1873

дающий на них свет (спектральных характеристик предметов) и, вовторых, от распределения светового потока в спектре излучения источника света. Например, осветим зеленую ткань лампой накаливания, ртутной и неоновой лампами. Зеленая ткань имеет максимум отражения в зеленой части спектра. Но зеленой она будет казаться только в первых двух случаях. Под неоновой лампой она будет казаться темно-бурой, так как в неоновом свете отсутствует зеленый свет. Этот пример объясняет всем известную разницу цветов при естественном и искусственном освещении. В искусственном свете красные цвета становятся более чистыми, оранжевые – краснеют и оба становятся светлее. Голубые цвета зеленеют, синие и фиолетовые – несколько краснеют, приобретая пурпурный оттенок.

4.3. «Естественная» система характеристики цвета

Все цвета, встречающиеся в природе, делятся на ахроматические и хроматические. К первым относятся белый, черный и серые – промежуточные. В спектрах источников их нет. Все тела, имеющие ахроматический цвет, в разной степени количественно отражают свет. Они обладают различным коэффициентом отражения, но качественно одинаково не избирательно отражают свет во всем спектре. Наибольшим коэффициентом отражения обладает окись магния (96 %), наименьшим – черный бархат (0,3 %). Глаз человека способен различать около 300 ахроматических цветов от белого до черного.

Хроматическими цветами являются все цвета, имеющие тот или иной цветовой оттенок. К ним, например, относятся все спектральные цвета, но не только они. Необходимо выбрать более точные критерии для обозначения хроматических и ахроматических цветов, чем качественные названия: красный, синий, серый, желтый и т. д. Хотя существуют и такие качественные классификации, например, классификация Манселля. Однако больший интерес представляют системы количественных характеристик цвета.

Профессионалы, работающие с цветом, используют 4, а то и 5 характеристик цвета и света: цветовой тон, воспринимаемая чистота, светлота, «яркость» цвета, а также «воспринимаемая яркость», относящаяся к освещению. Однако мы рассмотрим более простые, относящиеся к изолированным цветам, системы количественной характеристики цвета.

Представим, что из спектра излучения мощной лампы выделен монохроматический (спектральный) зеленый свет с длиной волны 530 нм и направлен на белый экран. На этот же экран направим пучок белого света. В этом случае экран будет окрашен в зеленый цвет, но другой, более белесый. По мере добавления белого цвет экрана будет изменяться к все более белесым оттенкам. Мы получаем множество цветов одного тона, но различных по степени их разбавления белым светом.

Спектральные цвета являются чистыми цветами, их чистота цвета

102

(обозначается Pe) равна 100 %. Цветовой тон d – другая характеристика цвета спектральных цветов, равная его длине волны . Третьей характеристикой цвета в данной системе является количественная характеристика – яркость цвета В, определяемая количеством энергии, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности, перпендикулярной направлению наблюдателя. Среди спектральных цветов нет так называемых пурпурных цветов: малиновых, сиреневых, вишневых, розовых. Чистые цвета данных цветовых тонов можно получить смешиванием в разных пропорциях крайних цветов спектра – красного и фиолетового.

Все остальные цвета в этой системе получают смешиванием чистых цветов с белым светом в разных пропорциях. При этом доля в смеси чистого спектрального или пурпурного цвета в процентах характеризует чистоту полученного цвета, а длина волны чистого спектрального, из которого получен данный цвет, называется доминирующей длиной волны d и характеризует цветовой тон. Предположим, что нам пришлось смешать 40 единиц светового поток Ф спектрального света с цветовым тоном d=530 нм и 60 единиц светового потока белого света. Следовательно, суммарный световой поток будет составлять 100 единиц, чистота цвета Ре=40 %, цветовой тон остался равным 530 нм. Две эти характеристики определяют качество цвета или цветность стимула. Для полного описания цвета добавляют количественную характеристику – яркость В. Так, коричневый цвет, который отсутствует в числе спектральных, определяется яркостью. При разной яркости стимул данной цветности может являться глубоко оранжевым, интенсивным коричневым или глубоким коричневым. Бордовый и розовый также являются цветами одной цветности, но разных яркостей. Одинаково качество цвета (Ре+ d) у всех ахроматических цветов.

