Il colore e la sua misura

Per gentile concessione della Società ceramica Italiana nella persona del Presidente P. Zannini

Ogni corpo che sia colpito da una sorgente di luce, ha la proprietà di assorbire le componenti di determinate lunghezze d’onda e di riflettere e diffondere le altre. Queste ultime sono captate da un organo sensoriale, come l’occhio umano, dando origine ad una percezione cromatica.
L’uomo è sensibile solo a lunghezze d’onda comprese tra 380 e 780nm e se un oggetto riflette tutta la luce incidente appare bianco all’osservatore, mentre, se la assorbe completamente, appare nero.
Un corpo, al contrario, che ha la caratteristica di assorbire in modo differenziato alcune lunghezze d’onda e di rifletterne altre causa una ben precisa sensazione cromatica. L'assorbimento delle radiazioni elettromagnetiche, e quindi il colore di un corpo, è strettamente legato alla struttura atomica o molecolare.
Nella regione del visibile e nell’ultravioletto questo fenomeno è causato da interazioni fra la radiazione incidente e gli strati elettronici esterni degli elementi in esame. Nel campo dei coloranti inorganici, spesso associato ai materiali ceramici ( seppur con le debite distinzioni ), rivestono un ruolo di notevole importanza i composti contenenti metalli di transizione.
Questi elementi sono caratterizzati da orbitali di tipo d parzialmente occupati e subiscono facilmente transizioni elettroniche quando sono eccitati da sorgenti di energia come la luce. Infatti il colore e l’intensità dipendono dallo stato di ossidazione dello ione, dall’intorno e dalla geometria di coordinazione.

L’occhio umano è in grado di cogliere piccole differenze cromatiche grazie alla sensibilità della retina. In condizioni standardizzate di illuminazione, l’occhio presenta ottima capacità di osservare un oggetto particolare e di confrontarne la tonalità e l’intensità con una serie di standard. Dal punto di vista applicativo l’esame visivo per la misura del colore, che resta qualitativamente il sistema più sensibile, presenta diversi svantaggi:

La stima visiva è difficile da esprimere verbalmente e a maggior ragione non può dare quelle indicazioni numeriche da cui non si può prescindere nella pratica industriale e commerciale: si deve, quindi, ricorrere ad un sistema strumentale di misura, opportunamente standardizzato, per poter disporre di misure di colore accurate, ripetibili ed esprimibili il maniera numerica.

Oltre che dipendere dalla sensibilità dell’occhio umano, come si è detto, il colore, dipende anche dalla sorgente luminosa e dalla natura cromatica della superficie da investigare. Di queste tre variabili quella che interessa ai fini di un’analisi comparativa sarà ovviamente l’ultima. Per cui, per conoscere questo, dato occorrerà fissare le altre due variabili. Si effettua cioè una standardizzazione sia della distribuzione energetica dell’illuminante che della risposta dell’occhio dell’osservatore medio alle varie lunghezze d’onda. In questo modo il colore del campione in esame ( o più correttamente la sensazione cromatica ) viene a dipendere esclusivamente dalla natura del campione.
E’ possibile, allora,  oggettivare la visione stessa del colore tramite tre attributi: tono, saturazione e luminanza.
Il tono dipende dalla lunghezza d’onda della luce diffusa e fa apparire gli oggetti variamente colorati.
La saturazione definisce l’intensità di un colore poiché indica in quale misura esso è stato diluito con luce bianca.
La luminanza, infine, rappresenta la quantità totale di luce che arriva all’occhio dall’oggetto senza essere assorbita.
Queste tre variabili possono essere usate in modi diversi per misurare e definire il colore, una volta fissate anche le condizioni di illuminazione.
E’ stato osservato che nella retina, per la percezione del colore, esistono tre diversi centri di stimolo il cui massimo di sensibilità spettrale è situato nel rosso, nel verde e nel blu.
Grazie a queste osservazioni sono stati definiti i valori cromatici di base X (rosso), Y (verde), Z (blu), che indicano quanto fortemente i tre centri di stimolo sono sollecitati dall’impulso cromatico che giunge all’occhio.
Il sistema di misura più semplice si basa proprio sul funzionamento dell’occhio umano ed è costituito da uno strumento con tre filtri (tristimolo) attraverso i quali passa la luce riflessa dal campione per essere misurata; la trasmissione spettrale dei tre filtri corrisponde ai valori spettrali standard (valori tristimolo) illustrati in fig.1.

Fig.1: valori tristimolo

Un metodo di misura largamente conosciuto è stato ideato dalla CIE (Commission Internationale d’Eclarage)e rappresenta con i simboli X,Y,Z le frazioni di rosso, verde e blu rispettivamente.
Poiché un colore non è facilmente intuibile attraverso i valori tristimolo, è nato un nuovo sistema di descrizione che fa uso dei numeri x, y e z, che sono legati a X,Y e Z secondo le seguenti relazioni:

                   X                                                  Y                
 x  =                                               y  =                                          z  =  1-x-y 
               X+Y+Z                                       X+Y+Z 

I valori x, y e z sono le coordinate cromatiche nel diagramma CIE fig.2

  

Fig.2 : diagramma di cromaticità CIE

Tale diagramma è costituito da una curva spettrale a forma di campana e tutti i colori si trovano all’interno di tale linea.
Al centro della campana, vi è un punto C che rappresenta la tonalità cromatica del bianco; tutti i segmenti che congiungono questo punto con la curva indicano i luoghi del colore di uguale lunghezza d’onda dominante.
Il diagramma CIE può essere usato nella pratica, ma in esso alcuni colori sono molto più vicini tra loro (viola, blu) di altri (verde) e questa non uniforme spaziatura rappresenta un inconveniente.
Per avere uguali distanze tra i colori, sono stati adottati altri metodi per trasformare i valori tristimolo : fra quelli più diffusi sono HUNTERLAB e CIELAB.

Il sistema HUNTERLAB.
La strumentazione sviluppata da Hunter, molto diffusa in USA e Europa, adotta un sistema basato sulle coordinate L, a, e b così derivate:

                                 Fig. 3 : Il sistema L, a e b.

Nello spazio tridimensionale:

Con questo metodo, secondo la normativa è possibile indicare la quantità , definita come media quadratica delle deviazioni   e  tra campione e riferimento:
 

Il sistema CIELAB.
Dal 1976 il CIELAB ha sviluppato un nuovo sistema di colore che ridefinisce L, a e b e introduce altre due coordinate polari H (hue) e C (chroma), che rappresentano rispettivamente la tinta e la saturazione del colore.

con  e relativi al bianco assoluto.
In questo sistema è poi possibile definire le grandezze comparative:

dove P sta per prova e R riferimento.

   Fig. 4: Il sistema L, a, b, H e C.

Dalle equazioni precedentemente riportate risulta evidente come i sistemi CIELAB e HUNTERLAB usino gli stessi simboli L, a e b, riferendosi a grandezze calcolate in modo diverso dai valori tristimolo.
Per di più, il tipo di visualizzazione è estesa dalle coordinate rettangolari a e b a quelle polari H e C. Come mostrato in figura ciò consente una migliore localizzazione del colore sul piano, mentre l’asse L continua a definire la luminosità.

La caratterizzazione di un colore sarà, allora definita da una STRUMENTAZIONE COLORIMETRICA in grado di attribuire dei parametri numerici a
:
L  che misura la luminosità e che varia da 0 (nero) a 100 (bianco)
a  componente cromatica che varia dal rosso (+) al verde (-)
b  componente cromatica che varia dal giallo (+) al blu (-)
H  rappresenta la tinta
C  la saturazione