Цвет, управление цветом, цветовые расчеты и измерения

Глава 1.
Цвет и свет

Что такое цвет. Прежде всего, необходимо определить, что такое цвет. За те годы, что существует наука о цвете давались многочисленные оценки феномена цвета и цветового видения, однако все из них можно свести к одному простому определению: цвет есть совокупность психо-физиологических реакций человека на световое излучение, исходящее от различных самосветящихся предметов (источников света) либо отраженное от поверхности несамосветящихся предметов, а также (в случае прозрачных сред) прошедшее через них. Таким образом, человек имеет возможность видеть окружающие его предметы и воспринимать их цветными за счет света — понятия физического мира, но сам цвет уже не является понятием физики, поскольку это есть субъективное ощущение, которое рождается в нашем сознании под действием света.

Очень точное и емкое определение цвета дали Джадд и Вышецки: « . . . сам по себе цвет не сводится к чисто физическим или чисто психологическим явлениям. Он представляет собой характеристику световой энергии (физика) через посредство зрительного восприятия (психология)».

С точки зрения физики свет представляет собой один из видов электромагнитного излучения, испускаемого светящимися телами, а также возникающего в результате ряда химических реакций. Это электромагнитное излучение имеет волновую природу, т.е. распространяется в пространстве в виде периодических колебаний (волн), совершаемых им с определенной амплитудой и частотой. Если представить такую волну в виде графика, то получится синусоида. Расстояние между двумя соседними вершинами этой синусоиды называется длиной волны  и измеряется в нанометрах (нм) и представляет собой расстояние, на которое распространяется свет за период одного колебания.

Человеческий глаз способен воспринимать (видеть) электромагнитное излучение только в узком диапазоне длин волн, ограниченного участком от 380 до 760 нм, который называется участком видимых длин волн, собственно и составляющих свет. Излучения до 380 и выше 760 нм мы не видим, но они могут восприниматься нами другими механизмами осязания (как, например, инфракрасное излучение) либо регистрироваться специальными приборами (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Спектр электромагнитных излучений и спектр видимого света

В зависимости от длины волны, световое излучение воспринимается человеческим глазом окрашенным в тот или иной цвет (правильнее сказать, вызывает у человека ощущение того или иного цвета) от фиолетового до красного (табл. 1.1). Эта способность определяет возможность цветового видения человека.

Спектр как характеристика цвета. В природе излучение от различных источников света либо предметов редко является монохроматичным, т.е. представленным излучением только одной определенной длины волны, и имеет довольно сложный спектральный состав, т.е. в нем присутствуют излучения самых различных длин волн. Если представить эту картину в виде графика, где по оси ординат будет отложена длина волны, а по оси абсцисс — интенсивность, то мы получим зависимость, называемую цветовым спектром излучения или просто спектром цвета. Для окрашенных поверхностей спектр цвета определяется как зависимость коэффициента отражения ρ от длины волны λ, для прозрачных материалов — коэффициента пропускания τ от длины волны, а для источников света -— интенсивности излучения от длины волны. Примеры цветовых спектров различных источников света и материалов приведены на рис. 1.2 и рис. 1.3.

Рис. 1.2. Кривые спектра отражения различных красок: изумрудной зелени, красной киновари, ультрамарина

Рис. 1.3. Примеры спектральных распределений интенсивностей излучения различных источников света: свет от ясного голубого неба, среднедневной солнечный свет, свет лампы накаливания

По форме спектральной кривой можно судить о цвете излучения, отраженного от поверхности предмета или испущенного самосветящимся источником света. Чем более будет стремиться эта кривая к прямой линии, тем более цвет излучения будет казаться серым. Чем меньше либо больше будет амплитуда спектра, тем цвет излучения предмета будет менее или более ярким. Если спектр излучения равен нулю на всем диапазоне за исключением определенной узкой его части, мы будем наблюдать так называемый чистый спектральный цвет, соответствующий монохроматическому излучению, испускаемому в очень узком диапазоне длин волн.

