Pomiar barwy

 

Informacje wstępne

 

Mówiąc o barwie, posługujemy się intuicją, zapominając, że wrażenie barwy zależy nie tylko od obserwowanego obiektu, ale także od źródła światła oraz od nas – obserwatorów. Dlaczego pomidor jest czerwony? Barwa jest wrażeniem, generowaną w mózgu odpowiedzią na bodziec, jakim jest fala o określonej długości. Wiązka światła białego oświetlająca pomidor jest w części pochłaniana, a częściowo odbijana. Odbiciu, czyli refrakcji ulega fala elektromagnetyczna o długości ok 700nm, jedna ze składowych światła białego wywołująca wrażenie czerwieni. Widzimy barwę, za którą odpowiada odbita fala. Daltonista nie rozróżni jednak czerwonego. Każdy człowiek w inny sposób określa barwę. Wynikać to może, jak w przypadku daltonizmu, z ułomności fizycznych, jednak istnieją także inne przyczyny. Jasne przedmioty na ciemnym tle w jednakowych warunkach oświetlenia zawsze będą wydawały się jaśniejsze niż w rzeczywistości. Kontrastowe kolory obok siebie dadzą inne wrażenie, niż osobno. Jest to tzw. kontrast symultaniczny. W przypadku kontrastu następczego zachodzi zjawisko powidoku, ludzkie oko ma możliwość zapamiętania koloru i przeniesienia go na inny przedmiot. Budowa oka ogranicza naszą umiejętność do rozpoznawania różnic w żółciach, z wiekiem także coraz gorzej widzimy niewielkie zmiany w odcieniach zieleni i niebieskiego. Ten sam przedmiot w jednakowych warunkach oświetlenia może mieć inną barwę według różnych obserwatorów. Różnice osobnicze wpływają na subiektywne definiowanie koloru. Siatkówka ludzkiego oka zawiera fotoreceptory. Receptory te dzielą się na pręciki, które reagują na natężenie fali świetlnej, rozróżniając jasność i ciemność oraz na czopki czułe na konkretne długość fal. Istnieją 3 rodzaje czopków, które przesyłają do mózgu impulsy generowane pod wpływem fal o długościach określających barwę czerwoną, niebieską oraz zieloną. Mózg przeciętnego człowieka jest w stanie rozpoznać ok. 300-400 kolorów. Warto w tym momencie zaznaczyć, że światło widzialne stanowi jedynie niewielką część spektrum, czyli całego zakresu długości fal elektromagnetycznych.

Zakres widzialny fal elektromagnetycznych mieści się w przedziale 380 nm – 780 nm. Systemy wizyjne obecnie dokonują pomiaru barwy nie tylko w zakresie widzialnym, ale także w zakresie nadfioletu oraz podczerwieni. Promieniowanie UV czyli nadfioletowe to promieniowanie o długości fal mniejszych niż dla promieniowania widzialnego, a dłuższych od fal promieniowania rentgenowskiego, a więc można przyjąć, że mieści się w granicach 10 nm – 400 nm. Natomiast podczerwień przyjmuje zakres długości fal 780 nm – 1 mm. Prowadząc rozważania na temat barwy, należy pamiętać, że składają się na nią jasność, odcień oraz nasycenie. Innymi słowy można powiedzieć, że barwa ma określenia zarówno ilościowe, jak i jakościowe. Ilość światła (intensywność z jaką postrzegamy barwę) związana bezpośrednio z ilością fotonów docierających do oka, opisywana jest przez jasność. Odbieranie różnic w odcieniu i nasyceniu jest ujęciem jakościowym barwy, funkcją „dodatkową” ludzkiego narządu wzroku. Jasność jest możliwa do określenia niezależnie od elementów jakościowych barwy, przyjęto więc, że jest ona achromatycznym atrybutem barwy. Barwy achromatyczne to czerń, biel oraz zakres szarości pomiędzy nimi. Barwy chromatyczne to takie, które niezależną od jasności – w skrócie są to wszystkie barwy za wyjątkiem achromatycznych. Istnieją barwy podstawowe, których zmieszanie da wynikowe barwy pośrednie. Barwy podstawowe to czerwony, zielony i niebieski, a wynikiem zmieszania ich w równym stopniu będzie uzyskanie bieli. Taką metodę mieszania barw określa się mianem addytywnej. Ma ona odzwierciedlenie w modelu RGB. Metoda substraktywna natomiast wychodzi od barw nazwanych dopełniającymi: cyjan, magenta i żółta. Opiera się na odejmowaniu odpowiednich długości fal od światła białego, co w efekcie daje konkretne barwy. Na metodzie substraktywnej oparty jest model CMYK, gdzie poszczególne litery: C, M, Y oznaczają kolejno barwy: Cyjan, Magenta, Yellow (żółta), K (blacK lub Key colour). Teoretycznie nałożenie na siebie barw: C, M i Y spowodowałoby powstanie idealnej czerni. Praktyka jednak udowadnia, że jest to niemożliwe, stąd wziął się „dodatkowy” składnik K, mający na celu nadanie czerni odwzorowywanemu obiektowi.


