strettamente psicofisico, la colour appearance studia il colore percepito sotto l influenza di più fattori apparentemente contraddittori: da una parte, il fenomeno noto come costanza del colore, secondo cui il colore percepito degli oggetti illuminati sembra rimanere invariato al cambiare dell illuminazione; dall altra parte, la mutevolezza del colore percepito in relazione al contorno, allo sfondo e al livello di illuminamento. Attualmente esistono più modelli concepiti per rappresentare la colour appearance, i quali, nonostante le loro differenze di principio, portano a risultati molto simili. Per questa ragione sono considerati provvisori e non sono trattati in questo testo. Le grandezze definite nella fase del colour matching sono solitamente dette psicofisiche, mentre quelle della colour difference sono dette psicometriche e infine quelle della colour appearance percepite. Così, come si vedrà, ci sono il colore percepito, il colore psicofisico e il colore psicometrico. Tale terminologia, per essere meglio compresa, richiede che alcuni concetti siano opportunamente definiti e certe ambiguità risolte. Come si è detto, la colorimetria riguarda più discipline. Tutto ciò che avviene all esterno del sistema visivo è relativo alle radiazioni elettromagnetiche e alla loro interazione con la materia. Questi fenomeni sono compiutamente descritti dalla fisica e dalla fotochimica. La radiazione elettromagnetica, entrando nell occhio, subisce rifrazione, viene filtrata da pigmenti inerti e infine interagisce con i fotorecettori. Dalla fisica e dalla chimica si passa alla fisiologia della generazione dei segnali nervosi, della loro elaborazione, codifica e trasmissione dalla retina al cervello. Infine si giunge alla psicologia, la quale indaga l ultima fase della visione, la più profonda. La contiguità di queste discipline porta a definirne di nuove: la psicofisica, che studia le relazioni tra lo stimolo, rappresentato dalla radiazione elettromagnetica che entra nell occhio (comunemente detta luce ) e come tale è una grandezza fisica, e la risposta del sistema visivo, che è di natura psicologica; la psicofisiologia, che studia le relazioni tra i meccanismi sensori, propri della fisiologia, e ciò che è percepito, proprio della psicologia. Nello schema sopra proposto le tre fasi storiche della colorimetria possono essere considerate tutte come parte della psicofisica. Occorre anche fare la distinzione tra percezione di colore e sensazione di colore : la percezione del colore è un fenomeno complesso, definibile come una impressione di colore soggettiva, condizionata dalla situazione d osservazione e frutto di una interpretazione mentale;