Рис. 1.4. Излучение от поверхности, окрашенной изумрудной зеленью, при освещении светом лампы накаливания. По графику видно, что цвет красителя при освещении светом лампы накаливания приобретает теплый оттенок за счет усиления длинноволнового (оранжево-красного) и некоторого подавления коротковолнового (синего) излучения, отраженного от окрашенной поверхности

В результате сложных процессов взаимодействия светового потока с атмосферой, окружающими предметами и другими световыми потоками энергетический спектр излучения реальных предметов, как правило, приобретает гораздо более сложную форму. В природе фактически нельзя встретить чистых цветов. К примеру, даже если принять излучение солнца в полдень за эталон белого цвета, то и он на самом деле окажется не белым, а имеющим ту или иную окраску, возникающую в следствие изменения спектрального состава солнечного излучения в процессе его прохождения сквозь толщу земной атмосферы: молекулы воздуха, а также находящиеся в атмосфере частички пыли и воды взаимодействуют с потоком солнечного излучения, причем в зависимости от длины волны этот процесс происходит менее или более интенсивно. Поэтому в вечерние и утренние часы, когда солнце находится низко над горизонтом и солнечные лучи должны проходить большее расстояние в атмосфере, чем в полдень, солнечный свет кажется нам не белым, а желтоватым, а освещенные им предметы — окрашенными в различные оттенки желтого, оранжевого, розового и красного. Это происходит из-за того, что атмосфера поглощает коротковолновую (условно синюю) и свободно пропускает длинноволновую (условно красную) составляющую излучения солнца. Таким образом, получается, что цвет предметов напрямую зависит от источника света, освещающего поверхность данного предмета. Точнее, световое излучение, отраженное от поверхности предмета либо прошедшее через нее и формирующее в зрительном аппарате ощущение цвета этого предмета, определяется как свойствами самого предмета отражать либо поглощать свет в зависимости от длины волны, так и свойствами источника света, используемого для освещения этого предмета, изменять интенсивность излучения в зависимости от длины волны (рис. 1.4). Поэтому при проведении цветовых измерений необходимо всегда учитывать используемое при этом освещение и по возможности пользоваться только стандартными источниками света, причем не использовать сразу несколько разнотипных источников. То же самое касается любых работ с цветными изображениями, когда необходимо обеспечить высокую точность цветопередачи.

Феномен цветового видения. При проведении своего знаменитого опыта по разложению солнечного света в спектр Ньютон сделал очень важное наблюдение: несмотря на то, что спектральные цвета плавно переходилили друг в друга, пробегая целую массу всевозможных цветовых оттенков, фактически все это многообразие цветов оказалось возможным свести к семи цветам, которые были названы им первичными: красному, желтому, оранжевому, желтому, зеленому, голубому, синему и фиолетовому. Впоследствии различными исследователями было показано, что число этих цветов можно сократить до трех, а именно до красного, зеленого и синего. Действительно, желтый и оранжевый есть комбинация зеленого и красного, голубой — зеленого и синего. Тоже самое касается всех остальных цветовых тонов, которые могут быть получены комбинацией красного, зеленого и синего цветов, названных поэтому основными цветами.

Юнг и Гемгольц, занимавшиеся исследованиями цветового зрения, предположили, что подобные явления объясняются наличием в аппарате человеческого зрения трех цветочувствительных анализаторов, каждый из которых ответственен за восприятие красного, зеленого и синего световых излучений, попадающих в глаз. Позже это предположение получило достаточно веские научные подтверждения и легло в основу трехкомпонентной теории цветового зрения, которая объясняет феномен видения цвета существованием в глазу человека трех типов цветоощущающих клеток, чувствительных к свету различного спектрального состава.

Эти клетки действительно удалось увидеть в сетчатке глаза и поскольку под микроскопом они предстали в виде округлых продолговатых тел несколько неправильной формы, они были названы колбочками. Колбочки подразделяются на три типа в зависимости от того, к излучению какого спектрального состава они чувствительны, и обозначаются греческими буквами β (бета), γ (гамма) и ρ (ро). Первый тип (β) имеет максимум чувствительности к световым волнам с длиной от 400 до 500 нм (условно «синяя» составляющая спектра), второй (γ) — к световым волнам от 500 до 600 нм (условно «зеленая» составляющая спектра) и третий (ρ) — к световым волнам от 600 до 700 нм (условно «красная» составляющая спектра) (рис. 1.5 б). В зависимости от того, световые волны какой длины и интенсивности присутствуют в спектре света, те или иные группы колбочек возбуждаются сильнее или слабее.

	а)
	б)

Рис. 1.5. Кривая относительной световой эффективности палочек (пунктирная линия) и колбочек (а) и кривые спектральной чувствительности колбочек, нормированные к единице (б)

Также было установлено наличие других клеток, которые не имеют чувствительности к строго определенным спектральным излучениям и реагируют на весь поток светового излучения. Поскольку под микроскопом эти клетки видны как удлиненные тела, их назвали палочками.

У взрослого человека насчитывается около 110—125 млн. палочек и около 6—7 млн. колбочек (соотношение 1:18). Условно говоря, видимое нами изображение, также как и изображение цифровое, дискретно. Но поскольку число элементов изображения очень большое, мы этого просто не ощущаем.

