Цветовые свойства тел и восприятие цвета

Большинство реальных объектов являются селективными отражателями, они по-разному отражают разные длины волн, т.е. их коэффициент отражения (λ) является функцией длины волны, и его можно назвать спектральным коэффициентом отражения.

Восприятие цвета поверхности зависит от двух факторов:

‑ от спектрального состава падающего на объект потока излучения;

‑ от спектрального коэффициента отражения объекта.

Это можно наглядно проиллюстрировать конкретным примером (рис.19) [8], в котором все графики построены в относительных единицах по отношению к их значениям при длине волны 555 нм. Перемножая ординаты двух кривых – спектрального коэффициента отражения поверхности (кривая 1) и относительной спектральной плотности потока излучения падающего дневного света (кривая 2) можно получить кривую 3 относительной спектральной плотности светового потока отражённого дневного сета. Максимум отражённого излучения при этом лежит в голубой части спектра. Если на поверхность падает поток излучения лампы накаливания (кривая 4), то спектральный состав отражённого потока (кривая 5) будет отличаться от того состава отраженного света, который получается при освещении поверхности естественным дневным светом. Максимум отражённого излучения переместился в зелёную область спектра.

При изменении спектрального состава падающего излучения и при изменении отражающих свойств поверхности восприятие цвета будет разным, так как разными будут кривые, характеризующие отраженный данным объектом поток. При освещении лампой накаливания будет наблюдаться следующее изменение цветов по сравнению с естественным (дневным) светом: оранжевые цвета краснеют, голубые – зеленеют, синие и фиолетовые несколько краснеют и значительно темнеют.

Цветопередача – понятие, характеризующее восприятие цветных объектов человеком при освещении этих объектов различными источниками света, спектральный состав излучения которых не совпадает со спектром излучения эталонного источника.

Цветопередача тем лучше, чем ближе восприятие цвета объекта к восприятию, обеспечиваемому освещением его эталонным (опорным) источником света.

Индекс цветопередачи R - количественная характеристика, устанавливающая соответствие между цветопередачами, обеспечиваемыми реальным и эталонным источниками света. Международное обозначение индекса цветопередачи – CRI (Color Rendering Index).

Для ЛН в качестве эталонного источника используется абсолютно чёрное тело (АЧТ), а для разрядных ламп – так называемый эталонный источник D65 (аналог облачного неба). Индекс цветопередачи может принимать значения от 1 (наихудшая цветопередача) до 100 (наилучшая).

Определяется индекс цветопередачи путём сопоставления цвета восьми эталонных образцов (красного, синего, жёлтого, зелёного, цвета кожи человека, цвета листвы и т.д.). Для каждого из этих цветов находятся частные индексы, а их арифметическое усреднение даёт индекс общий.

Максимальный индекс цветопередачи равный 100 ‑ у эталонного источника. Если R ≥ 85, то считается, что цветопередача высокая, если менее 70 – низкая.

В технических каталогах на производимые источники света (ИС) часто указывается группа цветопередачи: группе 1А соответствует R = 90…100, группе 1В – от 80 до 89, группе 2А – от 70…79, группе 2В – от 60 до 69, наконец группе 3 соответствуют индексы цветопередачи от 40 до 59.

Все излучения можно разделить на 2 группы:

1. Хроматические – имеют цветовой оттенок.

2. Ахроматические (серые) – цветового оттенка не имеют, крайними в ряду ахроматических излучений являются белый и черный.

Ахроматические цвета в спектре отсутствуют. Они присущи телам, неизбирательно отражающим падающие излучения. Их можно получить при смешивании в разных пропорциях белого и чёрного. Эти цвета нельзя характеризовать какой-либо длиной волны – они отличаются друг от друга только количественно, т.е. яркостью. Тела, которые не излучают и не отражают свет, выглядят чёрными (чёрная бархатная бумага). Из бесконечного числа серых цветов (от белого до чёрного) глаз способен различать примерно триста.

Для характеристики хроматических излучений используются одна количественная (яркость) и две качественные характеристики:

1. Цветовой тон ‑ характеризуется длиной волны хроматического излучения, к которому необходимо добавить белый свет, чтобы получить данный цвет излучения.

2. Чистота (насыщенность) цвета характеризует степень разбавления хроматического излучения белым светом.

Спектральные цвета, получающиеся при разложении света призмой, имеют чистоту 100 %, ахроматические – 0 %. Например, излучение ртутной лампы высокого давления имеет цветовой тон 489 нм и чистоту цвета 28 %, т.е. для получения цвета, совпадающего с цветом излучения этой лампы, надо смешать 28 % излучения длиной волны 489 нм и 72 % белого.

Сочетание цветового тона и чистоты цвета называется цветностью.

Для полной характеристики цвета надо знать не только цветность, но и яркость. Так, розовый цвет при малой яркости представляется как бордо, жёлтый – как коричневый, голубой – как синий

Спектральные цвета удобно изображать в виде цветового круга (рис. 20). На нём цвета располагаются в общеизвестном порядке: красный (770…620 нм) – оранжевый (620…585 нм) ‑ жёлтый (585…575 нм) – жёлто-зелёный (575…550 нм) – зелёный (550…510 нм) – голубой (510…480 нм) – синий (480…450 нм) – фиолетовый (450…380 нм). Перечисленные цвета являются «базовыми», причём первые 4 из них часто называют тёплыми, а остальные – холодными. Для того чтобы круг замкнулся, в промежуток между красным и фиолетовым добавлены, так называемые, пурпурные цвета – малиновый, вишнёвый, сиреневый и другие (они при разложении призмой не образуются).

Два цвета, расположенные напротив друг друга по диаметру цветового круга, называют дополнительными. При их оптическом смешении в равных пропорциях получится ахроматический (в частности, белый) свет.