Barwa żywności stanowi wyróżnik jakości. Jest pierwszą cechą, na podstawie której konsument za pomocą zmysłu wzroku dokonuje oceny i wyboru produktu. Bardzo rzadko klient ma możliwość spróbowania produktu, zapoznania się z nim szerzej niż za pomocą oceny wizualnej. Dlatego w pomiarze barwy tkwi ogromny potencjał. Barwa może nieść informacje na temat przydatności do spożycia, przechowywania, transportu, przetwórstwa, a także sugerować skład chemiczny artykułu żywnościowego. Często barwa wiąże się ze smakiem artykułu żywnościowego. Przemysł spożywczy zaczął wykorzystywać metody pomiaru barwy w celu oceny efektywności procesów technologicznych. Systemy wizyjne znajdują obecnie zastosowanie na każdym etapie produkcji, a nawet w trakcie kontroli jakości surowców. Analiza barwy umożliwia porównanie stanu surowców i produktów przetworzonych, co jest wykorzystywane w kontroli jakości, ale także niesie wiedzę na temat procesów obróbki żywności. Pozwala poznać zmiany jakie zachodzą podczas przetwórstwa czy przechowywania. Ważnym aspektem zastosowania pomiarów barwy są także korzyści wynikające z możliwości ustalenia zgodności jakości i zaoferowanie wymagającemu konsumentowi jednolitej jakości produktów. Systemy wizyjne są wykorzystywane w obrębie szerokiego asortymentu surowców i produktów spożywczych. Można tu wyróżnić owoce i warzywa, żywność o wysokim stopniu przetworzenia, wyroby mleczne, wędliny, mięso, w tym drób i ryby, przyprawy oraz aromaty, ziarno zbóż i przetwory zbożowe, oleje, syropy, cukier, napoje. Analiza obrazu sprawdza się w przypadku materiałów o stałej, płynnej, sproszkowanej, granulowanej i każdej możliwej postaci. Niezaprzeczalną korzyścią wynikają z informacji jakie niesie pomiar barwy żywności jest wysoka satysfakcja konsumenta wynikająca z zapewnienia wysokiej jakości przyszłym produktom poprzez możliwość szybkiej i precyzyjnej oceny partii przyjmowanego do zakładu surowca, eliminację surowców niespełniających norm na etapie obróbki wstępnej, odrzucenie półproduktów pozaklasowych, a wreszcie dokładny i prawie natychmiastowy pomiar wyróżników jakościowych podczas kontroli jakości gotowego wyrobu.

Metody pomiaru barwy żywności

Można wyróżnić dwie metody pomiaru barwy: analizę sensoryczną oraz analizę instrumentalną.


Analiza sensoryczna

Analiza sensoryczna jest metodą, w której głównym narzędziem pomiarowym są zmysły człowieka. Pomimo tego, że przeprowadzający analizy to wysoce wykwalifikowani specjaliści, a sposoby przeprowadzania pomiarów regulowane są normami, to analiza sensoryczna jest metodą subiektywną i z góry narażoną na błędy. Zaletą tego typu analiz jest możliwość oceny całej powierzchni badanego produktu.
Poddając produkt analizie sensorycznej często wykorzystuje się skalę punktowaną. W zależności od zidentyfikowanej barwy konkretnego artykułu przydziela się punkty, które potem służą ogólnej ocenie jakości.
W praktyce często wykorzystuje się tablice, czy też palety kolorów wzorcowych. Każdy kolor ma przypisany numer, stąd też metoda taka charakteryzuje się powtarzalnością. Ponadto wzorniki drukowane są tymi samymi farbami w konkretnych laboratoriach. Określenie barwy polega na porównaniu jej ze wzorem. Znane są wzorce między innymi RAL oraz Pantone.