Интересно отметить и другую особенность. Световая чувствительность палочек намного выше чувствительности колбочек и потому в сумерках или ночью, когда интенсивность попадающего в глаз излучения становится очень низкой, колбочки перестают работать и человек видит только за счет палочек. Потому в это время суток, а также в условиях низкого освещения, человек перестает различать цвета и мир предстает перед ним в черно-белых (сумрачных) тонах. Причем световая чувствительность человеческого глаза настолько высока, что намного превосходит возможности большинства существующих систем регистрации изображения. Человеческий глаз способен реагировать на поток светового излучения порядка 10^–16 Вт/см.кв. Если бы мы захотели использовать эту энергию для нагревания воды, то для того, чтобы нагреть один кубический сантиметр воды на 1°, на это потребовался бы 1 млн. лет. Если выразить чувствительность человеческого глаза в единицах чувствительности фотопленки, то она будет эквивалентна фотопленке с чувствительностью 15 млн. единиц ASA.

Чувствительность палочек и колбочек к световому потоку в зависимости от длины волны описывается кривыми спектральной чувствительности человеческого глаза (рис. 1.5 б). Для характеристики общей спектральной чувствительности человеческого глаза к потоку светового излучения используется относительная кривая световой эффективности, либо, как ее еще называют, кривая видности, глаза, определяющая соответственно общую чувствительность человеческого глаза к свету с учетом цветового (колбочки) или светового (палочки) зрения (рис. 1.5 а). Эти зависимости представляют большой интерес для специалистов, поскольку позволяют объяснить ряд известных феноменов человеческого зрения.

Так, по этим кривым можно видеть, что человек очень хорошо способен воспринимать зеленые и зелено-желтые цвета, в то время как его чувствительность к синим цветам заметно ниже.

Ситуация несколько меняется в сумерках, когда чувствительные к яркому световому излучению колбочки начинают терять свою эффективность и соотношение между палочками и колбочками изменяется — максимум спектральной световой эффективности смещается в сторону синих излучений (палочковое зрение).

Другая интересная особенность заключается в том, что глазному хрусталику труднее фокусироваться на предметы, если они окрашены в сине-фиолетовые тона. Это объясняется падением спектральной чувствительности глаза в этих областях спектра. Поэтому очки иногда делают не нейтрально-прозрачными, а из окрашенных в желтый либо коричневый цвет стекол, которые фильтруют сине-фиолетовую составляющую спектра.

Из-за того, что кривые спектральной чувствительности частично перекрываются, человек может сталкиваться с определенными сложностями при различении некоторых чистых цветов. Так, из-за того что кривая спектральной чувствительности колбочек типа r (условно чувствительных к красной части спектра) сохраняет некоторую чувствительность в области сине-фиолетовых цветов, нам кажется, что синие и фиолетовые цвета имеют примесь красного.

Влияет на восприятие цвета и общая световая чувствительность глаза. Поскольку кривая относительной световой эффективности представляет собой гауссиану с максимумом в точке 550 нм (для дневного зрения), то цвета по краям спектра (синие и красные) воспринимаются нами менее яркими, чем цвета, занимающие центральное положение в спектре (зеленый, желтый, голубой).

Поскольку спектральная чувствительность человеческого глаза неравномерна по всей области спектра, при ощущении цвета могут возникать явления, когда два разных цвета, имеющих разные спектральные распределения, будут нам казаться одинаковыми за счет того, что вызывают одинаковое возбуждение глазных рецепторов. Такие цвета называются метамерными, а описанное явление — метамерией. Оно часто наблюдается, когда та или иная окрашенная поверхность рассматривается нами при разных источниках освещения, свет которых взаимодействуя с поверхностью, изменяет спектр ее цвета. В этом случае, например, белая ткань может при дневном свете выглядеть белой, а при искусственном освещении менять свой оттенок. Либо два предмета, имеющие разные спектры отражения, и, соответственно, которые должны иметь разный цвет, на самом деле воспринимается нами одинаковыми, поскольку вызывают однозначное возбуждение трех цветоощущающих центров глаза. Причем, если мы попытаемся воспроизвести цвет этих предметов, скажем, на фотопленке, использующей отличный от зрительного аппарата человека механизм регистрации изображения, эти два предмета скорее всего окажутся имеющими различную окраску.

Рис. 1.6. Иллюстрация явления метамерии

Три цветовых образца имеющих разный спектральный коэффициент отражения кажутся при освещении их дневным светом одинаковыми. При воспроизведении этих образцов на фотопленке, спектральная чувствительность которой отлична от спектральной чувствительности зрительного аппарата человека, либо при изменении освещения они меняют свой цвет и становятся разноокрашенными.