Если смешивать в разных пропорциях любые два цветовых тона, можно получить любой другой цветовой тон, расположенный между ними на цветовом круге (правда, чистота цвета при этом падает).

Поскольку в спектре отсутствуют пурпурные цвета, их невозможно охарактеризовать цветовым тоном. По этой причине в качестве характеристики используют длину волны дополнительного цвета, добавляя к ней штрих, например, 530'.

Глаз человека различает примерно 200 спектральных и чистых пурпурных цветов. Каждый из них при разбавлении белым даёт бесчисленное множество цветов, но мы можем различать ограниченное их число. Причём это число различно для разных длин волн: от четырёх для жёлтого цвета до 25 для красного.

Как правило, для получения любого цветового тона, используют сложение трёх цветов. Как показывают исследования, цвет любого излучения может быть получен смешением трех взаимно независимых разноцветных излучений (т.е. таких, которые не могут быть получены как результат смеси двух других), чаще всего, красного, зеленого и синего. При смешивании красок результат зависит так же и от возникающих химических реакций. Поэтому в полиграфии в качестве базовых цветов обычно используют красный, жёлтый и синий.

При восприятии цвета человеком происходят процессы аналогичные оптическому смешиванию излучений. Сине-, красно- и зелёночувствительные колбочки сетчатки по-разному реагируют на излучения различной длины волны, т.е. имеют смещённые относительно друг друга кривые спектральной чувствительности (рис. 21).

Монохроматические излучения в начале видимой области вызывают раздражение только синечувствительных нейронов, вызывая ощущение синего цвета, аналогичные излучения в конце видимой области раздражают лишь красночувствительные колбочки. Большинство других монохроматических излучений вызывают раздражение рецепторов сразу двух или всех трёх типов, и восприятие цвета определяется сложением разных по мощности сигналов, поступающих от них. Если сигналы, поступающие от всех трёх типов нейронов одинаковы, возникает ощущение белого или других ахроматических цветов вплоть до чёрного (светлота определяется мощностью излучения). Аналогичное явление происходит и при сплошных спектрах излучения. Чем больше перевес в раздражении центров одного или двух типов, тем сильнее ощущается цветовой тон, отличие его от ахроматического. Всё многообразие воспринимаемых человеком цветов определяется различными комбинациями раздражений трёх групп колбочек.

Цвет можно задавать численно. Для этого его разлагают по координатам x, y, z. Количественное и качественное соответствие цвета и трех его компонентов определяется цветовым уравнением

Ц = x΄X+y΄Y+z΄Z,

где X, Y, Z – основные цвета системы, установленные МКО в 1931 г,

x΄, y΄, z΄ - координаты цвета, определяющие количество единиц основного цвета в смеси.

Цветовое уравнение следует понимать следующим образом: для получения цвета Ц необходимо смешать базовые цвета X, Y, Z, взяв их в неодинаковых пропорциях – x΄ единиц цвета X, y΄ единиц цвета Y, z΄ единиц цвета Z. Координаты цвета можно задать в относительных единицах – x, y, z, называемых координатами цветности:

x = x΄/(x΄ + y΄ + z΄); y = y΄/(x΄ + y΄ + z΄); z = z΄/(x΄ + y΄ + z΄).

Так как сумма координат цветности равна единице, то для задания цвета достаточно знать всего две независимые координаты – x и y.

Для наглядной численной характеристики цвета служит цветовой график (рис. 22), образующий причудливую фигуру, называемую локусом.

Центр графика соответствует белому цвету. Линии, окаймляющие график, являются линиями спектральных цветов (с чистотой 100 %), для которых указаны длины волн в нанометрах. Вдоль линии чистых пурпурных цветов указаны значения дополнительных длин волн. На линиях, соединяющих белый цвет со спектральными, располагаются цвета, полученные смешением спектральных с белым. Внутри графика проведены кривые равной чистоты цвета (10, 20, 30 и далее до 100 %).

Каждому цвету на графике соответствует одна единственная точка, определяемая двумя его координатами цветности – x и y. Отложив на графике эти две координаты, можно получить точку, полностью характеризующую цветность: линия, соединяющая эту точку с центром, на линии спектральных цветов указывает цветовой тон, а внутренние линии – чистоту цвета.

На восприятии цвета сказывается наличие дневной и сумеречной кривых спектральной чувствительности. С уменьшением освещенности на зрительные ощущения все больше влияют палочки, перемещая максимум кривой в область более коротких волн (рис. 6). Это подтверждает явление, описанное чешским художником Пуркинье.

Если посмотреть на растущие маки при ярком солнечном свете, то бросаются в глаза яркие желто-оранжевые цветы, тогда как тёмная зелень почти незаметна. Посмотрев на тоже растение в сумерках, мы увидим сочную зелень мака, тогда как его цветы покажутся бледными и невзрачными. Объяснением является то, что кривая спектральной чувствительности сместилась из области оранжевых волн в область зелёных.

Характерной особенностью зрения является наличие последовательного и одновременного цветового контраста.

Последовательный цветовой контраст заключается в следующем: если наблюдатель некоторое время смотрит на высвеченное на белом экране яркое зеленое пятно, которое затем гаснет, то он некоторое время будет видеть на месте зеленого пятна пурпурное (дополнительное для зелёного в цветовом круге).

Одновременный цветовой контраст заключается в способности глаза человека смешивать близ расположенные цветные объекты, создавая в восприятии наблюдателя новый цвет. Этим пользовались художники-пуантилисты (Ж. Сёра, П. Синьяк и др.), которые наносили краску на холст отдельными близко расположенными точками разного цвета, создавая иллюзию нового цвета.