Наш глаз при самых благоприятных условиях способен различить между собой около 200 спектральных и пурпурных цветов. Каждый из них, разбавленный белым, способен дать еще множество цветов с разной чистотой цвета. Глаз способен различить разное количество цветовых оттенков от спектрального до белого в зависимости от длины волны спектрального «разбеливаемого». Так, глаз различает всего около 4-х оттенков от желтого до белого, но около 25-ти от красного до белого. Наименьшее воспринимаемое глазом различие в цвете носит название порога цветоразличения. Различают цветоразличение по цветовому тону (между чистыми цветами) и по чистоте (между разбеливаемыми цветами). Число порогов цветоразличения характеризует насыщенность данного цвета. Чем больше порогов цветоразличения имеется для данного цвета, тем более насыщенным он является. Наиболее насыщенные цвета по чистоте – красный и синий, наименее – желтый.

103

Оценка цветов по цветности и яркости наряду с наглядностью и простотой имеет ряд недостатков. Возникают проблемы с цветовой характеристикой пурпурных цветов, которых нет в спектре. Нельзя сразу сказать, что получится при смешивании двух цветов, какие характеристики будет иметь результирующий цвет. Трудно также графически представить взаимное расположение существующих цветов.

4.4. Аддитивное смешение цветов. Система RGB

Многочисленными опытами установлено, что все существующие цвета световых излучений могут быть получены путем смешения трех взаимно независимых цветов – красного (red), зеленого (green) и синего (blue), взятых в определенных количествах. Получение цвета смешением цветовых излучений называется аддитивным смешением. Оно играет важную роль в случае получения излучений с заданными цветовыми характеристиками (цветовая сигнализация, цветное телевидение и т. д).

Противоположное – субтрактивное смешивание, основанное на вычитании цветов из первоначального светового потока, играет важную роль при составлении красок, цветной полиграфии и фотографии. При этом один и тот же цвет может быть получен не одним, а множеством сочетаний трех цветов. Данное явление называется метамеризмом. Особенности смешения цветов и явление метамеризма отражают особенности цветовосприятия человеческого глаза, о которых подробно будет рассказано в следующей главе. В сетчатке глаза имеются три вида колбочек – цветочувствительных клеток, с помощью которых создается ощущение цвета: крас-

ноощущающие, зеленоощущающие и синеощущающие. Для получения про-

извольного цвета путем аддитивного смешения выбирают три единичных основных цвета. Их длины волн и световые потоки Ф таковы, что при смешении всех трех в результате получается белый цвет. В первой трехцветной международной колориметрической системе в качестве единичных основных цветов были приняты следующие монохроматические излучения:

R: = 700 нм; ФR = 683 лм = 1 ед. красного цвета;

G: = 546 нм; ФG = 3180 лм = 1 ед. зеленого цвета; B: = 436 нм; ФB = 43 лм = 1 ед. синего цвета.

Если задачей является получение заданного цвета, то излучение от этих источников направляем на абсолютно белую поверхность. Измеряя количество r , g , b световых потоков единичных цветов и сравнивая полученный цвет с заданным, мы получим цветовое уравнение для цвета Ц:

Ц = r R + g G + b B,

которое показывает, сколько единиц каждого из цветов надо взять, чтобы получить цвет Ц. Коэффициенты r , g , b носят название координат цвета,

104

а их произведения на обозначения цветов – цветовых составляющих. Опыты по смешиванию цветов показывают, что не все цвета могут быть

получены по такой схеме. В ряде случаев, чтобы уравновесить цвета, надо к цвету Ц добавить один из основных цветов. Тогда уравнение цвета выглядит, например, так:

Ц + b B = r R + g G,

или

Ц = r R + g G – b B.

Т.е. один из цветов имеет отрицательную координату. Поскольку мы задаем источники R, G, B, то переменными характеристиками являются координаты цвета r , g , b . Чаще нас интересует только качество цвета (цветность), а не его количество (яркость). Тогда цветность можно охарактеризовать относительными единицами – координатами цветности:

Очевидно, что r+g+b=1 . Две координаты цветности независимы. Третью всегда можно найти по уравнению g =1 – (r + b).