На использовании явления метамерии основана вся современная технология воспроизведения цветного изображения: не имея возможности в цветной репродукции в точности повторить спектр того или иного цвета, наблюдаемый в естественных условиях, он заменяется цветом, синтезированным с помощью определенного набора красок или излучателей и имеющим отличное спектральное распределение, но вызывающим у зрителя те же самые цветовые ощущения.

Знание особенностей человеческого зрения очень важно при проектировании систем регистрации и обработки изображения. Именно для того, чтобы в максимальной степени учесть особенности человеческого зрения, производители фотоматериалов добавляют дополнительные цветочувствительные слои, производители принтеров — дополнительные печатные краски и т.д. Однако никакие усовершенствования современных технологий все же не позволяют создать систему воспроизведения изображения, которая бы могла сравниться с аппаратом человеческого зрения.

Классификация цветов. Как уже было указано, в зависимости от длины волны излучения свет воспринимается человеческим глазом окрашенным в тот или иной цвет от фиолетового до красного. Воспринимаемые при этом цвета принято называть чистыми спектральными цветами, а определяющая их цвет характеристика называется в колориметрии цветовым тоном. Цветовой тон однозначно связан с длиной волны и потому часто выражается в нанометрах.

Принято считать, что человеческий глаз способен различить до 150 различных цветовых тонов чистых спектральных цветов. К этому числу следует прибавить еще 30 пурпурных цветов, которые отсутствуют в спектре, но могут быть получены путем смешения синего и красного спектральных излучений.

Помимо чистых спектральных и чистых пурпурных цветов также существует ряд цветов, которые называются ахроматическими  или нейтральными цветами, т. е. цветами, лишенным окраски. Сюда относится черный, белый и лежащие между ними различные оттенки серого. Ощущение этих цветов возникает тогда, когда на человеческий глаз не действует поток светового излучения (черный цвет) либо наоборот, действует поток максимальной интенсивности (белый цвет). Ощущение серого цвета возникает тогда, когда воздействующий на глаз световой поток возбуждает цветочувствительные анализаторы (колбочки) в равной степени. Причем спектр излучения этого цвета не обязательно должен быть равномерным (равноэнергетическим), достаточно только, чтобы он вызывал одинаковое возбуждение трех цветоощущающих цвентров глаза, а сам спектр излучения может при этом быть очень неравномерным (рис. 1.6).

Если смешивать чистый спектральный цвет с белым либо серым, то будет происходить явление, когда цвет начнет терять свою чистоту и постепенно переходить в белый или серый цвет. В этой связи для характеристики цвета помимо цветового тона используют также характеристику, называемую насыщенностью или же чистотой цвета. На самом деле, чистых спектральных цветов в природе можно встретить не так уж много, и вместо них мы гораздо чаще наблюдаем цвета в той или иной степени лишенные насыщенности. Считается, что для каждого цветового тона человеческий глаз способен различить до 200 ступеней насыщенности.

Характеристики цветового тона и насыщенности часто объединяются вместе и называются цветностью, которая может служить качественной характеристикой восприятия цвета.

Два одинаковых цветовых тона могут отличаться друг от друга не только насыщенностью, но и яркостью (силой) их излучений, что при характеристике свойств несамосветящихся объектов принято характеризовать понятием светлоты цвета. Если насыщенность цвета можно интерпретировать как соотношение чистого цвета и добавленного к нему белого, то светлоту можно интерпретировать как соотношение чистого цвета и добавленного к нему черного. По мере увеличения силы (яркости) светового излучения цвет принимает различные цветовые оттенки от черного до белого. Светлота напрямую связана с насыщенностью цвета, поскольку изменение яркости цвета часто ведет к изменению его насыщенности.

Если цветность может использоваться как качественная характеристика цвета, то светлота может использоваться как количественная оценка цвета.

Рис. 1.7. Геометрическая модель расположения цветов в соответствии с цветовым тоном, насыщенностью и светлотой

Три рассмотренные нами характеристики цвета, а именно цветовой тон, насыщенность и светлоту, часто располагают в виде трехмерного графика на котором значение светлоты служит опорной осью, вдоль которой цвета располагаются от черного до белого, насыщенность изменяется по радиальной координате по мере удаления цвета от центра графика, а цветовой тон характеризуется угловой координатой, как это показано на рис. 1.7. Теоретически такой график должен представлять собой цилиндр, но его чаще располагают в виде перевернутого конуса, вершина которого соответствует точке черного, а основание — максимальному значению светлоты. Это хорошо согласуется с тем фактом, что при малых значениях яркости излучения человек начинает хуже различать цвета, а при минимальном значении яркости не различает их вообще.

