0 природе цвета

Известно, что мы видим окружающие предметы благодаря воздействию света на сетчатку глаза. Этот свет может быть излученным или отраженным предметами. Мы можем видеть предметы, которые излучают свет сами по себе (например, звезды, электрические лампочки, костер). Чтобы увидеть другие, не светящиеся сами по себе предметы, необходим источник внешнего света (например, фонарь). Предметы, освещенные внешним светом, становятся видимыми благодаря отражению этого света. Между глазом и предметом существует некоторая среда, через которую распространяется свет, несущий информацию о предмете. Эта среда может оказывать влияние на проходящий через нее свет. Кроме того, предметы могут частично поглощать падающий на них свет, отражая лишь некоторую измененную его часть. Например, краска является веществом, которое поглощает одну часть света, а другую — отражает. Так, падающий на предмет свет может быть белым, а отраженный — красным, зеленым, синим или каким-нибудь другим. Если на пути луча белого света установить прозрачную пленку какого-нибудь цвета, то выходной луч приобретет такой же цвет. Такие пленки обычно называют световыми (цветными) фильтрами. Иначе говоря, вещество может отражать, поглощать и пропускать через себя свет. Свет, получаемый в результате взаимодействия с веществом, отличается, в общем случае, от исходного света. Таким образом, информация о предмете, переносимая светом, претерпевает изменения из-за взаимодействия света с веществом на пути его распространения.

С точки зрения физики, свет имеет электромагнитную природу. Это означает, что свет представляет собой композицию (смесь) множества электромагнитных волн. Электромагнитная волна есть распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Колебание (периодическое изменение), как известно, характеризуется частотой, а волна — длиной. Для света частота колебаний/ и длина волны А. связаны простой формулой: f = с/А, где с — скорость света (в вакууме она равна примерно 300 000 км/с).

Луч белого света, проходя через стеклянную призму, расщепляется на множество лучей различного цвета — от красного до фиолетового (цвета радуги), образуя так называемый спектр цветов. Дело в том, что угол преломления луча света, проходящего через призму, зависит от его длины волны. Поскольку белый свет является смесью электромагнитных ноли различной длины, то каждая волна после призмы распространяется по своему направлению. Красный луч испытывает наименьшее отклонение, а фиолетовый — наибольшее. Одноцветные лучи, называемые монохроматическими, проходя через призму, уже не разлагаются на другие цвета.

Рис. 2. Луч белого света, проходя через призму, разлагается на цветные составляющие

Видимый цвет однозначно определяется длиной волны соответствующего излучения. Электромагнитные волны, которые воспринимает наше зрение, лежат в области примерно от 0,75 до 0,4 мкм. Левой границе соответствует красный цвет, левее находится диапазон инфракрасных (тепловых) волн, а еше левее (0,3 мм—30 000 м) расположены радиоволны. Правой границе видимого диапазона волн соответствует фиолетовый цвет, правее находятся ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма- и космические лучи. Инфракрасные лучи наш глаз не чувствует, но они воздействуют, например, на термометр. Ультрафиолетовые лучи также невидимы, но они способны заставить светиться люминофор — вещество, применяемое в электронно-лучевых трубках мониторов.

Рис. 3. Спектр электромагнитных волн

Итак, обычный белый свет является композицией множества других цветов. Все люди с нормальным зрением уверенно различают семь цветов радуги и множество промежуточных оттенков. В общей сложности человеческий глаз различает несколько миллионов цветов.