Analiza instrumentalna
Analiza instrumentalna wykorzystuje urządzenia wykonujące pomiary w świetle odbitym bądź przechodzącym. Do zalet tej metody można zaliczyć powtarzalność, obiektywizm oraz wysoką precyzję. Wadą jest natomiast możliwość zanalizowania jedynie niewielkiej powierzchni artykułu, co jest szczególnie uciążliwe w przypadku, gdy materiał badawczy cechuje się niejednolitym wybarwieniem, czy zróżnicowaną budową anatomiczną. Inaczej jest w przypadku komputerowej analizy obrazu, która może bazować na informacjach odzwierciedlających całą powierzchnię, w odniesieniu do żywności, badanego surowca lub produktu. Za minus metody należy przyjąć brak określonych jednoznacznie standardów i norm. W przemyśle spożywczym dąży się do automatyzacji i jak najwyższej precyzji pomiarów, zapewniającej jednolitą klasę jakościową artykułów spożywczych. Poszukuje się metod szybkich, niewymagających stosowania odczynników ani niszczenia próbek materiału. Narzędziem o wysokim potencjale z pewnością jest komputerowa analiza obrazu, czemu dowodzą liczne prace badawcze z jej zastosowaniem, przynoszące już efekty w postaci urządzeń stosowanych na etapie przetwórstwa i produkcji żywności.

Połyskomierze
Połyskomierze służą do pomiaru barwy, a dokładnie różnicy natężenia pomiędzy światłem odbitym a emitowanym z danej powierzchni. Te niewielkie urządzenia zapewniają kontrolę jakości próbek, również z zakresu artykułów żywnościowych.

Spektrofotometria UV-VIS
Spektrofotometr służy do pomiaru właściwości spektralnych materiału w obrębie widma światła widzialnego i bliskiego nadfioletu. Spektrofotometry są wyposażone w układy o zdolności pomiaru fali odbitej bądź zaabsorbowanej. Pomiary spektrofotometryczne zazwyczaj wymagają rozdrobnienia próby (w przypadku ciał stałych) i sporządzenia rozcieńczonego roztworu (dla ciał stałych i artykułów płynnych). Preparaty w proszku, jak również granulowane mogą być poddawane pomiarom bez uprzedniego przygotowania. Próbkę gotową do badań umieszcza się w specjalnej kuwecie i odczytuje wartość absorbancji (wielkość określająca stopień absorpcji promieniowania) dla określonej, interesującej nas długości fali. Bazując na uzyskanym rozkładzie widma promieniowania (graficznie przedstawiona zależność absorbancji od długości fali), program kompatybilny z urządzeniem wylicza współrzędne barwy w przestrzeni CIE XYZ przy ustalonym obserwatorze i iluminacie. Uzyskane składowe mogą być następnie przeliczane na inne modele barw. W przypadku pomiarów barwy w żywności najczęściej wykorzystuje się model CIE L*a*b*.

Kolorymetria
Kolorymetr służy do pomiarów ilości promieniowania o określonej długości fali przechodzącego przez próbkę roztworu umieszczoną w kuwecie aparatu pomiarowego. Istnieje wiele praktycznych zastosowań kolorymetrów w pomiarach barwy żywności - firmy oferują przenośne, podręczne urządzenia mające zastosowanie na halach produkcyjnych czy w laboratoriach kontroli jakości.

