دوشنبه 25 تیر 1397
تاریخ بروز رسانی: 11:13:14 1394/06/28 مقدمه ای بر رنگ
مقدمه ای بر رنگ:
رنگ و جلوه ظاهری مواد غذایی از مهمترین پارامترهایی مد نظر مشتریان به منظور برآورد کیفیت ماده غذایی حتی قبل از قرار دادن آن ماده در دهان می باشند و لذا به عنوان فاکتورهای حساس در خصوص رد یا قبول آن شناخته می شوند. اگرچه که سیستم های مختلفی مبتنی بر فضاهای رنگی برای برآورد رنگ وجود دارد اما یکی از متداولترین این سیستم ها برای برآورد رنگ مواد غذایی استفاده از فضای سه بعدی رنگ در قالب پارامترهایی L* a* b* می باشد که دلیل این امر توصیف یکنواخت رنگ و همخوانی بسیار بالای این سیستم با سیستم درک رنگ توسط انسان می باشد. به منظور آنالیز دیجیتالی تصویر یک ماده غذایی، لازم است که از سیستم اندازه گیری رنگ هر پیکسل در سطح یک ماده آگاهی داشته باشیم. با این وجود در حال حاضر سیستم های معدود تجاری اندازه گیری رنگ پارامترهای L* a* b* در قالب پیکسل وجود دارد زیرا دستگاههای تجاری اندازه گیری رنگ موجود عموما یک سطح کوچک چند سانتیمتر مربعی را پوشش می دهند که  غیر قابل تعمیم به کل سطح نمونه می باشد.
 
رنگ و ویژگی ظاهری سطح یک ماده غذایی به عنوان اولین پارامترهایی هستند که توسط مصرف کننده مورد قضاوت قرار گرفته و مبنای رد یا قبول آن ماده می باشد. به عبارتی رنگ یک ماده می تواند عامل تعیین کننده در برآورد نقصی ها و کاستی های یک ماده غذایی باشد. برآورد رنگ می تواند از طریق بازرسی بصری (توسط انسان) یا با استفاده از دستگاههای رنگ سنجی صورت گیرد. حال اگرچه که بررسی رنگ توسط انسان یک روش کاملا مطمئن حتی در مقادیر متفاوت روشنایی می باشد، با این وجود این برآورد به صورت ذهنی بوده و مقادیر آن می تواند از یک مشاهده کننده تا مشاهده کننده ی دیگر به طور گسترده ای متغیر باشد. برای تبدیل مقادیر رنگ از حالت ذهنی به عینی از استاندارهای رنگی به عنوان رفرنس استفاده می گردد. متاسفانه در این روشها پروسه برآورد رنگ نیاز به بررسی و زمان بیشتری داشته و مهمتر اینکه فرد مشاهده کننده نیز می بایست از مهارت و ویژگی های لازم برخورد دار باشد. بدین سبب توصیه می شود برای برآورد رنگ مواد از ابزار و اداوت اندازه گیری رنگ استفاده گردد.
 
درك رنگ واندازه گيري آن
توسعه زبان رنگ
کمی نمودن رنگ اندازه گیری شده یک ماده غذایی می بایست در یک دامنه بردباری بر مبنای سطوح بصری قابل قبول صورت گیرد . اندازه گيري رنگ، که مفهومي نسبتا تازه در قلمرو علم می باشد، توصیف و اندازه گیری آن همواره مشکل بوده است. در خصوص برقراری یک همبستگی بین درک رنگ توسط انسان و رنگ اندازه گیری شده توسط دستگاه، همواره بین دانشمندان و کارشناسان صنعتی محل اختلاف بوده است، زیرا رنگ مشاهده شده تابعی از زاویه دید، شدت روشنایی و فیزیولوژی انسان بوده، لذا با تغییر هر یک از این متغیرها، رنگ قابل درک توسط یک فرد با فرد دیگر متفاوت خواهد بود. بزرگترین مانع در این خصوص مربوط به دامنه محدود لغت است که قادر به تفکیک صحیح دامنه و عمق رنگ ها حتی در داخل یک خانواده رنگ مشابه نمی باشد. با این وجود، علم اندازه گيري رنگ درطي قرن گذشته به سرعت گسترش یافته و منجر به اختراع دستگاههایی برای اندازه گیری سریع و آسان رنگ اشیاء گردید.

