книги из ГПНТБ / Соколов, О. А. Видимость под водой

Глава 4. ВИДИМОСТЬ ЦВЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ ПОД ВОДОЙ

4.1. Факторы, определяющие цветность погруженных объектов

Информация о внешнем мире, получаемая нами посред­ ством восприятия и анализа оптического изображения, построен­ ного на сетчатке глаза, фотокатоде передающей телевизионной трубки, фоточувствительной эмульсии и т. д., зависит от наличия в окружающем пространстве не только яркостных, но и цветовых контрастов.

Два равноярких излучения могут давать совершенно различные ощущения, т. е. составлять контраст, если будут отличаться по спек­ тральному составу. Оценка любого видимого излучения по относи­ тельному спектральному составу выражается цветностью излучения или цветом излучения, который в отличие от цветности характери­ зует излучение как по его относительному спектральному составу, так и по его яркости. Эти характеристики теснейшим образом свя­ заны со свойствами человеческого глаза, но поддаются математиче­ скому выражению, измерению и вычислению.

В наземной обстановке можно наблюдать огромное количество объектов или явлений, имеющих различную яркость и окраску. Их цветность определяется спектральным составом излучений, ис­ пускаемых или отражаемых объектами и доходящих до входного зрачка глаза или наблюдательного устройства. При малых расстоя­ ниях наблюдения (порядка десятков или даже сотен метров) изби­ рательные свойства воздушной среды практически не проявляются, поэтому цветность объектов воспринимается на расстоянии почти такой же, как при наблюдении в непосредственной близости. Если же наблюдатель будет удаляться от наблюдаемого объекта на рас­ стояние нескольких километров, то он заметит изменение цветности объекта, причинами которого будут: 1) заметное изменение спект­ рального состава излучения, поступающего от объекта, в результате его избирательного рассеяния и поглощения при прохождении через большую толщу атмосферы и 2) наложение цветности световоздуш­ ной дымки, образующейся в результате рассеяния естественного излучения и зависящей от характера освещения (высоты Солнца, облачности и т. д.).

87

Иногда шкалу цветности используют для установления цветности подводного излучения, при этом наблюдатель погружается в море в подводном аппарате. Однако способ оценки цветности при помощи шкал не дает точного представления об окраске исследуемого из­ лучения, так как цветность растворов в пробирках со временем из­ меняется и зависит от характера освещающего их излучения. Кроме того, шкалы имеют ограниченное число оттенков. Поэтому иссле­ дуемая цветность не может быть точно оценена.

Наиболее полно охарактеризовать излучение можно, например, с помощью спектральных кривых яркости, так как спектральный со­ став однозначно определяет цвет излучения. Однако такой способ выражения цвета не отличается наглядностью: по спектральным ха­ рактеристикам сложного излучения иногда трудно судить об его оттенке.

Для выражения, измерения и расчетов цветности подводного из­ лучения и погруженных объектов целесообразно использовать ме­ тоды современной колориметрии [99—107].

Наиболее распространенной системой для выражения цвета яв­ ляется колориметрическая система ATZ, рекомендованная для ис­ пользования Международной комиссией по освещению (МКО).

4.2. Цвет подводного излучения в системе XYZ

Первые попытки определить цвет подводного излучения в системе XYZ были сделаны Леграном, который, исходя из дейст­ вия слоя воды как светофильтра, рассчитал спектральный состав излучения на разных глубинах и вычислил его цвет [48].

Однако Легран не учитывал влияние многократного рассеяния на изменение спектральной характеристики излучения. Поэтому его данные следует рассматривать как весьма приближенные. Более точные результаты могут быть получены, если при расчете состава подводного излучения на разных глубинах использовать спектраль­ ный показатель вертикального ослабления а (А) и данные измере­ ний спектрального состава на какой-либо начальной глубине. Спек- > тральный показатель а (А) учитывает характер изменения излучения с глубиной, происходящего в результате действия избирательных процессов поглощения и многократного рассеяния излучения.

Пусть спектральный состав излучения на какой-либо глубине 2і задан спектральной плотностью яркости b (А, zi, Ѳ), измеренной в направлении Ѳ. Тогда для расчета цвета излучения на какой-либо глубине 2г можно написать следующую систему:

770

89

где х' (г2, 0), у ' (гг, Ѳ), г' (г2, Ѳ) — компоненты цвета подводного из­

25 м. Верхняя кривая показывает распределение энергии в спектре естественного излучения, падающего на поверхность моря при

90

рассчитанные по значениям сц, полученным из измерений для верх­ них слоев. Цветность подводного излучения, вычисленная для глу­ бин 0, 5, 15, 25 м на основании экспериментальных данных, а для

Рис. 4.2. Изменение цветности излучения с глубиной для направления распространения Ѳ= 0.

/ — для вод озера Кратер-Лейк (США); 2 — прибрежных вод

больших глубин — на основании расчетных величин обозначена на цветовом графике рис. 4.2 (кривая /). На этом же графике приве­ дены кривые изменения цветности с глубиной для богатых фито­ планктоном прибрежных вод Тихого океана с содержанием хлоро­ филла у поверхности 2,6 мг/м3 (кривая 2) и для вод Калифорний­ ского залива (кривая 3). Спектральный состав подводного излуче­ ния в этих водах был определен Тайлером и Смитом путем непо­ средственных измерений [ПО, 218]. Координаты цветности излуче­ ния на разных глубинах, а также обе ее характеристики — цветовой

91

тон А и чистота цвета Р по отношению к источнику С — приведены в табл. 4.1.*

Таблица 4.1

Как можно видеть из цветового графика и табл. 4.1, цветовой тон подводного излучения для чистых вод озера Кратер-Лейк стре­ мится в глубокую синюю область, а чистота цвета быстро возра­ стает. Для богатых фитопланктоном прибрежных океанических вод южнее Сан-Диего у побережья Мексики цветовой тон стремится