Komputerowa analiza obrazu
Analiza obrazu to proces polegający na utworzeniu obrazu obiektu za pomocą urządzenia wejściowego (np. aparatu cyfrowego, skanera, kamery) i przetworzeniu go do postaci danych liczbowych. Technika ta służy wyselekcjonowaniu informacji z obrazu. Wiarygodność uzyskanej informacji wyjściowej zależy w głównej mierze od jakości uzyskanego obrazu. Im lepsza jakość, tym więcej pewnych informacji. Czynnikami wpływającymi na jakość obrazu są parametry techniczne stosowanego sprzętu oraz możliwości programu do analizy, ale niewątpliwie do najważniejszych należy zaliczyć prawidłowy dobór źródła światła oraz równomierne oświetlenie obiektu. Dokładność pomiarów jest także uzależniona w dużym stopniu od natężenia światła oświetlającego obiekt. Najjaśniejsze punkty na obrazie nie mogą przekraczać czułości urządzenia rejestrującego. W innym wypadku powstaną pozbawione danych „dziury” w obrazie. Niezbędnym warunkiem w analizie obrazu jest obraz ostry o wyraźnie zarysowanym konturze. W aparatach cyfrowych odpowiada za to automatyczny mechanizm – autofocus. W momencie, gdy obraz zostanie zarejestrowany w postaci cyfrowej (forma macierzy, na którą składają się piksele) w pamięci analizatora (komputera), dostępne programy do jego analizy umożliwią cały szereg przekształceń mających na celu identyfikację poszukiwanych informacji. Jednym z dostępnych przekształceń jest poprawa kontrastu, dzięki której uwidaczniają się niewidoczne elementy. Aby osiągnąć taki efekt konieczna jest ingerencja w histogram (graficzny rozkład jasności pikseli w obrazie, czyli informację na temat liczebności pikseli o konkretnym poziomie jasności na danym obrazie), a dokładnie rozciągnięcie go. Innym przykładem stosowanych w analizie obrazu przekształceń jest filtrowanie. Filtrowanie można określić jako nakładanie na obraz funkcji, powodujących zmianę tego obrazu. Przykładem zastosowania filtru jest wyostrzenie krawędzi obiektu. Kolejnym etapem jest segmentacja, która polega na wydzieleniu konkretnych, mających służyć dalszej analizie, obiektów. Jedną z metod segmentacji jest progowanie, czyli ustalenie progu jasności, prowadzące do wyraźnego odróżnienia obiektu od tła. Progowanie przeprowadzane jest często w celu policzenia obiektów. Konsekwencją segmentacji jest obraz binarny taki, który przyjmuje tylko dwie wartości, jest to np. obraz czarno-biały. Jedną z metod należących do przetwarzania obrazu binarnego jest „czyszczenie” tła z pikseli o jasności odbiegającej od interesującego nas obiektu. Następny etap analizy obrazu to identyfikacja obiektów podlegających pomiarowi, podczas której odrzuca się obiekty niespełniające określonych wymogów. Po przeprowadzeniu niezbędnych operacji, których wybór zależy m.in. od analizowanego obiektu i zakładanego celu badań, przystępuje się do określania konkretnych parametrów. W przypadku pomiaru barwy ziarna można wydobyć z obrazu ponad 30 różnych cech. Analiza i interpretacja otrzymanych wyników pozwala wyciągnąć cenne informacje na temat badanego obiektu.

Fotografia hiperspektralna
Fotografia hiperspektralna jest nową techniką obrazowania, mającą możliwość badania za pomocą zdjęć nie tylko cech powierzchniowych obiektu, ale także wewnętrznych, czy przestrzennych. Umożliwia rejestrowanie fal elektromagnetycznych w zakresie długości od ultrafioletu do podczerwieni. Zakres fal widzialnych oraz bliskiej podczerwieni w granicach 380-800 nm lub 400-1000 nm jest najczęściej wykorzystywany w systemach analizy żywności. Jednak dostępne są urządzenia rejestrujące obraz nawet dla fal o długości 900-1700 nm, czy 900-2500 nm, pozwalające zobaczyć to, co „niewidzialne”. Liczba kanałów dla obrazowania wielospektralnego jest różna: fotografia multispektralna może dysponować maksymalnie 10-cioma kanałami, superspektralna zawiera ich mniej niż 100, a hiperspektralna od 100 do 250. Na fotografię hiperspektralną składa się wiele obrazów tego samego obiektu reprezentujących różne zakresy długości fal. Odpowiednikiem piksela obrazu jest woksel. Każdy woksel opisuje trójwymiarową przestrzeń ograniczoną trzema osiami: dwie spośród nich niosą informacje przestrzenne, a jedna określa długość fal. Dane w takiej formie tworzą hipersześcian (hipercube). Fotografia hiperspektralna może być źródłem informacji na temat właściwości fizycznych, geometrycznych, cech tekstury, barwy, a także składników chemicznych, jak np. woda, lipidy i białka. W skrócie niesie o nieporównywalnie więcej informacji, niż tradycyjne, "płaskie" zdjęcie i przedstawia to, co niedostrzegalne gołym okiem.

