2. Основные величины, характеризующие цвет в психофизике (световой поток, яркость, освещённость, световая отражающая и пропускающая способности). Их объективность.

ОСНОВНЫЕ СВЕТОВЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ

Световой поток — мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на глаз. Измеряется в люменах (лм).

Сила света — световой поток, распространяющийся внутри телесного угла, равного 1 стерадиану. Измеряется в канделах (кд).

Освещенность — величина светового потока, падающего на единицу поверхности. Измеряется в люксах (лк).

Яркость поверхности — отношение силы света, излучаемого в данном направлении, к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Яркость—единственная из световых величин, которую глаз воспринимает непосредственно. Она не зависит от расстояния рассматривания. Единицей измерения служит кандела с квадратного метра (кд/м^2).

Количество освещения (экспозиция) — это произведение освещенности (фотослоя) на время освещения (выдержку). Единицей измерения является люкс-секунда (лк-с).

Цвет-

свойство излучения ( испускаться и отражаться), которое оценивается по действию изменения на глаз ( т. е. по ощущению).

Явление цвета- 3 процесса.

1. Физический процесс. Излучение или отражение световой энергии (объективно). Мощность излучения, интенсивность, длина волны, -объектив

2. Психофизический процесс. Действие световой энергии на глаз, которое заканчивается ощущением цвета. Яркость, спектральный состав, чистота цвета.

3. Психологический процесс. Ощущение и восприятие цвета.

белым.

психология	психофизика
Светлота Цветовой тон Насыщенность Зависят друг от друга Чем больше насыщенность тем меньше светлота. При пониженной насыщннности мы различаем 20 градаций, при пониженной освещенности до 64 градаций. Количество градаций по светлоте. Средний наблюдатель различает 80 тонов. Эффект БУркинэ. Насыщенность до 25 градаций.	Яркость Цветность Чистота цвета Независимы друг от друга.

Трактовка цвета как зрительного ощущения основана на материалистической теории отражения, согласно которой ощущение — это отражение объективного мира, единственный источник познания окружающей действительности. «Ощущение, - писал основоположник теории отражения В. И. Ленин, - есть действительно непосредственная связь сознания с внешним миром, есть превращение энергии внешнего раздражения в факт сознания» [81, с. 317]. «Лучи света, - писал также В. И. Ленин, - попадая на сетчатку, производят ощущение цвета. Значит, вне нас, независимо от нас и от нашего сознания существует движение материи, скажем, волны эфира определенной длины и определенной быстроты, которые, действуя на сетчатку, производят в человеке ощущение того или иного цвета» [81, с. 321]. Материалистически-естественнонаучное определение природы цветового зрения указывает на необходимость рассматривать ощущение цвета как явление, обусловленное, с одной стороны, воздействием на наш зрительный орган объективно, вне нас существующей материи, с другой — способностью сетчатки нашего глаза реагировать на это воздействие, вызывать цветовые ощущения. Согласно современным естественнонаучным представлениям а, то, что мы видим как цвет, представляет собой «комбинированное воздействие: 1) 39 спектрального распределения светового потока из дающего энергию источника света; 2) физических и / или химических свойств всех материалов, пропускающих или отражающих световой поток (по меньшей мере часть светового потока, переориентированную в сторону глаза); 3) физиологической реакции глаза на световой поток, включающей в себя нервные импульсы, передаваемые в ту часть коры головного мозга, которая отвечает за зрение; 4) переработки нашим мозгом этих сигналов в сочетании с сигналами из соседних областей поля зрения, нашими воспоминаниями о сходных ситуациях, имевших место в прошлом опыте»

 Поскольку цвет, в строгом смысле слова, непосредственно возникает только в сознании человека (в природе цветов не существует - есть ли различные длины световых волн), то можно говорить о двух различных трактовок цвета как естественнонаучного предмета познания: 1) психофизическом или колометрическом цвете, который включает в себя цветоощущение и объективное измерение его характеристик с помощью приборов;

2) психофизиологическом цвете, который связан с цветовосприятием, или, строго говоря, с "отработкой" того психофизического цвета в форме цветового образа, который возникает вслед за глазом в мозгу при восприятии цветного объекта.