Если использовать вычертить этот график на плоскости убрав координату светлоты и оставив только цветовой тон либо цветовой тон и насыщенность (цветность), то получим построение, которое принято именовать цветовым кругом (рис. 1.8), представляющим собой окружность, вдоль которой располагаются цветовые тона от красного до пурпурного. Каждый цвет в цветовом круге имеет численную координату, выраженную в градусах от 0° до 360°. Красный цвет начинает и замыкает цветовой круг, соответствуя точке 0° (360°). Оранжевому соответствует координата 40°, желтому — 60°, зеленому — 120°, голубому — 180°, синему — 240°, пурпурному — 300°. Все эти цвета, за исключением оранжевого, который является смесью красного и желтого, оказывается расположенными на цветовом круге на равном интервале друг от друга 60°.

Рис. 1.8. Цветовой круг

Цвета, находящиеся в цветовом круге друг напротив друга, называются дополнительными цветами. Например, красный и голубой, зеленый и пурпурный, синий и желтый и т.д. Эти цветовые пары имеют ряд интересных свойств, которые используются в технологии воспроизведения изображения и о которых будет подробно рассказано ниже.

Характеристики цветового тона, насыщенности и светлоты являются наиболее употребимыми визуальными либо, как их еще называют, психофизическими характеристиками цвета и используются, когда цвет необходимо определить не прибегая при этом к сложному математическому аппарату.

Другими средствами определения цвета могут служить атласы цветов, в которых приводятся образцы выкрасок цветов на различных поверхностях и материалах, сгруппированные по определенному признаку. Такие атласы широко используются в полиграфии, текстильной промышленности и архитектуре. Например, каталоги печатных цветов Pantone, образцы строительных колеров и т.п. Каждый цвет в цветовом атласе имеет свой индекс, по которому может быть определено его положение в атласе, а также рецептуру красок, необходимых для его получения

В колориметрии широко используется цветовой атлас Манселла, составленный в начале 20 столетия американским художником Альбертом Манселлом. Манселл сгруппировал цвета по трем координатам цветового тона (Hue), насыщенности (Chroma) и светлоты (Value).

Рис. 1.10. Модель цветового атласа Манселла

Манселл разделил цветовые тона (Hues) на 10 основных тонов, которые он обозначил соответствующими буквенными индексами: R (красный), YR (желто-красный), Y (желтый), GY (желто-зеленый), G (зеленый), BG (сине-зеленый), B (синий), PB (пурпурно-синий) и RP (красно-пурпурный). В каждом из них он выделил 10 оттенков, получив таким образом 100 чистых цветовых тонов. Их он расположил по кругу, создав геометрическое построение, аналогичное уже известному нам цветовому кругу. Значения тонов были выбраны Манселлом таким образом, чтобы соседние друг с другом образцы имели одинаковое цветовое отличие на глаз обычного наблюдателя при нормальных условиях освещения (под таким освещением Манселл понимал полуденный свет неба в северных широтах). Используя центр полученной окружности как точку ахроматических цветов, Манселл расположил цветовые образцы от центра окружности к ее краю в соответствии с увеличением насыщенности (Chroma) цвета. Наконец, из центра окружности он построил ось, вдоль которой цвета группировались по мере увеличения их светлоты (Value). По степени увеличения светлоты цвета разбивались на 10 групп от 0 (черный) до 9 (белый), причем шкала яркости была выбрана не линейная, а логарифмическая, что более соответствует тому, как изменение яркости воспринимается человеком. А вот по степени увеличения насыщенности цвета не имели четкого и одинакового разделения, поскольку спектральная чувствительность человеческого глаза в разных областях спектра не одинакова, и потому различия насыщенности для разных цветовых тонов человек может видеть менее или более точно. Так для 5Y при Value = 2 Манселл выделил только 3 степени насыщенности, а для 5PB при той же светлоте — 28. При этом для разных значений светлоты возможное число цветовых образцов, имеющих разную насыщенность, было также неодинаковым, что согласуется с тем фактом, что человек не способен хорошо различать цвета при слишком низких и слишком высоких яркостях. Если сгруппировать цветовые образцы в пространственное тело, то полученное таким образом геометрическое построение будет несколько асимметричным, напоминая немного яблоко слегка неправильной формы либо деформированный шар. Кстати говоря, именно таким образом в виде своеобразного цветового глобуса цветовой атлас Манселла часто и представлялся потребителю (рис. 1.10).

Для точного задания того или иного цвета Манселл использовал специальную систему координат, которая обозначается Hue (цветовой тон), Value (светлота) / Chroma (насыщенность). Например, красно-пурпурный цвет обозначается в атласе как 6RP4/8, где 6RP — координата цвета, имеющего светлоту 4 с насыщенностью 8.