Если лучи различных цветов с помощью линз и зеркал сфокусировать (т. е. смешать) в один пучок, то вновь получим белый цвет. Опыты по разложению белого света на цветные составляющие и сведению их снова в белый луч впервые провел И. Ньютон в XVII веке. Путем смешения лучей различных цветов можно получать другие цвета, даже такие, которых нет в спектре разложения белого цвета. Различные цвета можно получать и смешением красок. Однако цвет, возникающий в результате смешения цветных лучей света, будет отличаться от цвета, полученного смешением аналогичных красок. Например, красный, зеленый и синий лучи света вместе дают белый цвет, а смешение соответствующих красок — грязно-коричневый. Попробуйте зачертить на одном месте бумаги сначала красным карандашом, потом зеленым и синим. Никакого подобия белого цвета вы не получите. Дело в том, что цвета красок мы видим в отраженном свете, который отличается от падающего. Видимый отраженный цвет получается в результате поглощения части падающего света. Таким образом, чтобы предсказать, какой цвету нас получится, необходимо знать, что мы будем смешивать — лучи света или краски. Все сказанное имеет прямое отношение к компьютерной графике. Мониторы отображают цвета в результате смешения цветных лучей света, испускаемых люминофорами, а печатающие устройства — смешивают краски, т. е. вещества, обладающие способностью поглощать одну часть лучей света и отражать — другую.

Оказалось, что почти все цвета можно получить путем смешения в подходящих пропорциях только трех так называемых базовых цветов. Например, в качестве базовых цветов можно взять красный, зеленый и синий, если смешивать лучи света. Если же смешивать краски, то базовыми будут голубой, пурпурный и желтый цвета. Важно, что количество базовых цветов невелико. Это позволяет довольно компактно представлять информацию о цвете в памяти компьютера. Именно это обстоятельство, обнаруженное физиками несколько столетий назад, открыло перспективу для создания техники воспроизведения и хранения графической информации. Открытие возможности представления практически любого цвета через несколько базовых подобно изобретению азбуки в письменности.

Говоря о цветах, часто используют термины тон и оттенок, а также тени, средние тона и света. Под тоном обычно понимают спектральный цвет или цвет, полученный смешением базовых цветов максимальной яркости. Изменяя (уменьшая яркость) данного цвета, получают его оттенки. Под тенями имеют в виду области изображения низкой яркости (освещенности). Аналогично, средние тона — участки изображения средней яркости, а света — участки высокой яркости. Если смешать лучи трех базовых цветов (красного, зеленого и синего) одинаковой яркости, то получится некий оттенок серого цвета. Сохраняя одинаковость яркостей составляющих, но изменяя величину яркости, можно получить всю шкалу оттенков серого цвета (grayscale), от черного до белого. Изображения, выполненные в оттенках (или градациях) серого цвета, называют полутоновыми.

А теперь мы рассмотрим важную характеристику света, которая называется температурой. Дело в том, что современные мониторы, а также фотопленки характеризуются, помимо прочего, величиной цветовой температуры, и фотохудожники, кинооператоры и полиграфисты не могут ею пренебречь. Более того, профессионалы в значительной мере отличаются от любителей тем, что хорошо понимают и умело используют это понятие в своей практике. Мы различаем зимний и летний полуденный белый свет в ясную погоду, отличаем утренний и вечерний белый свет от ясного неба. Мы уж не говорим о различиях белого света при различных вариациях состояния атмосферы: облачность, туман, видимость солнца и т. п. А как насчет освещения ламгкши в помещении? Лампы могут быть обычными, т. е. лампами накаливания, а также дневного света с различными наполнителями. Лампы дают нам белый, но особенный свет. И эти различия белого света можно описать количественно, просто через температуру света.

Откуда взялось понятие «белый свет»? Белый свет исходит от Солнца, неба (даже тогда, когда Солнца не видно), электрических ламп. Таким образом, белый свет создается природой и искусственными приборами. Вместе с тем, при его изучении выяснились следующие весьма любопытные обстоятельства.
Как уже отмечалось, белый свете помощью обычной стеклянной призмы можно разложить на множество составляющих различного цвета. Эту разноцветную шкалу обычно называют спектром. Но спектр это не просто шкала цветов. Каждый участок этой шкалы характеризуется еще одной характеристикой — мощностью (яркостью, интенсивностью) излучения в соответствующем диапазоне волн. Вспомним, что свет (излучение, распространяющееся в виде волны) воспринимается глазом как окрашенный в тот или иной цвет в зависимости от длины волны. Таким образом, мы могли бы представить спектр как некоторую кривую в системе координат, по горизонтальной оси которой отложены значения длины волны, а по вертикальной — энергия излучения. Вдоль горизонтальной оси дополнительно можно растянуть линейку соответствующих цветов, для наглядности. Чтобы идти дальше, нам понадобится еще одна абстракция: так называемое абсолютно черное тело. Но сначала скажем о просто черном теле.