вжелто-зеленую область, а чистота цвета достигает 96,2% уже на

*С помощью цветового графика для наглядности любой реальный цвет мо­ жно охарактеризовать не координатами X и Y, а координатами цветовой той и чистота цвета. Под цветовым тоном имеется в виду длина волны спектрального

излучения %, а под чистотой цвета — его концентрация (насыщенность) Р в смеси с белым, при этом для спектральных цветов Р= L, а для белого цвета Р —0. Для нахождения цветового тона и чистоты какого-либо цвета через точку располо­ жения цвета и точку белого цвета проводится прямая линия до пересечения

слинией спектральных цветов. Точка пересечения дает значение цветового тона,

ачистота цвета определяется по формуле

УУ (.'*■) — Уб

где у(%) — координата спектрального или чистого пурпурного цвета данного цве­ тового тона, ус — координата белого цвета, у — координата исследуемого цвета.

Цветовой тон и чистоту цвета можно определить по отношению к любому белому источнику, например к так называемому источнику С с цветовой темпе­ ратурой 7цв=6500К, спектральный состав излучения которого близок к спект­ ральному составу излучения Солнца.

92

глубине 12 м. Аналогичная картина наблюдается для вод Калифорнийского залива.

Цветность подводного из­ лучения в глубинах моря, как было отмечено в п. 4.1, зависит не только от глубины, но и от направления наблюдения. На цветовом графике рис. 4.2, кре­ стиками обозначены координа­ ты цветности излучения для тех же районов и тех же глу­ бин, но для направления рас­ пространения излучения Ѳ= я. Нижние точки соответствуют чистым водам озера КратерЛейк, а верхние — прибреж­ ным тихоокеанским водам юж­ нее Сан-Диего. Цветность для разных направлений различа­ ется и по цветовому тону, и по чистоте.

На мелководье большое влияние на цвет подводного излучения оказывает близость дна моря. Многократные отра­ жения излучения между при­ донной толщей водной среды и дном, имеющим в различных районах различный спектраль­ ный коэффициент отражения, приводят к тому, что цвет из­ лучения, выходящего из моря, следовательно, и цвет поверх­ ности моря кажется различ­ ным, несмотря на единообра­ зие оптических свойств вод.

На рис. 4.3 а изображены кривые спектральной яркости излучения, выходящего из мо­ ря в направлении Ѳ= л;, полу­

ченные Дантли при измерениях через иллюминатор, вмонтирован­ ный в дно лодки в прибрежных водах Атлантического океана у бе­ регов Флориды [59]. Кривые показывают, как влияет песчаное или каменистое дно на спектральный состав излучения, распространяющегося вверх, при разных глубинах моря. На рис. 4.3 б аналогичные кривые построены по результатам измерения спектральной яркости поверхности моря в том же районе с самолета с высоты 1300 м. Так как яркость поверхности моря складывается из яркости излучения,

93

выходящего из моря, и яркости отраженного излучения, ход кривых на рис. 4.3 б значительно отличается от хода кривых спектральной

цвета. Весьма важное значение имеет также использование ко­ лориметрической системы для изучения закономерностей изменения цветности погруженных объектов и вопросов видимости цветных объектов под водой.

4.3. Изменение цветности окрашенных объектов при их погружении в водную среду

Изменение спектрального состава подводного излучения оказывает большое влияние на цвет погруженных объектов. Имея данные по спектральному распределению подводной облученности и спектральные характеристики отражения различных поверхно­

94

стей, можно проследить изменение цветности окрашенных объектов при их погружении на различные глубины, при изменении расстоя­ ния между наблюдателем и наблюдаемым объектом и выявить за­ кономерности этого изменения.

Для спектральной яркости диффузно отражающего плоского объекта, погруженного на глубину г, можно записать

где ео(0„, z, X) — спектральная плотность облученности объекта, по­ груженного на глубину z и имеющего угол ориентации Ѳп; р(Х) —

Тогда компоненты цвета объекта выразятся следующим об­ разом:

770

Для изучения влияния различных факторов на цветность погру­ женных объектов были выбраны шесть гипотетических объектов, имеющих различные спектральные коэффициенты отражения и раз­ личную цветность при освещении белым источником С.

Цветовые характеристики выбранных объектов представлены в табл. 4.2.

На рис. 4.5 изображены графики спектральных коэффициентов отражения этих объектов, а справа на цветовом графике показаны координаты их цветности.

Выбранные объекты подверглись «гипотетическому погружению» в воды с различными гидрооптическими характеристиками. В ка­ честве исходных данных по спектральному составу подводного

95

Таблица 4.2

излучения были взяты результаты измерений Тайлера и Смита [109, ПО, 239]. Расчеты производились на электронной вычислительной машине.

На цветовом графике рис. 4.6о. построены кривые изменения цветности с глубиной плоских горизонтальных (Ѳп = я) диффузно

Рис. 4.5. Кривые спектральных коэффициентов отражения цветных объектов и координаты их цветности на цветовом графике XYZ.

отражающих объектов для чистых вод горного озера Кратер-Лейк. Цифрами у кривых показаны значения глубины, которым соответст­ вуют указанные точки цветности (Л — поверхности). Пунктирная кривая перенесена с графика рис. 4.2 и отражает изменение цветно­ сти подводного излучения, в котором «рассматривались» исследуе­ мые объекты. Необходимо отметить, что цветность объектов рассчи­ тана для случая наблюдения их с нулевого расстояния или практи­ чески для случая наблюдения объектов в непосредственной близости.

9 6