Помимо Манселла разработкой подобных цветовых атласов занимались и ряд других исследователей. В Германии аналогичный цветовой атлас, причем практически в тоже самое время, что и Манселл, разработал Оствальд. Аналогичные работы были предприняты в Канаде, США и ряде других стран, причем часто создавалось сразу несколько национальных цветовых стандартов для различных областей промышленности. В Советском Союзе был разработан и использовался цветовой атлас Рабкина и атлас ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.

Помимо цветовых атласов были также разработаны многочисленные системы классификации цветов по их названию. Хотя эти системы нельзя назвать до конца научно достоверными (под одним и тем же названием разные наблюдатели могут понимать разные цвета), но в качестве дополнения к уже имеющимся системам классификации цветов они могут сослужить хорошую службу.

В качестве самого простого примера можно привести семь названий цветов, описывающих участки видимого спектра и слагающиеся во всем известную формулу про охотника и фазана: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Термины, которыми привыкли оперировать художники, представятся уже намного более сложными и, естественно, многочисленными. Если мы возьмем наборы красок, продающихся в магазинах для художников, то обнаружим среди названий красок такие, как охра, кобальт, киноварь и т.д., которые являются общепринятыми терминами, которые у любого профессионального художника будут ассоциироваться с определенными цветами, хотя, безусловно, в том, какие именно цвета подразумевает под тем или иным наименованием конкретный человек будут неизбежно существовать различия.

Предпринимались и многочисленные попытки разработки более строгих в научном отношении систем именования цветов. Так Мэрц и Пауль создали цветовой словарь, содержащий почти 4000 названий, из которых около 36 представлены собственными названиями, 300 представляют собой сложные слова, состоящие из названия цвета и соответствующего прилагательного. В 1931 году Межведомственный комитет по цвету (ISCC) США по заказу Фармакологического комитета разработал систему именованных цветов для описания цвета окрашенных поверхностей. Эта система охватывала 319 обозначений, в основу которых были положены названия цветов, предложенных Манселлом. Сюда входили названия основных тонов — «красный» (R), «желтый» (Y), «зеленый» (G), «синий» (B), «пурпурный» (P), «оливковый» (Ol), «коричневый» (Br) и «розовый» (Pk), — к которым для обозначения дополнительных цветов добавлялись прилагательные «слабый», «сильный», «светлый», «темный», а также термины «бледный», «блестящий», «глубокий», «сумеречный», «живой».

Все остальные системы, разработанные другими исследователями, строятся по сходному способу и обычно насчитывают до нескольких сотен названий. В качестве примера такой системы, широко используемой в настоящее время в интернет-приложениях, можно привести систему из 216 цветов, рекомендованных Интернет-консорциумом W3C (World Wide Web Consortium) в качестве стандартных цветов, которые можно использовать для спецификации цвета в рамках языка HTML.

Характеристика источников света. Поскольку излучение от окружающих нас предметов и материалов, попадающее в наши глаза и вызывающее ощущение цвета, определяющий ется Среди многообразия светового излучения, которое в состоянии воспринимать человеческий глаз, особо выделяют излучение, собственно излучаемое тем или иным самосветящимся источником, таким как солнце, лампа накаливания, фотографическая лампа-вспышка и т.д. Поскольку источники света играют очень важную роль при определении цвета предметов и материалов, они были подробно изучены и была разработана специальная система их классификации, в основе которой положено понятие цветовой температуры.

Как известно, если нагревать металлический предмет до высокой температуры, он начнет испускать световое излучение. Чем выше температура накала, тем более интенсивным будет это свечение. При этом, в зависимости от температуры накала, будет также меняться и его цвет. Вначале оно будет темно-красным, затем красным, затем оранжевым, затем белым. Как оказывается, это явление свойственно не только металлу, но наблюдается при нагревании многих твердых тел с высокой температурой плавления. Именно на его использовании построены электрические лампы накаливания: по тонкой вольфрамовой проволоке пропускается электрический ток, в результате чего проволока нагревается и испускает свет. Причем цвет свечения предмета может быть довольно точно оценен в зависимости от температуры нагрева вольфрама: при нагревании до температуры в несколько сотен градусов он имеет красноватый оттенок, при нагревании до температуры 1000K — оранжевый, 2000K — желтый; свечение тела нагретого до нескольких тысяч градусов воспринимаются нами уже как белое. Свет солнца также обусловлен излучением, возникающим в результате реакций протекающих на его поверхности, нагретой до температуры около 6500K. Поверхность некоторых звезд имеет температуру свыше 10000K и потому цветность их излучения является голубой (табл. 1.5). По мере изменения температуры соответствующим образом изменяется и спектральный состав излучения (рис. 1.11).

