[an error occurred while processing this directive]
[an error occurred while processing this directive]

[an error occurred while processing this directive]

Основы
дизайна

1.3. Цветовое зрение

Согласно теории цветовое зрения Юнга-Гемгольца (1821-1894) ощущение любого цвета можно получить смешиванием спектрально чистых излучений красного, зеленого и синего цвета. Эта теория хорошо согласуется с наблюдаемыми фактами и предполагает, что в глазу есть только три типа светочувствительных приемников. Они отличаются друг от друга областями спектральной чувствительности. Красный свет воздействует преимущественно на приемники первого типа, зеленый - второго, синий - третьего. Сложением излучений таких трех цветов в различных пропорциях можно получить любую комбинацию возбуждения всех трех типов светочувствительных элементов, а значит и ощущение любого цвета. Если все рецепторы возбуждены в одинаковой степени, мы имеем ощущение белого цвета, если рецепторы не возбуждены - черного. По этой причине, накладывающиеся области красного, зеленого и синего цвета выглядят как белое пятно. Наложение красного и синего цвета дает фиолетовый цвет, зеленого и синего - бирюзовый, красного и зеленого - желтый. [an error occurred while processing this directive]

На рис. 6 показана кривая спектральной чувствительности глаза среднего человека, называемая также кривой относительной световой эффективности или кривой видности. Глаз наиболее чувствителен к зеленым лучам, наименее - к синим. Эта кривая не что иное, как КПД человеческого глаза. По ней легко определить, какая часть попавшего в глаз света "полезно используется" для создания светового ощущения.

Рис. 6
Спектральная чувствительность глаза.

Как видно, для того чтобы синий цвет казался человеку таким же ярким, как желтый или зеленый, его реальная энергия должна быть в несколько раз выше. Экспериментально установлено, что среди излучений равной мощности наибольшее световое ощущение вызывает монохроматическое желто-зеленое излучение с длиной волны 555 нм. Относительная спектральная световая эффективность (обозначаемая буквой v) этого излучения принята за единицу. При этом, как видно из рисунка, спектральная чувствительность зависит от внешней освещенности. В сумерках максимум спектральной световой эффективности сдвигается в сторону синих излучений - на длину волны 510 нм. Отличие между этими двумя кривыми видности объясняется тем, что дневной и сумеречный свет воспринимаются различными рецепторами глаза (палочками при сумеречном свете и колбочками при дневном свете). При этом палочки обеспечивают черно-белое зрение и обладают очень высокой чувствительностью. Колбочки же позволяют человеку различать цвета, но их чувствительность гораздо ниже. В темноте работают только палочки - именно поэтому ночью воспринимаемое изображение серое.

Как мы можем видеть из кривой видности, глаз способен воспринимать свет на длинах волн примерно от 400 нм до 760 нм. В условиях адаптации к темноте глаз может также немного видеть инфракрасный свет с длиной волны до 950 нм и ультрафиолетовый свет с длиной волны не меньше 300 нм. Границы частотного диапазона видимого света, а также сама форма кривой видности человеческого глаза были сформированы в процессе длительной эволюции, приспособившись к условиям освещения земных предметов солнечным светом, а также к условиям сумеречного и ночного освещения. Действительно, было бы биологически нецелесообразно, если бы глаз обладал способностью принимать излучение с длинами волн короче 290 нм, так как из-за наличия озонового слоя в атмосфере земли, поглощающего ультрафиолетовые лучи, спектр солнечного излучения вблизи поверхности Земли практически обрывается на длине волны 290 нм. С другой стороны, из-за теплового излучения самого глаза, его высокая чувствительность к инфракрасному излучению сделала бы невозможной работу глаза в условиях солнечного освещения.

Спектральная чувствительность глаза прямо связана со степенью восприятия данного цвета человеком. Разные цвета, которые занимают равную площадь и имеют одинаковую яркость и насыщенность, с точки зрения восприятия их человеком, имеют совершенно разную степень влияния. Это необходимо учитывать при конструировании композиций. На рис. 7 приведена гистограмма, на которой показаны усредненные величины влияния каждого цвета, по сравнению с максимальным (желтым).

Рис. 7.
Степень восприятия разных цветов человеком

Для простоты можно пользоваться следующим правилом: чем ближе к максимуму спектральной чувствительности глаза расположен цвет, тем выше его влияние на общую композицию. Для достижения общей цветовой гармонии композиции необходимо уравновесить цвета.

Самой замечательной особенностью человеческого организма является то, что люди не могут определять величины каких бы то ни было раздражителей в абсолютном виде. Мы не в состоянии выйти на улицу и сказать: сейчас 19,863 °С, или, взглянув на яблоко, точно разложить его цвет в полиграфическую триаду. Для этого были придуманы приборы, регистрирующие абсолютные значения. Человек в состоянии определять только относительные изменения, опираясь либо на непосредственные сравнения двух разных величин, либо на сравнение величины с неким отложившимся в памяти значением. в первом случае можно добиться весьма впечатляющих результатов, во втором - только очень приблизительных.