Световой поток (F) - мощность лучистой энергии, оцениваемая по световому ощущению, которое она производит на человеческий глаз. Единица измерения (ЛМ).

Световой поток Ф, люмен (лм) – часть потока световой энергии, которую воспринимает и оценивает орган зрения человека. Полный световой поток характеризует излучение, распространяемое от источника по всем направлениям. Для практических целей важнее оценить поток, идущий в определенном направлении или падающий на конкретную поверхность (площадь).

Сила света (I)- пространственная плотность светового потока

где   - телесный угол в стерадианах.

Единицей измерения является кандела (КД), которая является основной световой величиной, на которую существует государственный световой стандарт. Кандела - сила света с площади платиновой пластины равной 1/600000 м² при температуре затвердевания платины (2042 К) и давлении 101325 Па.

Освещенность (Е)- плотность светового потока на освещенной поверхности

где S - площадь поверхности. За единицу измерения принят люкс (ЛК).

Яркость поверхности (L)- отношение силы света dF излучаемого элемента поверхности dS под углом   к проекции этого элемента на плоскость, перпендикулярную лучу зрения.

 Яркость

Яркость поверхности S — это отношение силы света, излучаемой этой поверхностью в каком-либо направлении, к площади проекции этой поверхности на плоскость, перпендикулярную выбранному направлению. Как известно, площадь проекции какой-либо плоской поверхности на другую плоскость равна площади этой поверхности, умноженной на косинус угла между плоскостями. Если для светового потока, силы света и освещенности существуют специальные единицы измерения (люмен, кандела и люкс), то для единицы измерения яркости специального названия нет. Правда, в старых (до 1963 года) учебниках по физике, светотехнике, оптике и в другой технической литературе было несколько названий единиц измерения яркости: в русскоязычной — нит и стильб, в англоязычной — фут-ламберт, апостильб и др. Международная система СИ ни одну из этих единиц не приняла, а принятой единице измерения яркости специального названия не придумала. За единицу измерения яркости сейчас во всех странах принята яркость плоской поверхности, излучающей силу света в 1 кд с одного квадратного метра в направлении, перпендикулярном светящей поверхности, то есть 1 кд/м2. От чего же зависит яркость предметов? Прежде всего, конечно, от количества попадающего на них света. Но в приведенном примере на все предметы, лежащие на столе, попадает одинаковое количество света. Значит, яркость зависит и от свойств самих предметов, а именно — от их способности отражать падающий свет.

Световой  поток (F) является термином, который используют, чтобы указать, что мы измеряем электромагнитное излучение (свет) в показателях световой кривой, то есть принимая во внимание то, как "видит" излучение глаз/мозг человека. Световой поток, измеряемый в люменах, является признаком количества потока. Один люмен определяется как: "световой поток, излученный в пространственном угле объекта точечным источником с силой света в одну канделу".

Освещенность (E) или освещение измеряет общий световой поток, падающий на поверхность. Он измеряется в единицах люмен/площадь объекта, то есть люмен/м²или люмены/фут².

Единица измерения освещенности люмен/м² известна, как люкс, а единица люмен/фут2 известна, как фут-кандела. Люкс является предпочтительным термином для телевидения (кроме США); однако единица фут-кандела применялась с самого начала кинематографии и до сих пор используется большинством кинематографистов. Множество измерителей падающего света до сих пор используют шкалу в фут-канделах. Формула перевода имеет вид 10,76 люкс = 1 фут-кандела (коэффициент перевода квадратных метров в квадратные футы), хотя в большинстве случаев для простоты все сводится к умножению на 10, например, 300 люкс = 30 фут-кандел.

Четвертой единицей является яркость (L), измеряющая свет, отраженный от поверхности. Когда поверхность отражает весь световой поток со значением 1 люмен/м², считается, что яркость равна 1 Апостильбу.

Коэффициенты пропускания и поглощения

Доля света, которая проходит сквозь материал, характеризуется коэффициентом пропускания, а доля, которая поглощается — коэффициентом поглощения. Соотношения между этими тремя коэффициентами — отражения, поглощения и пропускания — могут быть самыми разными, но во всех без исключения случаях сумма трех коэффициентов равна единице. В природе нет ни одного материала, у которого хотя бы один из трех коэффициентов был равен 1. Наибольшее диффузное отражение имеют свежевыпавший снег, химически чистые сернокислый барий и окись магния. Наибольшее зеркальное отражение у чистого полированного серебра и у специально обработанного алюминия.