Modele barw
Jak już zostało wyjaśnione, ludzkie oko nie jest idealnym narzędziem do oceny barwy, dlatego też stworzono modele barw oparte na modelach matematycznych. Najważniejszą organizacją zajmującą się standardami i pomiarem barwy jest Commission Internationale de l’Eclairage, co można tłumaczyć jako Międzynarodową Komisję do spraw Oświetlenia. Modele barwy budowane są z uwzględnieniem sposobu postrzegania barwy przez człowieka. Podstawowym modelem jest CIE XYZ, w którym X, Y i Z reprezentują składowe trójchromatyczne (składowe określające trzy barwy podstawowe, oparte na zasadzie odbierania fal przez trzy rodzaje czopków w siatkówce oka człowieka wywołujących odpowiednio wrażenie: czerwieni, zieleni, niebieskiego) obserwatora standardowego. Obserwator standardowy inaczej obserwator kolorymetryczny normalny reprezentuje pełny zestaw składowych trójchromatycznych człowieka o prawidłowym widzeniu. Pole widzenia obserwatora standardowego wynosi 10o, rzadziej 2o. Znając współrzędne barwy X, Y, Z można wyliczyć współrzędne innych modeli CIE np.: CIE LCh, CIE LAB, CIE LUV, CIE xyY. Dodatkowym parametrem przy pomiarze barwy jest oświetlenie. Pomiar barwy i jej postrzeganie są zależne od źródła światła, uważa się, że barwy nie istnieją bez światła, stąd możliwość odnoszenia się do znormalizowanych źródeł światła, jest bardzo ważne. Najbardziej popularne iluminanty to D50 i D65 odpowiadające światłu dziennemu o temperaturze barwowej odpowiednio wynoszącej 5 000 K i 6 500 K.
    

Model RGB
Można przypuszczać, że przestrzeń RGB w sposób najwierniejszy odzwierciedla percepcję ludzkiego narządu wzroku, przewyższając jednak czułość oka. Model RGB opiera się na zasadzie mieszania addytywnego trzech podstawowych barw, tak jak ma to miejsce w czopkach siatkówki: R – red (czerwonego), G – green (zielonego) oraz B – blue (niebieskiego). Nazwa wywodzi się od pierwszych liter angielskich słów określających barwy. Składowe R, G, B tworzą układ kartezjański, w którym to dowolna barwa jest opisana trzema odpowiadającymi im wartościami. W trójwymiarze wyobraża on przestrzenną bryłę – sześcian ograniczony osiami. Na każdej osi znajduje się 256 poziomów jasności, od 0 do 255. Biel odpowiada współrzędnym (255, 255, 255), natomiast czerń: (0, 0, 0). Obraz cyfrowy monochromatycznej barwy o 256 poziomach wymaga 8 bitów pamięci. Pojedynczy bit zapisuje informację w postaci zero – jedynkowej, mówi się o ośmiobitowych liczbach dwójkowych, tak więc osiem bitów zapamięta 28=256 poziomów jasności jednego kanału barwnego R, G lub B. Wykonując proste mnożenie można obliczyć ilość pamięci potrzebnej do zapisu barwy  jednego piksela, a więc barwy najmniejszej jednostki składającej się na obraz cyfrowy: 8 bitów × 3 barwy podstawowe = 24 bity. Ilość barw i odcieni możliwych do wygenerowania za pomocą RGB wynosi 16 777 216 (2563). Przestrzeń RGB jest popularna w dzisiejszym świecie cyfrowych urządzeń analizujących obraz, choć pierwotnie miała zastosowanie w technikach analogowych. Obraz wygenerowany przez aparat cyfrowy, skaner, kamerę, telewizor, monitor zazwyczaj opiera się na systemie RGB.