В области цветового восприятия это приводит к тому, что мы можем различать два цвета по яркости или цветовому тону только в случае, если разница между ними превышает некоторое пороговое значение. На этом основана система измерений, связанная с отсчетом количества порогов от эталона. Число порогов различения по цветовому тону, яркости и насыщенности, естественно, ограничено. Поэтому число цветов, различаемых глазом, тоже конечно. В результате исследований определено, что глаз человека в состоянии различать до 100 тысяч цветов. При этом число различаемых цветов несветящихся тел гораздо меньше, что позволяет создавать систему оценки цвета, основанную не на измерении параметров, а на сравнении с образцом из каталога эталонов цвета.

Восприятие цветов зависит от ряда свойств зрения.

Зрительной адаптацией называется способность зрения приспособиться, подстроиться к изменившимся условиям освещения и цвета окружающих предметов (цветового фона). Адаптация бывает световая, то есть зависящая от уровня освещенности, и цветовая, которая зависит от цветовой температуры источника света и цвета окружающих предметов.

Еще одно немаловажное свойство восприятия - инерция ощущений. Под зрительной инерцией понимаются остаточные ощущения светлоты или цвета, и именно это свойство позволяет пользоваться кино, телевидением, полиграфической продукцией. Инерция связана с невозможностью моментального восстановления зрительного пигмента, распадающегося под воздействием света. так, в кино и телевидении показывают последовательный ряд картинок в различных фазах движения с частотой выше критической частоты мелькания. Поскольку предыдущий образ еще запечатлен на сетчатке, а уже экспонируется следующий, возникает ощущение непрерывности процесса. Из-за этого же свойства отдельно расположенные узкие штрихи разных цветов сливаются вместе, их цвет в мозгу складывается. Возникает ощущение нового цвета, как если бы эти две краски перемешали. За счет этого возможно, в частности, полиграфическое воспроизведение целой гаммы цветов путем растрового смешения триадных красок.

Ученые Вебер и Фехнер предложили оценивать световые и цветовые ощущения через физические величины методом пороговых приращений. К физическим величинам в данном случае относятся мощность светового потока, яркость, освещенность.

Пороги ощущения - это наименьшие изменения светлоты или цвета, которые может зафиксировать глаз. Обычно такие измерения проводят для адаптированного зрения, то есть человек в течение долгого времени (несколько часов) привыкает к уровню освещенности, вокруг него нет ярких цветов, отвлекающих внимание. Цвета или светлоты рассматриваются методом попарного сравнения и определения наименьшего порога, при котором глаз начинает различать разницу между ними, - это метод пороговых приращений.

Мощность светового потока - количественная величина, показывающая, насколько интенсивен весь поток света. Чаще используется относительное распределение мощности светового потока по спектру. Мощность светового потока измеряется в люменах.

Яркость - часть светового потока, который отражается от предмета и попадает на сетчатку глаза. Обозначается буквой В. Численно равна отношению силы света источника в рассматриваемом направлении к площади проекции светящейся или отражающей свет поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению.

Освещенность - эта величина показывает мощность светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Измеряется в люксах (лк).

Источник света - это то, что испускает свет, который, отражаясь от окрашенных поверхностей, вызывает ощущение цвета. Источник света может также сам, без отражения, вызывать ощущение цвета. Источники излучения делятся на различные типы, в зависимости от спектрального распределения излучений. Интегрально источники света характеризуются цветовой температурой. Тепловые источники света изомерны абсолютно черному телу, остальные метамерны.

Приемник излучения. Физические тела, преобразующие оптические излучения в другие виды энергии, называются приемниками излучения. Обычно в результате действия света возникает э. д. с., или изменяется окраска, или начинается химическая реакция. Приемники характеризуются общей и спектральной чувствительностью, а также линейностью реакции в определенном диапазоне.

Источник света при цветовых измерениях принято характеризовать интегральной величиной - цветовой температурой. Если источник света искусственного происхождения, то требуется также учитывать распределение мощности излучения по спектру (рис. 8).

Рис. 8.
Спектральный состав источников излучения с разной цветовой температурой.

Представьте, что мы нагреваем железный стержень, имеющий комнатную температуру. При температуре 1000 K он излучает световой поток с разными длинами волн, но основную часть составляет инфракрасное излучение, которое мы ощущаем как тепло. Когда температура железа достигает 3000 K, оно начинает излучать разнородный световой поток, но теперь он в значительной степени видим - железо раскаляется. Инфракрасные лучи все еще преобладают в световом потоке, и в его спектре красных лучей больше, чем в спектре солнечного света, поэтому раскаленное железо имеет красную окраску.

При температуре 6000 K близкой к температуре поверхности Солнца, наибольшая часть светового потока находится в видимой части спектра, и в нем доминируют сине-зеленые лучи. Мы видим, что железо раскалилось добела. Считается, что источник света с подобным составом спектра, имеет цветовую температуру 6000 K и при таком свете цвета выглядят естественными.

