5. Цвет. Колориметрия.

Вограниченном частотном диапазоне человеческое зрение воспринимает электромагнитную энергию как свет. Длины волн излучения, видимого глазом, составляют от 360 нм (“фиолетовая” граница) до 700 нм (“красная” граница), эта видимая глазом энергия в указанном диапазоне волн определяет световой поток.Кривая спектральной чувствительности человеческого зрения (кривая видности V(λ)) представлена на рис. 1.4. Глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, менее – к красному и еще менее – к синему, это значит, что при одинаковой мощности разноцветных световых потоков, попадающих в глаз, зеленый поток будет казаться наиболее ярким по сравнению с красным и синим.

Цвет – ощущение, вызываемое в нашем органе зрения видимыми лучами света. В колориметрии (науке о цветах, но не о тех, которые из земли растут) цвет определяется тремя величинами: яркостью, цветовым тоном и насыщенностью. Яркость светящегося источника связана с величиной лучистого потока, попадающего от этого источника в наш глаз. Очевидно, что чем больше яркость, тем большее световое раздражение получают глаза. Цветовой тон рассматриваемого объекта связан со спектральным составом излучения. По цветовому тону объекта мы можем судить об окраске объекта – синей, зеленой, красной и т.д. Отдельные участки видимого спектра различаются по окраске, т.е. вызывают ощущение различного цвета. Поэтому цветовой тон удобно характеризовать цифрой – той или иной длиной волны (λ) спектрального излучения. Приведем для примера следующие цветовые тона на экране кинескопа цветного телевидения и соответствующие им длины волн эквивалентных спектральных излучений: красному цветовому тону соответствует λ_к=620нм, зеленому – λ_з=540нм, синему – λ_с=470 нм. Насыщенность (обычно обозначается буквой р) характеризует степень “разбавления” и цветового тона белым цветом. Например, ярко-красная (насыщенная) краска может быть разбавлена белой краской (белилами, мелом). При таком разбавлении цветовой тон не меняется, меняется только насыщенность. Розовая и красная краски не отличаются цветовым тоном. Различие заключается только в насыщенности. Наибольшей насыщенностью обладает монохроматический (одноцветный) источник, излучающий свет только одной длины волны. Насыщенность такого источника максимальна: р=100%. Для белого “не подкрашенного” цвета р=0. Яркость характеризует количественную величину излучения: мощность, световой поток, цветовой тон и насыщенность являются качественными характеристиками источника света. Эти характеристики часто объединяются в одно понятие – цветность. Таким образом, забегая вперед, отметим, что полный сигнал цветного телевидения, кроме информации о яркости различных участков изображения (как в черно-белом телевидении), должен содержать дополнительную информацию, соответствующую качественной характеристике – цветности. Светочувствительная поверхность нашего глаза – сетчатка – образована двумя видами светочувствительных элементов – палочками и колбочками. Палочки – нервные светочувствительные элементы, хорошо реагируя на яркость, не способны определить цветность источника излучения. Колбочки, – обладая высокой чувствительностью к яркости светового источника, хорошо различают его цветовой тон и насыщенность, т.е. цветность. В сумерках, при слабой освещенности, малочувствительные колбочки перестают работать. Работают только палочки, поэтому в полумраке мы не видим, не различаем цвета.Остается только ощущение яркости полутемных предметов.

Известно, что цвет связан с длиной волны светящегося источника (рис.1.4), например, монохроматическое излучение на длине волны λ_ж-з=550 нм ощущается как желто-зеленое излучение, а при λ_к=700 нм источник воспринимается красным. Однако, вследствие своеобразных свойств зрения источники, резко отличающиеся от монохроматических, могут создать такие ощущения цвета, как и монохроматические. Вообще говоря, заданная цветность видимого глазом источника может быть создана бесчисленными сочетаниями световых излучений в соответствующих пропорциях. Нормальный человеческий глаз различает около 180 цветовых тонов (постепенные переходы, едва заметные на глаз, от красного к оранжевому, от оранжевого к желтому и т.д.). Означает ли это, что для передачи всех цветовых тонов цветное телевидение должно иметь по сравнению с черно-белым канал связи в 180 раз большей пропускной способности? Это не так. Здесь выручает замечательное свойство человеческого зрения, заключающееся в том, что любой из 180 цветовых тонов может быть представлен в цветовом восприятии зрения в виде смеси только трех основных цветов: красного, зеленого и синего. Подбором соответствующей яркости каждого из этих компонентов смеси можно получить все 180 цветовых оттенков. Три основных цвета обозначаются в колориметрии латинскими буквами: красный (R), зеленый (G) и синий (B). Возможность получения разнообразных цветовых тонов путем сложения в нужной пропорции основных цветов R, G и B объясняется специалистами тем обстоятельством, что цветочувствительные колбочки на светочувствительной поверхности внутри глаза (сетчатке) разделяются, по-видимому, на три “сорта” по цветовой чувствительности – “красные”, “зеленые” и “синие”. Одновременное возбуждение в разных пропорциях этих разных групп колбочек светом, поступающим от наблюдаемого объекта, вызывает разнообразные цветовые ощущения. Три основных цвета R, G и B являются взаимно независимыми. Это означает, что ни один из них не может быть получен путем сложения (смещения) двух других. В этом случае выполняется по качеству основное колориметрическое уравнение