Model CIE LAB
CIE LAB jest uniwersalnym językiem, dzięki któremu możliwe jest dokonanie konwersji informacji z modeli zależnych od urządzeń: RGB i CMYK, którymi charakteryzuje się większość urządzeń wejścia stosowanych w komputerowej analizie obrazu. CIE LAB opisuje barwę za pomocą trzech składowych w trójwymiarowej przestrzeni: L*, a* oraz b*. Każdy z elementów ma inną funkcję, a w przypadku a* i b* może przyjmować wartości ujemne. Składowa L* określa poziom luminancji czyli jasności, a + czerwieni i a- zieleni, b+ żółci i b-  niebieskiego.
Istnieje związek między przestrzeniami CIE XYZ oraz CIE LAB:
Jeśli wszystkie wartości X/Xn, Y/Yn i Z/Zn > 0,008856, to:
L*=116∛(Y/Yn)- 16

a*=500(∛(X/Xn)- ∛(Y/Yn) 
b*=200(∛(Y/Yn)- ∛(Z/Zn) 
Jeśli jakakolwiek wartość X/Xn, Y/Yn lub Z/Zn ≤ 0,008856, to:
L*=903,3 Y/Yn
a*=500[f(X/Xn)- f(Y/Yn)]
b*=200[f(Y/Yn)- f(Z/Zn)]
gdzie:
f(X/Xn)=∛(X/Xn)                        X/Xn>0,008856
f(X/Xn)=7,87(X/Xn)+16/116        X/Xn>0,008856
f(Y/Yn)=∛(Y/Yn)                        Y/Yn>0,008856
f(Y/Yn)=7,87(Y/Yn)+16/116         Y/Yn>0,008856
f(Z/Zn)=∛(Z/Zn)                        Z/Zn>0,008856
f(Z/Zn)=7,87(Z/Zn)+16/116         Z/Zn>0,008856
Xn, Yn i Zn to wartości trójchromatyczne dla każdego ilumiantu.

Bezwzględna różnica barw ∆E* jest wielkością określającą różnicę barw pomiędzy próbkami:
∆*=√(∆L^(2)+ ∆a^(2)+∆b^(2)
Bezwzględna różnica barw ∆E* jest wielkością, która określa odległość między dwoma punktami w przestrzeni barw, czyli jak mówi nazwa – przedstawia w sposób liczbowy różnicę pomiędzy barwami. CIE stworzyła zakresy wartości, w których uwzględniono postrzeganie bezwzględnej różnicy barw ∆E* przez człowieka. W przypadku, gdy wielkość przyjmuje wartości z przedziału 0-2 różnica nie jest rozpoznawalna dla człowieka, 2-3,5 może być rozpoznana, a powyżej 3,5 widoczne są wyraźne różnice.

Różnica w nasyceniu ∆C*:
∆C*=Csmp*-Csd*     

gdzie:     C*=√(a^(2)+b^(2))

Różnica odcienia ∆H*:
∆H*=√(∆E^(2)-∆L^(2)-∆C^(2))
gdzie:
L*= Lsmp*-Lstd*
∆a*= asmp*-astd*
∆b*= bsmp*-bstd*
Oznaczenia smp (skrót od sample) oznaczają wartości zmierzone, a std (standard) standardowe. Delta ∆ jest różnicą pomiędzy wartościami zmierzonymi i standardowymi.

Indeks żółtości YI E313 w metodzie ASTM E313-96 jest obliczany następująco:
YI E313-96=((CxX-CzZ)/Y)
gdzie: X, Y, Z to wartości trójchromatyczne

Indeks żółtości może być obliczany dla takich kombinacji iluminat/obserwator: D65/2o oraz C/2o

Indeks bieli WI E313-96 wg metody ASTM E313 z 1996r.:
WI CIE=Y+800(xn-x)+1700(yn-y)=WI-E313-96
gdzie:
Y - współczynnik luminancji,
x, y - współrzędne chromatyczności próbki,
xn, yn - współrzędne chromatyczności odpowiadające obserwatorowi standardowemu i iluminatowi.

Wartości te są podane w tabeli dla metody ASTM E313. Indeks bieli WI E313-96 może być obliczany dla iluminantu/obserwatora: C/2o oraz D65/10o.