4.5. Цветовой треугольник

Одним из достоинств RGB-системы представления цвета является возможность построения графика цветности в виде так называемого цветового треугольника (рис. 4.5). Известно, что равносторонний треугольник обладает следующим свойством: сумма перпендикуляров, опущенных из любой точки на противоположные стороны, равна высоте треугольника. Поместив в вершины такого треугольника основные цве-

та R, G, B и приняв высоту треугольника равной единице координаты цветности, можно каждую точку внутри треугольника соотнести с определенным цветом, координаты которого легко определяются по масштабной сетке, наложенной на график. Цветовой треугольник свойств:

1)точка, соответствующая ахроматическому белому цвету, расположена

вцентре треугольника. Это точка Е;

2)прямая линия между точками любых разных цветов – это линия смешивания. Она является траекторией, на которой лежат все точки, представляющие цветности всех возможных смесей этих двух цветов;

3)если линия смешивания проходит через точку Е, то эти цвета дополнительные по отношению к равноэнергетическому источнику Е (энергия

105

излучения которого не зависит от длины волны излучения); если через точку Д, – то эти цвета дополнительные относительно стандартного источника Д МКО, соответствующего дневному свету (дневной свет не является абсолютно белым). Если два луча света, которые значительно различаются по цветовому тону, можно отрегулировать по интенсивности таким образом, чтобы их смесь давала белый круг на белом экране, то в этом случае гово-

рят, что исходные цвета дополнительные между собой;

4)все спектральные цвета плюс чистые пурпурные лежат на линии спектральных цветностей, которая лежит вне цветового треугольника. Цветности всех существующих цветов расположены на цветовом графике на площади, ограниченной кривой спектральных цветностей, внутри которой находится и цветовой треугольник. Все точки вне цветового треугольника имеют отрицательное значение хотя бы одной координаты цветности;

5)цветовой график системы RGB легко совмещается и иллюстрирует естественную систему обозначения цветности. Линия спектральных цветностей, как правило, снабжена шкалой длин волн. Линия, соединяющая любой спектральный цвет с точкой Е (либо Д), является геометрическим местом точек цветов с одинаковым цветовым тоном (соответствующей до-

минирующей длиной волны d) и переменной от 100 до 0 % чистотой цвета. На цветовой график RGB часто накладывается сетка чистоты цветностей Ре, что очень облегчает перевод характеристик цветностей из одной системы в другую. Пурпурные цвета отсутствуют в спектре, они не могут быть охарактеризованы цветовым тоном. Поэтому пурпурные цвета обозначаются длинами волн соответствующих им дополнительных цветов со знаком «штрих» – d . Например, цвет с d = 540 нм – это пурпурный цвет, которому соответствует дополнительный зеленый с d = 540 нм;

6) большая зона, определяющая зеленый цвет, и относительно маленькая для красного вовсе не означает, что зеленых цветов больше, чем красных. Эта неоднородность пространства рассматривается как существенный недостаток, присущий цветовому графику. Другим недостатком цветового графика RGB является наличие отрицательных координат, что значительно усложняет расчеты смешения цветов.

4.6.Цветовой график МКО. Сложение цветов

Внастоящее время для характеристики цветов пользуются колориметрической системой XYZ, лишенной недостатков системы RGB. Она утверждена в 1931 г. Международной комиссией по освещенности (МКО).

Вэтой системе выбраны другие основные единичные цвета: X, Y, Z. Они выбраны так, чтобы все существующие в природе цвета находились внутри полученного цветового треугольника и координаты цветности получились положительными. Цвета X, Y, Z – условные, они не имеют иного смысла кроме расчетного. Для цвета Ц:

106

Ц = x X + y Y + z Z,

где x , y , z – координаты цвета; X, Y, Z – обозначения единичных основных цветов. Для координат цветности

Координаты цвета RGB могут быть переведены в координаты XYZ, и наоборот:

x = Cr xR r + Cg xG g + Cb xB b ;

y = Cr yR r + Cg yG g + Cb yB b ;

z = Cr zR r + Cg zG g + Cb zB b ,

где r , g , b – координаты цвета в системе RGB; xR, yR, zR – координаты единичного цветового стимула R в системе XYZ; Cr, Cb, Cg – коэффициенты, определяющие свойства источника стандартного излучения.