Коэффициент отражения поверхности ρ характеризует способность поверхности отражать падающий на нее световой поток; определяется отношением светового потока F_отр, отраженного от поверхности, к падающему на нее световому потоку F_пад:

ρ=F_отр/F_пад.

Телесный угол ω - часть пространства, ограниченная конусом с вершиной в центре сферы, опирающимся на поверхность. Телесный угол определяется отношением площади S, которую конус вырезает на поверхности сферы, к квадрату радиуса R этой сферы.

Единицей телесного угла является стерадиан (СР)

ω=S/R².

Освещенность Е - плотность светового потока на освещаемой поверхности. Эта величина равна отношению светового потока F к площади освещаемой поверхности S при условии его равномерного распределения. Единицей освещенности является люкс (лк), равный освещенности, создаваемой световым потоком в 1 лм, равномерно распределенным на площади в 1 м² (рис. 35).

3.3. Количественные характеристики цвета – яркость, качественная – цветность и чистота цвета (привести примеры на конкретных цветах). ЯРКОСТЬ - это отношение величины потока света, отраженного от данной поверхности, к величине потока света, на нее падающего.  Измеряется коэффициентом отражения.  ЧИСТОТА - это процентная доля чистого спектрального цвета в общей яркости данного цвета. Зависит от степени "разбавления" спектрального, цветового тона белым, черным или серым (Пример: зеленый цвет имеющий цветовой тон 530 нм и насыщенность (чистоту) - 0,7, представляет собой спектральный цветовой тон с длиной волны 530 нм, состоящий на 70% из чистого зеленого (данного цветового тона) и на 30% из е=белого цвета) ЦВЕТНОСТЬ - качество цвета, определяемое длиной световой волны (в нм) и приравниваемое к одному из спектральных или неспекртральных (пурпурных) цветов.

Ощущение количества излучения (яркость) и качества излучения (цветность) едино и определяется как ощущение цвета.

Таблица 2. Термины, используемые при описании световых явлений

	Физика	Психофизика	Психология
Источник	мощность излучения, Ф, Вт	световой поток, F, лм	-
Излучение, падающее на поверхность	энергетическая яркость (интенсивность) I = ·	яркость B = ·	светлота* источника (больше, меньше, одинаково), L
	облучённость E=Ф/S, Вт/м2	освещённость E=F/S, лк	светлота поверхности
Отражённое излучение	энергетическая отражающая способность , где Ф0 –мощность падающего излучения, Фρ – отражённая мощность излучения.	световая отражающая способность где F0 – падающий световой поток, Fρ – отражённый световой поток.	светлота поверхности - видимая яркость поверхности
Пропущенное излучение	энергетическая пропускающая способность , где Ф0 – мощность падающего излучения, Фτ – пропущенная мощность излучения.	световая пропускающая способность , где F0 – падающий световой поток, Fτ – пропущенный световой поток.	светлота пропускающей свет поверхности

*светлота – световое ощущение (визуальная яркость), обозначает только зрительную оценку света реальным наблюдателем.

Цвет характеризуется в физике интенсивностью излучения и его спектральным распределением. В психофизике тремя характеристиками: количественной – яркостью, качественной – цветностью, за которую отвечает доминирующая длина волны, и как бы концентрацией цвета – чистотой цвета. В психологии зрительное ощущение цвета создаётся тремя характеристиками: светлотой, цветовым тоном и насыщенностью.

Цветность и цветовой тон определяют качество цвета. За них отвечает в объективных измерениях длина волны – для монохроматических излучений или чистых цветов, или доминирующая длина волны – для смешанных цветов. Цветовой тон – ощущение света с определённой длиной волны, он обусловлен свойствами зрительного восприятия человека, является субъективной характеристикой.