Понятно, что это — любое тело, воспринимаемое нами как окрашенное в черный цвет. Например, черная бархотка, нагуталиненные сапоги, сажа и т. п. Мы уже знаем, что черное тело потому и черное, что поглощает почти все составляющие падающего на него белого цвета. Так вот: абсолютно черное тело поглощает абсолютно все падающее на него электромагнитное излучение (в том числе и белый свет) и ничего не отражает. Однако если абсолютно черное тело нагреть, то оно начнет излучать. Спектр этого излучения зависит только от температуры нагрева тела и не зависит от природы его материала. Напомним, что спектр — это распределение энергии излучения по длинам волн. На рисунке показана зависимость энергии Е излучения абсолютно черного тела от длины волны , излучения и температуры Т.

Рис. 4. Распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела

Обратите внимание на то, как зависит длина волны, при которой энергия излучения максимальна, от температуры. В результате опытов В. Вин вывел формулу этой зависимости:

*T = k,

где k — постоянный коэффициент, называемый постоянной Вина;
Т — температура излучающего тела.

Из этой зависимости, называемой также законом смещения Вина, следует, в частности, что чем выше температура нагретого тела, тем короче волны, на которые приходится максимум энергии излучения.

Абсолютно черного тела в природе не существует, это всего лишь абстракция. Однако хорошим приближением к нему является устройство, состоящее из замкнутой полости, внутренняя поверхность которой нагрета до некоторой температуры. В этой полости есть отверстие, малое по сравнению с ее размерами. Если свет пройдет через это отверстие внутрь полости, то, многократно отражаясь от ее внутренних стенок, он не выйдет наружу (с вероятностью, близкой к 1). Подобные устройства, с высокой точностью моделирующие абсолютно черное тело, применяют в качестве световых эталонов и используют при измерениях высоких температур. Однако чаще всего в обычной практике в качестве эталона используют раскаленную добела нить электрической лампы.

Рис. 5. Модель абсолютно черного тела. Все излучение, падающее на него, полностью поглощается
Температуру света (излучения) измеряют в градусах по шкале Кельвина. Это линейная шкала, в которой 0 соответствует примерно -273 градусам по шкале Цельсия. Ноль градусов по Кельвину называют абсолютным нулем температуры. При этой температуре, согласно физике, ничто не движется и ничто не излучается. Когда мы говорим, что белый свет имеет температуру Т градусов по Кельвину, то это означает, что он имеет такой же спектр, что и излучение абсолютно черного тела, нагретого до указанной температуры. Аналогично, если мы говорим, что, например, красный цвет и мест температуру Т, то это означает, что он имеет такой же вид, что и красный цвет в спектре абсолютно черного тела, нагретого до температуры Т.

Понятие абсолютно черного тела ввел в науку Г. Кирхгоф в 1859 г., а объяснение различий света в зависимости от времени суток, сезона и атмосферной обстановки дал Рэлей на рубеже XIX и XX вв.

В следующих таблицах представлено соответстние между некоторыми источниками белого смета и температурой и градусах по шкале Кельвина.

Таблица 1. Цветовые температуры, соответствующие различным условиям дневного освещения

Таблица 2. Цветовая температура искусственных источников света

Понимать, что такое температура света, а также умело использовать свет на практике особенно важно для фотографов, кино- и видеооператоров, а также для полиграфистов. Фотографы решают задачу, как будет выглядеть изображение при съемке на ту или иную пленку при том или ином освещении. Например, вид, воспринимаемый нами как голубоватый в условиях ночной съемки, может оказаться при печати зеленоватым. Дело в том, что фотопленка рассчитана на освещение белым светом определенной температуры (с допуском порядка 3000°К). Если вы снимаете ночью (даже со вспышкой), то температура белого света ночного освещения будет совсем другой, что и отразится на результатах съемки. Фотограф-профессионал может использовать подобные цветовые сдвиги для реализации своих художественных замыслов, а любитель обычно оказывается в недоумении и пытается стихийно сменить тип (марку) пленки. Кино- и видеооператоры обычно проявляют свое понимание температуры света, выбирая источник освещения сцены съемок. Для полиграфии важно, какую температуру имеет белый цвет бумаги, на которой будет производиться печать. Белая бумага может быть ослепительно белой, желтоватой, голубоватой и других оттенков. Одни и те же краски на различной белой бумаге будут выглядеть по-разному.