. (1.9)

В этом уравнении R, G и B являются единицами светового потока основных источников света – красного, зеленого и синего. Коэффициенты r`, g` b`, показывающие, какое количество единиц R, G и B необходимо взять, чтобы в сумме по яркости и цветности получить заданный световой поток F, называются компонентами потока F. В колориметрии за основные цвета для измерительных целей приняты следующие монохроматические излучения: для R λ<sub>R</sub>=700 н; для G λ<sub>G</sub>=546,1 нм и для B λ<sub>B</sub>=435,8 нм (спектральные линии паров ртути). Такая группа основных цветов определяет общепринятую колориметрическую систему RGB. В указанной системе RGB для некоторых цветов не удается получить качественное и количественное равенство при любом соотношении величин трех основных цветов. В этом случае может понадобиться перенос одного из компонентов с правой половины призмы на левую. Часто, однако, бывает необходимым и достаточным иметь сведения только о качественных характеристиках источника – цветовом тоне и насыщенности, т.е. о цветности. С этой целью уравнение (1.4) преобразуется следующим образом. Сумма яркостей основных цветов r`+g`+b`=m называется цветовым модулем. Разделив обе части уравнения (1.9) на цветовой модуль, получим:

.

Трехцветные коэффициенты r = r`/m; g = g`/m; b = b`/m определяют относительную (например, процентную) величину цветов в составе единичного потока f:

. (1.10)

Очевидно, что сумма трехцветных коэффициентов всегда равна единице (или 100%): r+g+b=1.

Цветовой треугольник

Для наглядного представления о количественных и качественных соотношениях при оперировании различными цветами в колориметрии используется так называемый цветовой треугольник. Представим себе, что в вершинах равностороннего треугольника RGB (рис. 1.5) расположены три основных источника света равной мощности - красный, зеленый и синий. Если включить только один из источников, то по мере удаления от него интенсивность излучаемого им света будет убывать. Для простоты дальнейших рассуждений будем считать, что интенсивность света, исходящего от источника R, в точках G и B практически снижается до нуля (для этого треугольник RGB должен быть достаточно большим). Это условие выполняется и для источников G и B, т.е. интенсивность излучаемого ими света в противоположных вершинах также практически равна нулю. Для проведения опытов, иллюстрирующих законы сложения цветов, воспользуемся матовым пустотелым стеклянным шаром. Этот шар будет служить нам своеобразным индикатором И.

Колориметрия установила что 100%-ная насыщенность теоретически имеет место только в случае, когда источник излучает энергию строго одной длины волны. К такому источнику света, имеющему насыщенность, близкую к 100%, можно отнести лазер, излучающий энергию практически на одной длине волны. Поскольку насыщенность красного цвета (рис. 1.5) увеличивается по мере продвижения от точки Е, например, по прямой ВЕ, а источник в точке R не имеет 100 -ной насыщенности, то 100 -ная насыщенность достигается в точке R₁, лежащей от точки Е дальше, чем точка R. Точка R₁ соответствует источнику монохроматического цвета. В вершинах цветового треугольника RGB (рис. 1.5) расположены источники основных цветов, обладающие одинаковой мощностью излучения (например, R=G=B=1 Вт). В треугольнике, имеющем в вершинах основные цвета, измеряемые в ваттах, равноэнергетический белый цвет Е будет иметь равные координаты

.

и изображающая его точка окажется в центре треугольника. Однако если в вершинах цветового треугольника разместить более удобные для расчетов и измерений основные цвета, измеряемые в светотехнических единицах: R=G=B=1 лм, то координаты точки Е резко изменяются, и эта точка сильно сместится к верхней части стороны RG треугольника. Экспериментально установлено, что в этом случае цветовое уравнение для равноэнергетической точки Е будет иметь вид

Е (лм)=0,177R(лм)+0,813G(лм)+0,01В (лм).

Существенное различие в трехцветных коэффициентах в этом уравнении объясняется различной спектральной чувствительностью глаза к источникам различных длин волн видимого спектра (см. рис. 1.4).