Спектральная характеристика излучения полностью определяет цвет, но наблюдаемый цвет не определяет своего спектрального состава, вызвавшего данное цветовое ощущение. Объяснение этому кроется в метамерии цветов: цвета различного спектрального состава, могут вызывать у человека одинаковое ощущение цвета.

Яркости и светлоте в физических измерениях соответствует интенсивность излучения. Интенсивность излучения − это яркость, измеренная методами энергетической фотометрии, т.е. это объективная физическая величина, не зависящая от спектральной чувствительности глаза.

Яркость – это интенсивность, определённая в видимом диапазоне спектра в соответствии со спектральной чувствительностью глаза (кривая видности), т.е. – объективная (не зависящая от других параметров цвета: цветности и чистоты цвета) величина визуальной фотометрии. Её можно, как и интенсивность, измерить с помощью соответствующих приборов. Светлота, или субъективная яркость – мера светового ощущения – не измеряется.

Таблица 2. Терминология Комитета по колориметрии Американского оптического общества (OSA)

Физика	Психофизика	Психология
зрительный стимул	свет	зрительное ощущение	зрительное восприятие
лучистая энергия	световая энергия	цветовое ощущение	восприятие цвета
спектральный состав	цвет
Характеристики лучистой энергии	Характеристики света и цвета	Характеристики цветового ощущения	Факторы внешнего вида, определяющие восприятие
1. Мощность излучения	1. Световой поток	1. Светлота (субъективная или визуальная яркость) - количественная характеристика цвета	1. апертура 2. источник света 3. освещённость
интенсивность (энергетическая яркость)	яркость - количественная характеристика цвета
облучённость	освещённость		Характеристики объекта
энергетическая отражающая способность	световая отражающая способность		1. поверхность 2. объём
энергетическая пропускающая способность	световая пропускающая способность		Характеристика внешнего вида
			светлота
Спектральное распределение (относительный спектральный состав, качество)	Цветность - качество цвета	Ощущение цветности	цветовой тон
			насыщенность
	2. Доминирующая (или дополнительная) длина волны) - качественная характеристика цвета	2. Цветовой тон - качественная характеристика цвета	размер
			форма
			расположение
	3. Чистота цвета* – степень приближения к монохроматическому излучению	3. Насыщенность – определяет примесь белого света в цвете	мелькание
			сверкание
			прозрачность
			глянец
			блеск

* Если обозначить яркость белого цвета B_w, а яркость хроматического цвета B_c, то чистота цвета будет вычисляться по формуле Р = B_c /(B_c+ B_w). Для чистых спектральных (монохроматических) цветов Р =1, соответственно, они являются более насыщенными. Хроматические цвета имеют чистоту цвета 0<Р<1. Ахроматические цвета являются наименее насыщенными Р=0.

Насыщенность и чистота цвета

Часто насыщенность и чистота цвета толкуются как синонимы. Под чистотой цвета в цветоведении понимают отсутствие в том или ином цвете примесей других цветов или их оттенков. Чистыми цветами в спектре считаются только три: красный, жёлтый, синий. Эти цвета называются первичными или основными. Чистота цвета - это скорее психологическое понятие, нежели физическое: «не чистый» оранжевый тоже может быть представлен в спектре волнами определённой длины.

Под насыщенностью понимают степень разбавления данного цвета белым. Чем больше разбавления цвета белым, тем менее насыщенным он становится. Например, синий цвет имеет насыщенность 20 %. Это значит, что он состоит из 20 % синего и 80 % белого.

Цветовой тон и насыщенность являются качественными характеристиками цвета. Количественную сторону цвета определяет светлота (яркость), т. е. количество света, отражаемого данной окрашенной поверхностью. Поэтому, кроме цветового тона и насыщенности, каждая окрашенная поверхность должна характеризоваться величиной коэффициента отражения.

Наконец, третьей характеристикой считают яркость хроматического цвета, зависящую от падающего на отраженный обьект общего светового потока. Отсюда вывод: цвета можно измерять по трем основным характеристикам — цветовому тону, насыщенности и яркости. Первые две характеристики цвета (цветовой тон и насыщенность) являются его качественными параметрами, а третья (яркость) — количественным параметром.

Термин «яркость» из области фотометрии вполне правомерно переходит в цветоведение, где выступает в роли важнейшей характеристики цвета объекта, имеющей первостепенное значение в практической экспонометрии.