11 la sensazione di colore è una esperienza soggettiva dovuta alla stimolazione dei fotorecettori dell occhio da parte di una radiazione elettromagnetica visibile ; essa prescinde da ogni condizionamento ed elaborazione mentale. In realtà la distinzione non si riferisce a entità psicologiche differenti. Essa riguarda piuttosto la complessità delle condizioni osservative. Quando il colore viene studiato in condizioni estremamente impoverite, prescindendo, per quanto possibile, dall oggetto a cui appartiene, si ottengono delle misure soggettive molto stabili, comunemente qualificate come caratteristiche delle capacità sensoriali. Quando il colore viene studiato nel contesto naturale, si parla di percezione. In colorimetria si considerano le sensazioni di colore, ma si parla comunemente di colore percepito in contrapposizione con il colore fisico. Questo testo Oggi, in Italia, non esiste una cultura del colore, nonostante la rilevantissima tradizione artistica. Solo in anni recentissimi il colore incomincia a divenire oggetto di insegnamento e di ricerca. La colorimetria è disciplina rimasta ignorata in tutte le scuole di ogni livello, dalle elementari all università (se ne considerano le applicazioni solo negli istituti tecnici per periti tessili). Al tempo stesso, molte sono le aziende che operano in settori nei quali la misura e la riproduzione del colore sono normale routine. Inoltre, il colore è alla portata di tutti, oggi gestibile anche con personal computer. Questo testo ha l ambizione di rispondere a molte delle esigenze di chi si trova a operare col colore e si rivolge a un lettore che abbia almeno la preparazione fornita dalla scuola media superiore con indirizzo scientifico. Esso è organizzato in quattro parti: 1. la prima parte, seguendo il percorso del processo visivo, contiene: gli elementi di fisica delle radiazioni elettromagnetiche necessari per presentare il monocromatore, lo strumento di laboratorio atto ad analizzare le radiazioni stesse, e per descrivere l interazione tra radiazione e corpi irradiati; la fisiologia della visione, che considera i meccanismi neurali nell occhio e nel cervello responsabili della sensazione visiva (assorbimento della radiazione; produzione, trasmissione ed elaborazione dei segnali nervosi nel sistema visivo); la psicologia della visione, che indaga con il metodo psicofisico i processi di formazione dell oggetto percepito (anche in assenza di un esplicito riferimento al substrato neurale); 2. la seconda parte è quella più strettamente colorimetrica e considera: la colorimetria classica, con lo scopo di porre il lettore in condizione di operare calcoli colorimetrici secondo le raccomandazioni CIE; le strumentazioni di laboratorio; le applicazioni della colorimetria più importanti, tra cui il colore nei sistemi video e l illuminotecnica; 3. la terza è d appendice e propone: gli strumenti matematici propri della colorimetria; le tabelle con la specificazione colorimetrica di tutti gli illuminanti standard e raccomandati, un glossario dei termini fondamentali. 4. un software, contenuto in un CD ROM, è abbinato al libro con due scopi: a) presentare visivamente i fenomeni della visione a colori, gli atlanti dei colori, con fine prevalentemente didattico; b) fornire uno strumento completo per il calcolo colorimetrico standard. Le tabelle numeriche utili per i calcoli colorimetrici sono su file ASCII ed estraibili dal database del software allegato al libro.

12 Infine, in questo testo si accenna anche alla storia della scienza del colore sotto forma di brevissime note, con lo scopo di evidenziare il travaglio e il fascino di questa disciplina ormai secolare. GLI AUTORI

13 Gli autori Sabina Battaglino, laureata in Fisica, è stata il responsabile delle ricerche in fotometria e colorimetria presso il Centro Ricerche FIAT - Sistemi e tecnologie optoelettroniche -.di Orbassano (TO). Alessandro Farini, laureato in Fisica, è responsabile del laboratorio di Psicofisica ed Ergonomia della Visione presso l'istituto Nazionale di Ottica Applicata del CNR di Firenze. Adriana Fiorentini, laureata in Fisica, si è dedicata a ricerche di ottica e di psicofisica della visione presso l'istituto Nazionale di Ottica di Firenze ed è stata Dirigente di ricerca e responsabile del reparto Visione dell'istituto di Neurofisiologia del CNR di Pisa. Walter Gerbino è professore ordinario di Psicologia della percezione presso la Facoltà di Psicologia dell'università di Trieste. Claudio Oleari, laureato in Fisica, è professore associato di Fisica generale presso il Dipartimento di Fisica dell'università di Parma e membro di alcuni comitati tecnici della Commission Internationale de l'éclairage (CIE). Pietro Polato ( ), laureato in Fisica, fu responsabile del Laboratorio prove ottiche della Stazione sperimentale del vetro di Murano, fu direttore della stessa Stazione sperimentale e fu presidente di due Comitati tecnici della CIE. Maria Luisa Rastello, laureata in Fisica, è responsable della Divisione di Ottica dell'istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRIM) di Torino; è rappresentante italiano nel Comitato Consultivo di Fotometria e Radiometria del Bureau International des Poids et Mesures (BIPM) e nella Divisione "Measurement of Light and Radiation" della CIE. Gabriele Simone, laureato in Scienze e Tecnologie dell'informazione, si occupa della scrittura di applicazioni colorimetriche. Giuseppe Varalda, laureato in Fisica, è Project Manager in area Human Machine Interface presso il Centro Ricerche Fiat - business line Architetture Veicolo - di Orbassano (TO); è docente a contratto nel Corso di Laurea in Disegno Industriale della 1 a Facoltà di Architettura del Politecnico di Torino.