Глава 1 физические основы телевидения

1.1. Свет и цвет

Видеть, а также передавать по телевидению можно лишь те предметы, которые освещены светом или сами являются его источником. Поэтому, приступая к ознакомлению с основами телевидения, необходимо прежде всего вспомнить некоторые элементы учения о свете и цвете.

Из огромного диапазона существующих в природе электромагнитных волн лишь узенький их участок в пределах 380-770 нм (нм - нанометр; 1нм=10^-9м) обладает способностью вызывать ощущение света. Волны различной длины вызывают ощущение света различного цвета. Приведем шкалу распределения диапазона световых волн между наиболее хорошо различимыми глазом спектральными (содержащимися в солнечном свете) цветами.

Длина вол­ны, нм	770 605 590 560 500 470 430 380
Спектральный цвет	Красный	Оранжевый	Желтый	Зеленый	Голубой	Синий	Фиоле­товый

В действительности глаз способен различать не семь, а гораздо больше (до 150) оттенков спектральных цветов (цветовых тонов) и около 40 пурпурных цветовых тонов (сиреневый, вишневый и т. п.), которые не являются спектральными, а образуются в результате смешения красного и синего цветов.

Если на глаз одновременно воздействуют все спектральные цвета, имеющие примерно равные энергии, то создается ощущение белого цвета.

Такое же ощущение может быть получено при воздействии на глаз только двух, но вполне определенных, цветов. Эти два цвета, создающие при смешении ощущение белого цвета, называют дополнительными. Для каждого данного цвета существует свой дополнительный цвет, например, для желтого дополнительным служит синий цвет, для оранжевого - голубой, для зеленого - пурпурный и т.д.

1.2. Светотехнические величины и понятия

Качественно и количественно световые явления характеризуются с помощью специальных светотехнических величин и понятий. Основные из них следующие.

Световой поток Ф — это интенсивность (мощность) лучистой энергии света. Единица измерения светового потока—люмен (лм).

Сила света J — это пространственная плотность светового потока. Чем плотнее концентрируется в определенном направлении излучаемая источником света энергия, тем больше сила света. Единица измерения силы света - кандела (кд).

Яркость источника света В — это интенсивность свечения его поверхности, непосредственно воспринимаемая глазом. Яркость зависит от силы света на поверхности источника света и направления ее наблюдения. Единица измерения яркости — кандела на квадратный метр (кд/м²).

Цветовой тон — это свойство светового потока, которое позволяет отличить его по цвету от других световых потоков. Цветовой тон характеризуется преобладающей (доминирующей) в данном световом потоке длиной волны д. Например, для светового потока красного спектрального цвета принято д = 700 нм, для зеленого - 546 нм, для синего - 436 нм. Пурпурные цвета характеризуются длинами волн их дополнительных цветов.

Насыщенность цвета — это степень свободы цвета от примеси белого света. Световые потоки одного и того же цветового тона, в зависимости от примеси белого света, могут иметь различную насыщенность. При этом цветовой тон не меняется, а создает лишь впечатление более блеклой окраски. Количественно насыщен­ность оценивается чистотой цвета Р, которая устанавливает отно­сительное содержание светового потока Фд чистого (спектрального) цвета в световом потоке Фо того же цветового тона: Р = Фд / Фо = Фд / (Фд + Фб), где Фб — световой поток белого цвета (Ф б = Фо - Фд).

Для чистого спектрального цвета: Фб = 0 и Р = 1; для белого цвета: Фд = 0 и Р = 0. Следовательно, чем ближе значение чистоты цвета Р к единице, тем больше насыщенность.

Цветовой тон и насыщенность определяют цветность светового потока, а его яркость определяется яркостью источника света. Таким образом, цвет является величиной трехмерной, так как характеризуется тремя параметрами — яркостью, цветовым тоном и насыщенностью.

Большинство окружающих нас предметов не является источниками света, а лишь отражает в большей или меньшей мере падающий на них световой поток Фпад, благодаря чему и делаются видимыми, т. е. являются как бы вторичными источниками света. Их светотехнические свойства характеризуются освещенностью, коэффициентом рассеянного отражения, яркостью, контрастностью и цветностью.

Освещенность Е — это плотность светового потока, распределяемая по площади (S) освещаемой им поверхности: E = Фпад / S.

Единица измерения освещенности—люкс (лк).

Падающий световой поток не только отражается освещаемой поверхностью, но может частично (или полностью) поглощаться или в случае прозрачных поверхностей пропускаться через них.

Отражающие свойства поверхностей характеризуются коэффициентом рассеянного (диффузного) отражения К = Фотр / Фпад, где Фотр — рассеянный отраженный световой поток.

Если все спектральные составляющие падающего белого светового потока отражаются, то коэффициент рассеянного отражения от поверхности близок к единице и она имеет белый цвет. Так, например, для мела, снега Y  0,95. Если же поглощаются все световые лучи, коэффициент рассеянного отражения от поверхности близок к нулю и она выглядит черной.

Поверхности частично, но равномерно, отражающие и поглощающие все спектральные составляющие белого света, приобретают серые, т. е. в той или иной мере ослабленные белые цвета (0<Y< 1).

Если поверхность отражает отдельные составляющие спектра белого света, а все остальные поглощает, то она приобретает цвет отраженного светового потока.

Яркость поверхности (как вторичного источника света) во всех случаях определяется интенсивностью падающего и отраженного световых потоков. Отдельные элементы (участки) поверхностей предметов чаще всего имеют различные яркость и цветность, и бла­годаря этому создается представление об их структуре.

При наблюдении предметов (или их изображений) существенную роль играет диапазон яркостей в поле зрения, который принято называть контрастностью К и представлять в виде отношения яркости наиболее светлого элемента предмета или изображения B max к яркости темного элемента B min, K = B max / B min. Обычно К < 100, но иногда может достигать и нескольких тысяч.