Графики (см. рис. 5.5 и рис. 5.6) позволяют определить положение результата смешивания цветов. Для этого надо найти положения смешиваемых цветов Ц1 (x1, y1, z1) и Ц2 (x2, y2, z2) на треугольнике цветности и соединить точки прямой линией. Затем необходимо просуммировать координаты

отрезков. Полученная точка и будет результатом смешения. Для определения d достаточно провести через точку Д (xD = 0,3127; yD = 0,3290) прямую до пересечения с линией спектральных цветностей. Чистоту цвета находят по формуле

где x, y – координаты цветности рассматриваемой точки; xb, yb – координаты цветности соответствующего спектрального цвета.

4.7. Качественные системы классификации цветов

Применяемые до сих пор, особенно в искусстве, дизайне, колористке, системы классификации цветов (наиболее известная – «по Манселлю»), карты наименований цвета, цветовые каталоги и атласы так или иначе приведены или могут быть привязаны к координатам XYZ-системы. В табл. 4.3 и на рис. 4.10 приведены таблица и карта наименований цвета для световых потоков К.Л. Келли. Зоны карты Келли в основном обозначают интервалы по цветовому тону. Наименования цвета не дают различия в воспринимаемой частоте цвета, исключая введение розовых цветов, и не из-

107

меняются при изменении яркости. Не было предложено наименование цвета большой центральной области овальной формы, обозначенной буквой U. Цветовые тона цветов, представленных цветностями, находящимися в этой зоне, изменяются на границах от неопределенного до едва уловимого.

Таблица 4.3

Приложение к главе 4

Компараторы цвета. Подбор красок по заданным характеристикам

Зная спектральные коэффициенты отражения поверхности тела и распределение энергии в спектре источника света, освещающего поверхность тела, мы можем рассчитать цвет этой поверхности при данном освещении (правильнее, цвет излучения, отраженного поверхностью). То же самое относится и к среде, но тогда нужно знать спектральные коэффициенты пропускания. Если источниками света являются лампа накаливания или Солнце, имеющие непрерывный спектр, то расчет цвета занимает достаточно много времени. В настоящее время проблема решается применением современной вычислительной техники. Математическая основа решения этой расчетной задачи приведена в § 4.6.

Так как обычно кривые спектрального отражения поверхности или распределения энергии в спектре источника света неизвестны, то перед расче-

108

том необходимо провести спектральные измерения на достаточно сложных и дорогих приборах – спектрометрах.

Естественно возникает вопрос: может ли быть измерен непосредственно данный цвет? Да. Приборы для непосредственного измерения цвета существуют и называются колориметрами.

Колориметры бывают визуальные и фотоэлектрические. Визуальные колориметры основаны на уравнивании глазом по цвету двух полей сравнения, расположенных рядом и разделенных тонкой линией. Визуальные колориметры бывают аддитивными и субтрактивными. Субтрактивные колориметры основаны на явлении вычитания цветов. Аддитивные колориметры основаны на получении любого цвета путем смешения в определенных количествах трех постоянных по качеству цветных световых потоков – красного, зеленого и синего. Одно поле аддитивного визуального колориметра освещается измеряемым светом, а второе – одновременно тремя световыми потоками: красным, зеленым и синим.

На рис. 4.6 приведена принципиальная схема аддитивного визуального колориметра. Красный, зеленый и синий световые потоки получаются пропусканием светового потока белого света через красный, зеленый и синий светофильтры. Изменение красного, зеленого и синего световых потоков,

Изменяя соотношения красного, зеленого и синего световых потоков, можно добиться равенства обоих полей сравнения по цветности и яркости, следовательно, по цвету. Степень закрытия заслонками светофильтров может быть прочитана по шкалам колориметра. Показания шкал прибора при цветовом равенстве обоих полей сравнения позволяют рассчитать координаты цветности измеряемого излучения, пользуясь предварительно сделанной градуировкой.