Следует отметить, что «психологическая» температура цвета отличается прямо противоположным образом от той, которую мы рассмотрели выше. Какой цвет, красный или синий, имеет большую температуру? Психологически мы считаем более теплыми те цвета, которые ближе к красному концу спектра, и наоборот, синий и фиолетовый цвета мы оцениваем как холодные. Однако с точки зрения теории излучения красный цвет имеет более низкую цветовую температуру, а синий — более высокую. Вспомните, как говорят о температуре звезд: охлаждающийся красный карлик и горячая голубая сверхновая звезда. Другой пример: нагревая металл, мы видим, что его цвет с увеличением температуры изменяется от красного к желтому и даже белому (если довести его до «белого каления»). Дело в том, что по закону Вина длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его температуре (см. графики зависимости энергии от длины волны и температуры). Чем выше температура тела, тем больше доля мощности излучения в области коротких длин волн (т. е. в области синих тонов). С увеличением температуры их роль в формировании белого цвета усиливается. Поэтому если тело представляется вам красным, то оно еще не очень разогрето, а если оно имеет голубой оттенок, то это означает, что температура его столь высока, что влияние синей части спектра стало заметным. Общее же правило таково: чем короче длина волны излучения, тем выше его температура. Здесь можно ожидать вопрос: красное и синее пятна на листе бумаге имеют совершенно одинаковую температуру, так почему же вы говорите о том, что одно из них горячее другого? Напомним, что речь идет не о температуре красок или других цветных предметов, которую можно измерить термометром, а о температуре абсолютно черного тела, которое излучает такие же спектральные составляющие, что и те, с которыми мы имеем дело в данный момент времени. Например, цвет изображения фотосферы Солнца на бумаге имеет температуру примерно 6000°К. Такова и реальная температура внешней оболочки Солнца, которая излучает видимый свет. Однако Солнце на бумаге не обжигает, не греет и даже не светит. Таким образом, речь идет не о температуре как мере тепловой энергии, а о цветовой температуре, имеющей к теплу опосредованное (через абсолютно черное тело) отношение. Кстати говоря, именно путем анализа спектра измеряют температуру звезд.

Теперь рассмотрим особенности восприятия цвета глазом человека. В области видимого света чувствительность глаза очень высока. Если человек долгое время находился в темноте, то его глаза приспосабливаются к восприятию очень малых световых потоков. В таких условиях, как установил С. Вавилов, глаз может чувствовать отдельные фотоны (кванты света). С другой стороны, большие потоки света, превосходящие самые малые в 10 ¹² раз, не ослепляют нас. Глаз хорошо различает цвета, хотя и по-разному реагирует на монохроматические потоки света одинаковой мощности, но разной длины волны. Желто-зеленые лучи кажутся самыми яркими, а красные и фиолетовые — темными. На рисунке показана кривая видимости лучей невооруженным глазом. Яркость желтого света (= 0,555 мкм), ощущаемая глазом, принята за 1, яркость голубого ( = 0,49 мкм) при той же мощности будет равна 0,2, а яркость красного ( = 0,65 мкм) — 0,1.

Рис. 6. Зависимость относительной чувствительности глаза к монохроматическому свету от длины волны (в миллимикрометрах, ммкм)

Максимум чувствительности глаза совпадает с максимумом излучательной способности Солнца, он приспособлен именно к солнечному свету. Однако в настоящее время нет однозначного объяснения, почему желтые и зеленые лучи кажутся человеку намного ярче, чем красные и фиолетовые.

В следующих разделах мы рассмотрим основные цветовые модели, используемые в компьютерной графике.