اندازه گيري رنگ بر پايه ي نور قابل مشاهده است كه شكلي از انرژي الكترومغناطيسي است. طيف مرئي الكترومغناطيسي ازطول موجهاي پيوسته تشكيل شده است که برخی از این امواج خيلي كوتاه و برخی دیگر خيلي بلند هستند. براي درك رنگ، طول موجهاي انرژي مي بايست در دامنه ای باشند كه حسگرها درچشم انسانها بتوانند آنرا دريافت كنند. چشم ميتواند انرژي طول موج در دامنه بين 380 ميلي ميكرون، رنگ بنفش، تا 780 ميلي ميكرون، رنگ قرمز، را تشخيص دهد. اين محدوده ي انرژي، طيف نور مرئي ناميده ميشود. مجموع طول موجهاي انرژی داخل محدوده ي طيف مرئي، نور سفيد ناميده مي شود. زمانیکه نور سفيد از جسمی منعكس شده یا از داخل جسمی عبور داده شود، انرژي آن به صورت كلي يا جزئي جذب مي شود. یک چنین امواج انرژی که به چشم منعکس شده یا انتقال داده شده، در قالب رنگ مشاهده می گردند. مبنای اندازه گیری رنگ توسط دستگاههای اندازه گیری نیز همین طول موجهای انرژی می باشند.

 شكل 1:  فضای سه بعدی رنگ برای پارامترهای L*, a*, b*

فضاي رنگ
با استفاده از یک منشور، نورسفيد ميتواند به 7 طول موج غالب تقسيم شود و هر یک از این طول موجها به دلیل نحوه متفاوت تحريك سلولهای میله ای و مخروطی پرده شبکیه چشم توسط انرژي آنها به رنگهاي مختلف ظاهر مي شوند. اين سلولهای میله ای و مخروطی همچنين در تفکیک نور سفید و تیره و تشخیص رنگهاي مختلف به كارمي روند.

اولين تلاشها براي سازمان دادن رنگها درسال 1915 به وسيله ي شخصی به نام آرتور مانسل[1] صورت گرفت. مدل وی، رنگ را در داخل سيستمي به نام درخت رنگ مانسل طبقه بندی نمود. اين سيستم رنگ را در سه بعد توصيف مي كند؛ ارزش، طیف[2] رنگ و میزان اشباعيت[3]. طیف، به رنگ جسم كه زرد يا قرمزاست اشاره دارد، ارزش، بیانگر میزان روشنای یا تیرگی یک جسم در مقايسه با یک مقیاس خاكستري رنگ می باشد. میزان روشنايي را می توان بصورت جداگانه از پارامتر طیف اندازه گيري نمود. واژه اشباعیت بیانی از میزان وضوح رنگ یا میزان تراکم واقعی رنگ مشاهده شده است. رنگهاي خالص زمانيكه مخلوط مي شوند هميشه ازاشباعيتشان كاسته مي شود. بنابراين ميزان رنگ از كم تا تقریبا غالب را می توان بر مبنای مقیاس تدریجی که بیانگر میزان اشباعیت می باشد نشان داد.

به منظور توصيف هر چه بهتر رنگ یک جسم بر مبنای زاویه دید و منبع نور، از سه واژه استفاده گردید و در نتیجه آن مفهوم "فضای رنگ" شکل گرفت (شکل 1). در این فضا به هر رنگ اجازه داده می شود تا بر مبنای پارامترهای ارزش، طیف و اشباعیت در یک فضای سه بعدی قرار بگیرند.
از بدو پیشرفت علم رنگ، مدلهاي سه بعدي مختلفی شکل گرفتند که هر یک نقاط قوت و ضعف خاص خود را داشتند، اما هر یک به نحوی در ارائه یک مدل عملی مانند  سيستم رنگ مانسل دخالت داشتند. در مدل مانسل، کیفیت رنگ بر مبنای سه پارامتر طیف، روشنایی و اشباعیت تعریف می گردد. اما این نکته که یک نقطه در فضای سه بعدی رنگ ممکن است تحت شرایط مختلف به صورت متفاوتی مشاهده شود همچنان به قوت خود باقی بود. در این راستا، موارد پنج گانه زیر، شرایطی که در آن ممکن است رنگ دیده شده با رنگ اندازه گیری شده متفاوت باشد را توصیف می نماید:

در صورتیکه رنگ مشاهده شده تحت تاثیر کیفیت منبع نور (خورشيد،شمع،فلئورسانس ونورهاي سيمابي و...) قرار بگیرد.
در صورتیکه رنگ مشاهده شده متاثر از اندازه شیء باشد (بهترين مثال ديدن ساعت نقاشي شده ورنگ شده روی دیوار وسپس ديدن همان رنگ روي ديوار می باشد. ديوار يا هرمنطقه اي بزرگتر، هميشه اشباعيت بيشتري را از نمونه هاي كوچكتر نشان می دهد).
در صورتیکه رنگ مشاهده شده تحت تاثیر زمینه قرار بگیرد (زمينه سياه يا سفيد تغيراتي درروشنايي واشباعيت جسم ايجاد مي كند).
در حالتیکه رنگ مشاهده شده تحت تاثیر زاویه دید قرار بگیرد (زاويه اي كه يك جسم مشاهده مي شود روي شكل،روشنايي ويا اشباعيت تاثير خواهد داشت)
در صورتیکه رنگ مشاهده شده تحت تاثیر تفاوتهای فردی قرار بگیرد  (دید انسانها ازلحاظ ژنتیکی و فيزيولوژيكي با یکدیگر تفاوت دارد و لذا صفت مشاهد رنگ بصورت میانگین  بیان می شود نه  به عنوان یک صفت نرمال)
پس نتيجه ميگيريم كه در صورت مشخص کردن و کمی نمودن شرایط فوق الذکر،  ابزار و ادوات اندازه گیری رنگ، به عنوان یک روش قابل اطمینان، قادر به ثبت رنگ های توصیفی و کیفی خواهند بود.

توسعه دستگاه های اندازه گیری
رنگ را می توان تحت شرايط تثبيت شده از طریق پارامترهای مربوطه طیف، روشنايي، و اشباعیت به طور کامل توصيف نمود. عقيده بر اين بود كه دستگاه ها مي توانند در راستاي ادغام محاسبات ریاضی وپاسخهاي فيزيكي مرتبط با این پارامترها  توسعه يابند. دستگاه های اوليه، بدلیل ناتواني در کمی نمودن رنگ به صورت مؤثر و معنی دار، باعث نا امید کردن دانشمندان شده بود. لذا نیاز به راهکاری بود تا رنگ را بصورت مشابهي كه انسانها مشاهده نموده و اختلاف بین آنها را تفسیر نماید. لذا، دانشمندان در صدد برآمدند تا برای بیان رنگ همانند بیان وزن و حجم یک مقدار عددی اختصاص بدهند. متأسفانه سيستم رنگ مانسل بدلیل استفاده از كاغذهاي رنگي ورقه اي كه زير روشنايي نور روز ديده ميشوند نمی توانست در این مورد کارساز باشد. با این وجود، دوباره از رنگ های مانسل به صورت ترکیب حروف و اعداد به فرم H، V، و C (به ترتیب طیف، ارزش و رنگدانه بندی) برای بیان رنگ استفاده شد.  هر چند که این سیستم جدید به کاربران اجازه داد تا رنگ را در قالب یک اسلوب منظم تعریف نمایند، اما مشکل مربوط به مشاهده فیزیکی رنگ و تفسیر آن همچنان مسئله ساز بود.

مقادیر سه گانه رنگ[4]
در سال 1931، كميسیون بين المللي Eclairage (معروف به CIE)، که یک مجمع عملی با حضور نمايندگان خيلي ازكشورها می باشد، تشکیل جلسه داد تا برای تست نمودن و بیان رنگ به صورت ریاضی، یکسری ثابت هایی را تعریف و پیشنهاد نماید. بر مبنای گزارش این کمیسیون، یکسری از "منحنی های واکنش طیفی[5]" منطبق با قابلیت چشم انسان در مشاهده نورهای رنگی ارائه گردیده و در ادامه توابع انطباق نوری "ناظر استاندارد[6]" پایه گذاری شدند. توابع واکنش طیفی مذکور، از سه تابع واکنش نوری استفاده نمودند؛ x(λ) که به عنوان پاسخ عمومي چشم مردم به نور قرمز بوده، y(λ) که به عنوان پاسخ عمومي چشم مردم به نورسبز بوده و z(λ) که به عنوان پاسخ عمومي چشم مردم به نور آبي می باشد.