Если нагреть железо до точки испарения, а затем нагреть пар до 20000 K, то пиковое излучение будет ультрафиолетовым, невооруженному глазу цвет покажется ослепительно синим. Так, как свет голубого неба при некоторых условиях имеет то же спектральный состав, считается, что его цветовая температура равна 20000 K. Эта цифра не имеет отношения к действительной температуре воздуха на какой-либо высоте, поскольку атмосферные газы не излучают, а рассеивают небесный свет. Цветовая температура - удобный способ обозначения цветности светового источника естественного или искусственного света, но ее не следует путать с тепловой температурой источника света.

Для того чтобы перейти к рассмотрению цветовой температуры, необходимо ввести понятия черного тела и серого тела. Под черным телом в физике понимается тело, которое при любой температуре поглощает все падающее на него излучение с любой длиной волны, ничего не отражая (рис. 4в). Серое тело, в отличие от черного, не полностью поглощает падающее на него излучение, однако равномерно ослабляет излучение с любой длиной волны (рис. 4б). У серого тела коэффициенты отражения для всех длин волн одинаковы.

Черное тело, как и все остальные тела, при нагревании начинает излучать. И поскольку оно поглощает весь падающий на него свет, то спектральный состав излучения черного тела будет зависеть только от его температуры, то есть на спектр излучения черного тела не влияет свет, падающий на него от другого источника, поскольку он полностью поглощается.

Черное тело обладает максимальной способностью поглощать излучение в любой области спектра. Поэтому черное тело обладает и максимальной излучающей способностью в любой части спектра.

Общим для серых и черных тел является то, что в их спектрах излучения при одинаковой температуре совпадает распределение энергии, то есть нагретые до одинаковой температуры черное и серое тела имеют одинаковый процентный спектральный состав. Единственная разница в том, что мощность излучения серого тела меньше мощности излучения тела черного.

Цветовая температура - это воображаемая температура, при которой черное тело имело бы такой же спектр излучения, как и данное тело.

В физике понятие цветовая температура используется для определения температуры серых и черных тел по длине волны, энергия которой в спектре максимальна. Формула выглядит следующим образом:

    Цветовая температура = 0,0029/Длина волны, при которой мощность излучения максимальна

Таким образом была определена температура Солнца (около 6500 К) и других звезд. Понятие "цветовая температура" в физике относится к тепловым источникам света и указывает, как распределится энергия по разным длинам волн в спектре источника света. Однако монитор не является тепловым источником - он же, в конце концов, не разогревается, как "лампочка Ильича"! Поэтому понятие "цветовой температуры" для монитора и других нетепловых источников света (люминесцентных ламп, отражающих поверхностей и пр.) можно определить следующим образом: цветовая температура источника света - это такая температура, при которой черное тело имело бы такой же спектр излучения, как и данный (нетепловой) источник света.

Например, если на вашем мониторе установлена цветовая температура 6500 К, то при воспроизведении белого цвета он будет максимально приближен к спектру излучения черного тела, нагретого до этой температуры, - например Солнца. Разумеется, это не означает, что ваш монитор будет нагреваться до такой температуры; это означает только, что распределение энергии в видимом спектре излучения монитора будет соответствовать распределению энергии в видимом спектре Солнца. Таким образом, нетепловые источники света метамерны идеальному черному телу. В таблице 2 приведены уровни цветовой температуры для некоторых источников света.

Таблица 2.
Цветовая температура некоторых источников света

Источник света

Лампы накаливания
Люминесцентные лампы
Ксеноновые лампы
Импульсные ксеноновые лампы (вспышки)
Дневной свет
Северное небо
Голубое безоблачное летнее небо (в полдень)
Голубое безоблачное зимнее небо (в полдень)
Керосиновая лампа
Парафиновая свеча

Цветовая температура

2800-3200 К
4100 К
5290 К
6000 К
6500 К
7500 К
15000 - 30000 К
8000 - 10000 К
2000
1800

Как можно видеть, при помощи цветовой температуры можно охарактеризовать даже цвет неба. Этот способ широко применяется в фотографии для характеристики «фотографического» состояния атмосферы в разное время суток. Известно, что в течение дня цветовая температура неба изменяется, что необходимо учитывать для правильного цветовоспроизведения на фотографиях.

В полдень при ясной погоде на цвет небесного света влияет рассеивание его атмосферой. Синие лучи рассеиваются в гораздо большей степени, чем красные, а ультрафиолетовые в большей степени, чем синие. В результате красные лучи проходят атмосферу с меньшими потерями.

Когда в воздухе много водяных паров, частиц пыли или тумана, это сказывается в первую очередь на коротковолновых лучах. И так как эти частицы поглощают часть синих лучей, то у пасмурного неба меньше голлубых тонов, чем у ясного, и его цветовая температура около 9000 K. В свете, пропущенном облаком, голубых тонов и того меньше. Утром и вечером, когда солнечному свету приходится преодолевать более толстые слои атмосферы, чем в случае, когда солнце в зените. Активное поглощение синих лучей, даже при относительно ясной погоде, вызывает появление красных отблесков у рассветного и закатного солнца, знакомых нам по фотографиям, сделанным при таком освещении.

[an error occurred while processing this directive]

[an error occurred while processing this directive]

[an error occurred while processing this directive]

[an error occurred while processing this directive]