Мы представляем яркость как интенсивность свечения тела и, следовательно, как количественную характеристику цвета. При этом не имеет значения, светится ли тело собственным светом или отраженным.

Яркость поверхности светящейся отраженным светом прямо пропорциональна интенсивности освещения (освещенности) и коэффициенту отражения (светлоте). Для вычисления ее служит формула:

В = Е * ρ    (1)

 

где: В —яркость (в апостильбах), Е — освещенность в  люкρсах и  — ρ  коэффициент отражения поверхности.

Как мы видим, существенное отличие яркости от светлоты состоит в том, что яркость является переменной характеристикой цветной поверхности, зависящей от ее освещенности а светлота — постоянная характеристика поверхности, независящая от освещенности.

Выражение яркости в абсолютных величинах (в апостильбах или нитах) в операторской практике необязательно. Возможно применение любой системы относительных единиц удобных для экспонометрических расчетов.

Необходимо подчеркнуть, что понятие яркости должно связываться с представлением, о каком-либо приемнике света. В практике киносъемок мы имеем дело с тремя приемниками—глазом, экспонометром и кинопленкой. В соответствии с этим мы различаем яркости: визуальную, фотометрическую и фотографическую.

Величина каждой из этих яркостей зависит от совокупности двух факторов,—энергетической яркости цвета и спектральной чувствительности приемника. В общем виде аналитическое выражение яркости представляется формулой:

 

В_λ = В_λ^эн * S_λ^пр   (2)

 

где: В_λ — величина спектральной яркости по оценке данным приемником;

В_λ^эн — спектральная энергетическая яркость цвета

S_λ^пр — спектральная чувствительность приемника.

Зная, что энергетическая яркость цвета поверхности, светящейся отраженным светом может быть представлена в виде:

 

В_λ^эн = E_λ * ρ_λ    (3)

 

где E_λ —кривая спектрального состава   освещенности

ρ_λ - кривая спектральной отражательной   способности тела, можно спектральную яркость цвета поверхности представить в более развернутом общем виде: 

 

В_λ^эн = E_λ * ρ_λ * S_λ^пр     (4)

Таким образом, любой цвет, видимый глазом, характеризуется яркостью L и цветностью. Яркость является количественной характеристикой цвета, определяющей силу воздействия на зрительный аппарат, а цветность - характеристикой, отражающей различные зрительные цветовые впечатления. Количественными параметрами цветности являются цветовой тон и чистота цвета. Количественно цветовой тон оценивается длиной волны X соответствующего монохроматического цвета, а чистота цвета - в процентах как степень разбавленности насыщенного цвета белым.

Чистота цвета. Для определения цвета, характеристика которого известна (например, X = 592 нм, Р = 48%), находим на кривой графика цвет, имеющий длину волны X = 592 нм, проводим прямую от найденной точки на кривой к точке £ и в месте пересечения прямой с дополнительной кривой, имеющей отметку 48, ставим точку, которая и определяет цвет, имеющий данные цифровые обозначения.

Если известны значения коэффициентов по осям хну, например по оси х — 0,3 и у — 0,4, находим по оси абсцисс значение К — 0,3, по оси ординат К = 0,4. Устанавливаем, что указанным значениям коэффициентов соответствует холодный зеленый цвет с длиной волны X = 520 нм и чистотой цвета Р = 30%.

ЧИСТОТА ЦВЕТА — количественная колориметрическая характеристика зрительного восприятиянасыщенности цвета, выражаемая количеством энергии монохроматического излучения, которое в сочетании с белым излучением воспроизводит в колориметрических условиях измеряемый цвет. Наибольшей Ч. ц., равной 1,00, обладают чистые спектральные цвета; наименьшей, равной 0,00 — ахроматические, не имеющие цветового тона

Чистота (колориметрическая насыщенность) — это процентная доля чистого спектрального цвета в общей яркости данного цвета. Насыщенность или чистота цвета зависит от степени «разбавления» спектрального цветового тона белым, черным или серым (различной светлоты). Чем больше «примесь» белого (или серого), тем менее насыщенным, чистым является цветовой тон