رنگ يك شيء نتيجه نسبتهاي مختلفي از نورهای سبز، آبي و قرمز است كه به چشم انعكاس يا انتقال داده مي شود. زمانیکه عواملی همچون توزیع توان طیف منبع نور (منحنی طیف منبع نور)، منحنی انعکاس شیء، و توابع انطباق نوری ناظر استاندارد با یکدیگر درآمیخته شوند، می توان روابط ریاضی بین اندازه گیری رنگ، مشاهده بصری رنگ را بنیان نهاد. یک چنین اجماع ریاضی منجر به خلق XYZ یا مقیاس سه گانه رنگ می شود.  

از مقياس XYZ مي توان به عنوان ابزاري استفاده نمود تا ميزان نور قرمز، سبز و آبي به طوراستاندارد تخمين زده و ميزان آنها را با یک نمونه مقايسه نموده تا اختلاف رنگ را مشخص كند. چالش دراينجا بود که بدلیل محاسبات ریاضی هر تابع، تجسم اختلاف رنگ به صورت بصری در قالب محاسبات رياضي مشكل بود. سپس مقادیر XYZ به فرم خطي معادله سه گانه تبدیل شده و براي تجسم بر روی یک نمودار دو بعدي ترسیم شدند. اين دومين اشتقاق به نام مقياس رنگ پذيري[7] يا فضاي رنگ Yxy ناميده شد. دراين مقیاس، مقدارY به درجه روشنايي اشاره دارد وxy برآوردی از میزان رنگ مستقل از پارامتر روشنايي می باشد.

فضاي رنگ بر مبنای پارامتر هایa*, b*  L*,
موقعي كه از فضاي رنگ Yxy استفاده مي شود يك مشكل هنوز باقي مي ماند، بدین معنی که فواصل يكسان روي نمودار رنگ پذيري xy، معادل اختلاف رنگ مشاهده شده نمی باشد. درسال 1976، CIE يك فضاي رنگ متفاوتي را بر مبنای تبدیل غیر خطی مقادیر XYZ معرفي كرد تا همبستگی خيلي بيشتري بين اختلاف رنگ ثبت شده و رنگ مشاهده شده بوجود آید. اين مقیاس، به نام به فضاي رنگ L*a*b* ناميده شد. دراين فضا L* بیانگر روشنايي بوده و a*, b* مختصات رنگ می باشند؛ a* محور قرمز/سبز ("+" به سمت قرمز و"-" به سمت سبز)، و b* محور زرد/آبی ("+" به سمت زرد و"-" به سمت آبي) می باشد ( شكل2-2).

 شكل 2:  فضای رنگ L*a*b*

 اين روش تعریف رنگ، با دقت بالا موقعیت رنگ را در یک فضای سه بعدی مشخص می نماید، بطوریکه یک نقطه بر روی محور رنگ، بیانگر طیف رنگ بوده، فاصله نقطه از مرکز (از وضعیت بی رنگ به سمت رنگ خالص) مشخص کننده میزان اشباعیت رنگ، و موقعیت آن بر روی محور عمودی، بیانگر میزان روشنایی رنگ می باشد. علامت مثبت و منفي در مقادیر مختصات رنگ، بیانگر میزان طیف رنگ می باشد، در حالیکه مقادیر عددی آنها، اشاره به وسعت اشباعیت رنگ دارد. درمجموع مقدارL* از 0 تا  100 بوده که به ترتیب بیانگر فضای تیره به سمت رنگ روشن می باشد. درفضاي رنگ L*a*b*، محل تقاطع مقادیر سه گانه رنگ، معادل رنگ مشاهده شده  نمونه می باشد. توسط روش فوق نوع رنگ که مربوط به طول موج است، شدت رنگ که با دامنه ارتعاشات متناسب بوده و همچنین سیری یا روشنایی رنگ که مربوط به خالص بودن آن یعنی یک طول موج معین، یا ترکیب آن با سایر طول موجها خواهد بود مورد سنجش قرار خواهد گرفت. 