Рис. 1.11. Нормированные спектральные распределения излучения абсолютно черного тела при разных цветовых температурах

Поскольку характер излучения для большинства самосветящихся источников подчиняется одним и тем же законам, было предложено использовать температуру в качестве характеристики цветности излучения. Поскольку для разных тел в зависимости от их химического состава и физических свойств нагревание до заданной температуры дает несколько разный спектр излучения, в качестве эталона цветовой температуры используется гипотетическое абсолютно черное тело, которое представляет собой полный излучатель, излучение которого зависит только от его температуры и не зависит ни от каких других его свойств.

Спектр свечения абсолютно черного тела в зависимости от температуры его нагревания можно определить по закону Планка. Несмотря на существующие различия все другие тела ведут себя при нагревании довольно схожим с идеальным черным телом образом и потому использование цветовой температура как характеристики цветности излучения самосветящихся источников, как природных, так и искусственных, оказывается оправданным для очень большого числа случаев. Поскольку спектральное распределение излучения, и, соответственно его цветность, даваемые реальным телом редко когда точно совпадает со спектральным распределением и цветностью идеально черного тела при данной цветовой температуре, при характеристике излучения реально существующих тел используют понятие коррелированной цветовой температуры, что означает ту цветовую температуру идеального черного тела, при которой цветность его излучения совпадает с цветностью излучения данного тела. При этом спектральный состав излучения и физическая температура этих тел как правило оказываются различными, что вполне логично следует из различия физических свойств реального и идеального черного тела.

Соответственно, сколько существует в мире источников света эксплуатируемых при разных условиях, столько существует и спектральных распределений их излучения. Так фазы солнечного света и их коррелированные цветовые температуры меняется в очень широких пределах в зависимости от географического положения, времени суток и состояния атмосферы (рис. 1.12, табл. 1.6). Тоже самое касается и искусственных источников света, например ламп накаливания, цветовая температура которых меняется в зависимости от их конструкции, рабочего напряжения и режима эксплуатации (табл. 1.6).

Рис. 1.12. Нормированные спектральные распределения различных фаз дневного света: 1) свет неба в зените, 2) свет неба полностью покрытого облаками 3) прямой солнечный свет в полдень; 4) прямой солнечный свет за 1 час до захода

Однако, несмотря на существующие разнообразие различных источников света большинство используемых в промышленности и технологии источников света могут быть стандартизированы. Такая стандартизация была предложена Международной комиссией по освещению (МКО), в соответствии с которой было выделено несколько так называемых стандартных колориметрических излучателей, которые были обозначены латинскими буквами A, B, C, D, E и F (табл. 1.7). В отличие от реальных источников света стандартные излучатели МКО описывают классы источников света в целом, основываясь на усредненных значениях их спектральных распределений. Подобная стандартизация показала свою достаточную эффективность, поскольку, как оказывается, несмотря на имеющиеся различия большинство реальных источников света могут быть довольно точно сопоставлены с соответствующими стандартными излучателями.

Табл. 1.7.
Стандартные колориметрические излучатели МКО

Наряду с цветовой температурой иногда используется ее обратная величина, именуемая миред (обозначается μrd) либо обратный микрокельвин.

Использование μrd вместо шкалы Кельвина имеет два преимущества: во-первых одна единица μrd примерно соответствует заметному на глаз единичному порогу изменения цветности светового потока и потому характеризовать цветность излучения в этих единицах удобнее; во-вторых μrd удобно использовать для характеристики цветных конверсионных и цветобалансирующих светофильтров: изменение цветовой температуры, обеспечиваемое фильтром, выраженное в μrd не изменится при работе с излучением с одной цветовой температуры к другому

К примеру, оранжевый конверсионный фильтр 85-й серии понижает цветовую температуру среднедневного цвета с 5500K до 3400K на 2100К (112 μrd). Однако если его использовать для понижения цветовой температуры светового потока с цветовой температурой 4000K, изменение цветовой температуры выраженное в К будет не 2100K, а 7246K, а выраженное в μrd не измениться.

Сложение цветов. Получение нового цвета путем смешивания нескольких основных цветов определяет возможность получения цветного изображения в фотографии, кино, телевидении, полиграфии и компьютерной технологии. Оно основано на явлении смешения спектров излучения, образованных окрашенными поверхностями либо световыми излучателями. В результате получается новый цвет, имеющий свой собственный спектр (рис. 1.13).