Здесь нам следует уточнить, что же понимать под белым светом. Существует множество источников белого света, при которых может наблюдаться данный объект. Важнейшим из них является дневной свет. Однако естественный дневной свет имеет различные фазы, такие как свет прямых солнечных лучей, облачного или ясного неба и т. д. Свет прямых солнечных лучей значительно отличается от света ясного неба или солнечного света,

109

рассеянного облаками. Естественный свет, падающий на землю, зависит от времени дня и состояния погоды. Существуют также различные искусственные источники света: лампы накаливания и газоразрядные лампы, имеющие различное распределение энергии в спектре их излучения. Для того чтобы цветовые измерения были идентичными, Международной комиссией по освещению (МКО) были приняты стандарты излучения белого света: А, В, С и D65 для использования в колориметрии. Спектральное распределение этих излучений стандартизировано МКО. Стандартные излучения МКО А, В и С представляют собой излучение абсолютно черного тела при определенной температуре (А) и излучения дневного света с определенной цветовой температурой (В и С). Стандартный источник белого света А представляет собой электрическую лампу накаливания с цветовой температурой излучения, равной 2855,6 К. Стандартные источники белого света В и С осуществляются с помощью источника А и определенных жидкостных светофильтров и имеют цветовую температуру излучения, равную 4874 и 6774 К соответственно. Стандартный источник белого цвета D65 имеет цветовую температуру 6504 К и у него нормируется излучение в ультрафиолетовой части оптической области спектра.В субтрактивных визуальных колориметрах цветового равенства обоих полей сравнения добиваются иным путем, чем в аддитивных колориметрах. Так же, как и в аддитивных визуальных колориметрах, одно из полей сравнения субтрактивного колориметра освещается световым потоком, цвет которого требуется определить. Второе поле сравнения освещается лампой накаливания, перед которой установлены один за другим несколько цветных стеклянных клиньев с переменной толщиной (рис. 4.7). Передвигая цветные клинья (а

– пурпурный; б – желтый; в – голубой) перпендикулярно направлению пучка света лампы накаливания, мы изменяем толщину каждого клина, через который проходит световой поток лампы. Вследствие изменения толщины клиньев изменяется цветность светового потока белого света после прохождения через все цветные клинья. При некотором положении цветных клиньев получается цветовое равенство полей сравнения. По шкалам,

110

Фотоэлектрические колориметры основаны на совершенно ином принципе, чем визуальные. В визуальных колориметрах измерение цвета ведется глазом. В фотоэлектрических колориметрах роль глаза выполняют фотоэлементы. При освещении активной поверхности фотоэлемента светом в его цепи появляется электрический ток. Это свойство фотоэлементов и используется в фотоэлектрических колориметрах. Принципиальная схема фотоэлектрического колориметра представлена на рис. 4.8. Световой поток, цвет которого требуется измерить, направляется на систему из трех фотоэлементов (б1, б2, б3) . Каждый из фотоэлементов соединен с чувствительным гальванометром (в1, в2, в3). При протекании электрического тока в цепи фотоэлемента стрелка гальванометра отклоняется. Перед каждым из фотоэлементов устанавливается специальный корригирующий светофильтр (а1, а2, а3). Кривые спектрального пропускания этих светофильтров

трических колориметрах используют селеновые фотоэлементы, вакуумные фотоэлементы и фотоумножители с висмуто-серебряно-цезиевыми или многощелочными фотокатодами, а также кремниевые фотодиоды.

В настоящее время наиболее перспективными приборами для измерения цветовых параметров поверхностей тел и сред являются спектроколориметры. В них определение спектральных характеристик объекта измерения и расчет координат цвета осуществляются с высокой точностью с помощью ЭВМ.

С помощью описанных выше колориметров цвет определяется в одной из колориметрических систем, и это дает возможность судить о цвете той или иной поверхности или среды. Нанося точки цветности измеряемых образцов на цветовой график, можно определить их цветовой тон и чистоту цвета, а также выяснить, укладывается ли в нормативы цветности изме-

111