در خصوص اندازه گيري سفیدی رنگ با استفاده از پارامتر هاي L*a*b* مي بايست از فرمول هاي ذيل استفاده نمود:

سفیدی = L* - 3b*                                                                 (1)                                               
یا
سفیدی = 100 – [ (100 – L*)2 + a*2 + b*2]1/2                    (2)
ويژگی دستگاه سنجش رنگ IMG-Pardazesh Cam-System XI
در خصوص تصاویر دوربین دیجیتالی ذکر این نکته لازم است که این تصاویر رنگ را در قالب سه پارامتر RGB ارائه می نمایند که این اطلاعات برآیند پیکسل های تصویر می باشد لذا هدف عمده این ابتکار ارائه راهکاری به منظور ایجاد شرایط استاندارد عکسبرداری از یک نمونه برای دستیابی به مقادیر رنگ یک ماده در قالب پارمترهای L* a* b* بر مبنای پیکسل های تصاویر دیجیتالی RGB یا به عبارتی تبدیل مقادیر RGB به L* a* b* می باشد. برمبنای عملکرد این دستگاه، قادر به اندازه گیری دقیق و صحیح رنگ یک ماده غذایی منطبق با ویژگی های جزئی آن بوده و لذا می توان کنترل کیفی مواد غذایی در طی پروسه خط تولید را بهبود بخشیده و هم چنین یک ابزار بسیار مفید برای انجام پروژه های تحقیقاتی دانشگاهی، مراکز پژوهشی و کارخانجات تولید غذایی می باشد. 
 
به منظور توصیف کامل ویژگی های تصویر یک ماده غذایی و متعاقبا برآورد دقیق کیفیت آن می بایست در ابتدا از مقدار عددی رنگ هر پیکسل موجود در سطح غذا آگاهی داشت. حال با توجه به اینکه دستگاههای تجاری اندازه گیری رنگ قادر به برآورد مقادیر L*a*b تنها در محدوده چند سانتیمتر مربع هستند لذا داده های حاصل از آنها نمی تواند بیانگر ویژگی های مواد ناهمگن مانند مواد غذایی باشد. عمده ترین دستگاههای اندازه گیری رنگ عبارت اند از:
 
(i)                 Minolta Chroma Meter
(ii)               HunterLab Colorimeter
(iii)             Dr. Lange Colorimeters
 
نکته قابل توجه در بکارگیری این دستگاهها این است که سطح نمونه مورد اندازه گیری می بایست یکنواخت بوده و محدوده آن کمتر از 2 سانتیمتر مربع باشد که این امر باعث می گردد تا نتایج حاصله قابل تعمیم به کل ماده غذایی نباشد.
 در سالهای اخیر از تصاویر کامپیوتری به منظور اندازه گیری رنگ مواد غذایی مختلف استفاده گردیده است و دلیل این امر دستاوردهای مشهود این روش از قبیل آنالیز تمامی سطح ماده غذایی و کمی نمودن ویژگی های سطحی و نقص های آن در مقایسه با دستگاههای رنگ سنج متداول می باشد. روش محاسباتی به همراه ترکیبی از دوربین دیجیتالی، کامپیوتر و برنامه های گرافیکی به عنوان یک تکنیک نسبتا ارزان تر و تطبیق پذیرتر برای اندازه گیری رنگ بسیاری از مواد غذایی در مقایسه با دستگاههای متداول اندازه گیری رنگ می باشد. در این رابطه استفاده از دوربین دیجیتالی به عنوان یک ابزار مفید در برآورد رنگ یک ماده می باشد که از این طریق می توان رنگ یکایک پیکسل های تصویر یک جسم را ثبت نمود. در این دوربین ها، نور منعکس شده از یک جسم از طریق سه سنسور به ازای هر پیکسل نمایه می گردد. در این حالت متداولترین مدل رنگ مدل RGB می باشد که بر مبنای آن هر سنسور میزان تراکم طیف نور قرمز (R)، سبز (G) و آبی (B) را دریافت می نماید. امروزه گرایش به سمت آنالیز دیجیتالی تصاویر مواد غذایی می باشد که دلیل این امر در درجه اول آنالیز نقطه ای، محاط نمودن گروه کوچکی از پیکسل ها به منظور برآورد ویژگی های جزئی یک ماده و در درجه دوم آنالیز سراسری یک ماده از طریق هیستوگرام رنگ به منظور آنالیز یکنواختی آن ماده می باشد.

[1] Arthur Munsell
[2] Hue
[3] Chroma
[4] Tristimulus colors : مقادیر نسبی رنگ های اصلی که برای ایجاد رنگ های دیگر با هم ترکیب می شوند.
[5] Spectra response curves
[6] Standard observer
[7] Chromaticity scale
تمامی حقوق مادی و معنوی این سامانه محفوظ می باشد.
رفتن به بالای صفحه