Если, к примеру, взять три световых излучателя снабженных красным, зеленым и синим светофильтрами и спроецировать их излучения в одной точке на белом экране, то мы получим белое пятно. Если один из излучателей выключить и смешивать только излучение красного излучателя с зеленым, синего с зеленым и зеленого с красным то на экране мы получим вначале желтый, затем пурпурный и затем голубой цвет. Если же взять все три излучателя и смешивать их излучения в разной пропорции то мы сможем таким образом получить довольно большое число цветов и их оттенков. Чем меньше будет различие интенсивности трех излучателей, тем меньшей будет насыщенность цвета и тем более он будет стремиться к нейтральному. Если не изменяя пропорции трех излучений уменьшить их интенсивность, то мы получим тот же самый цвет но имеющий меньшую яркость. В предельном случае, когда интенсивность всех трех излучателей уменьшена до нуля, мы получим черный цвет. 

Для случая, когда берутся только два основных цвета:

На самом деле вместо красного, зеленого и синего мы могли бы взять какие угодно цвета, но просто путем смешения красного, зеленого и синего можно получить наибольшую комбинацию цветов. Очевидным объяснением этого факта являются особенности человеческого зрения и наличие в зрительном аппарате человека трех цветоощущающих рецепторов, каждый из которых является чувствительным к красным, зеленым и синим лучам. Таким образом, образование цвета с помощью трех излучателей синего, зеленого и красного цветов можно рассматривать как направленное возбуждение трех цветовых рецепторов глаза, в результате чего получается возможность вызывать у зрителя ощущение того или иного цвета.

По подобной схеме происходит образование цветного изображения на экране видео- и компьютерного монитора, телевизора, ЖКИ-проектора и в других устройствах, которые для синтеза цвета используют излучения трех основных цветов либо (для устройств ввода изображения) разлагают изображение на основные цвета.

Поскольку для получения цвета излучения трех основных цветовсмешиваются (складываются), этот способ цветосинтеза получил наименование аддитивного (от глагола add — складывать).

Рис. 1.13. Аддитивное смешение цветов

Рисунок иллюстрирует получение аддитивной цветовой смеси на примере цветного монитора Sony Trinitron. Излучения от трех люминофоров красного (R), зеленого (G) и синего цветов (B), спектральные излучения которых показаны на рисунке, суммируются для каждой длины волны, что позволяет получить цветовую смесь, воспроизводящую в зависимости от интенсивности свечения каждого люминофора большое число различных цветов и их оттенков. Обратите внимание, что свечение красного люминофора имеет практически линейчатый спектр, что обусловлено присутствием в его составе редкоземельных элементов

В большинстве случаев, однако, складывать световые потоки трех излучателей для образования цвета не представляется технологически возможным, например, в кино, фотографии, полиграфии, текстильной и лакокрасочной промышленности.

В фотографии световой поток белого света проходит через три красочных слоя фотоматериала, сформированных желтым, пурпурным и голубым красителем. В полиграфии световой поток проходит через слой желтой, пурпурной и голубой краски и отражаясь от поверхности бумаги проходит в обратном направлении, формируя цветное изображение.

В результате прохождения светового потока белого света через слой красителя либо пигмента происходит избирательное поглощение части энергии спектра излучения, в результате чего световой поток приобретает ту или иную окраску.

Таким образом получается возможным используя в качестве модулятора цветового излучения желтый, пурпурный и голубой красители, освещаемые световым потоком белого света, получать все те же потоки красного, зеленого и синего излучений, с помощью которых можно управлять возбуждением трех цветоощущающих центров глаза.

Рис. 1.14. Субтрактивное смешение цветов

Рисунок иллюстрирует получение субтрактивной цветовой смеси на примере цветной обращаемой фотопленки путем последовательного поглощения голубым (C), пурпурным (M) и желтым (Y) красителями с плотностями C = 100%, M = 60%, Y = 20% излучения от светового источника дневного света (D65) в каждом интервале длин волн. Получаемый в результате их смешения цвет является одним из оттенков синего. Излучение, полученное в результате частичного поглощения светового потока субтрактивными красителями, может в этом случае рассматриваться как произведение спектра излучения источника света и спектров отражения красителей

В печати и полиграфии к трем желтой, пурпурной и голубой краскам еще добавляется черная. Это продиктовано, во первых, экономическими соображениями, поскольку позволяет уменьшить расход более дорогих цветных красок, а во вторых, позволяет решить некоторые принципиальные проблемы, возникающие в процессе трехцветной типографской печати в следствие несовершенства используемых печатных красок, спектр отражения которых на практике не ограничивается только желтым, только пурпурным и только голубым.

Поскольку для получения цвета световые потоки не складываются, а световой поток белого света частично поглощается в результате взаимодействия с красителем, такой способ цветосинтеза получил наименование субтрактивного (от глагола subtract — вычитать).

Источник : nordicdreams.net.ru