Хроматический свет. Его характеристики. Цветовое восприятие изображения

С материалистической точки зрения цветовые ощущения являются отражением количества и качества лучистой энергии, попадающей в глаз от тел как самосветящихся, так и отражающих свет.

Средняя область спектра электромагнитных излучений, охватывающая

- ультрафиолетовые (10÷ 380)нм;

- видимые (380÷ 770)нм;

- инфракрасные (770÷ 340000)нм,

называется оптической областью спектра. Видимые излучения вызывают ощущения света.

Светом принято называть электромагнитное излучение, оцененное глазом по тому действию, которое оно на него оказывает.

Восприятие того или иного цвета обуславливается различным распределением энергии по видимому спектру, попадающего в глаз светового излучения. Если излучение имеет спектральный состав близкий к кривой распределения энергии в солнечном излучении или излучении абсолютно черного тела при температуре 4500÷ 6500°К, то глаз получает впечатление белого цвета. Если энергия излучения сосредоточена в очень узкой области длин волн, т. е. практически на одной длине волны, то возникает впечатление спектрального (монохроматического) цвета.

Разным цветовым ощущениям соответствуют разные спектральные составы, но обратное не верно, т.е.ощущение одного и того же цвета может возникнуть при различных спектральных составах излучения. Следовательно, цвет не характеризуется однозначно своим спектральным составом. На его определение оказывает влияние строение глаз человека. Еще более 250 лет назад великий русский ученый М.В. Ломоносов (1756г.) подметил, что почти все оттенки цветов можно получить путем смешения всего 3 цветов. Это дало ему основание высказать замечательную гипотезу о том, что все цвета состоят из 3 составляющих их компонент.

Согласно принятой трехкомпонентной теории зрения сетчатая оболочка глаза имеет три типа приемников лучистой энергии (три типа колбочек), различными характеристиками спектральной чувствительности.

Изолированное раздражение каждой из трех групп колбочек вызывает ощущение одного цвета – синего, зеленого, красного. Сумма трех реакций называется спектральной чувствительностью глаза.

Соотношение степени возбуждения отдельных групп колбочек создает определенный цветовой характер восприятия света.

Цвет можно характеризовать количеством и качеством (два измерения).

Количественную характеристику цвета принято кодировать светлотой. Светлоту можно определить как характеристику цветового восприятия освещенной или светящейся поверхности, позволяющую представить эту поверхность в качестве эквивалента некоторого поля серой шкалы, содержащей поля от темного до очень светлого. Т.е. светлота отражает представление об интенсивности, как факторе независящем от цвета и насыщенности. Условно эквивалентна светлоте – яркость.

Цвета, качественно одинаковые, но обладающие разной светлотой (яркостью) вызывают различные ощущения. Цвет, который при большой светлоте мы называем желтым, при малой яркости воспринимается как коричневый.

Качество цвета определяется цветовым тоном и насыщенностью.

Цветовым тоном называют свойство, которое отличает данный цвет от белого и серого. Названия цветов: красный, голубой, зеленый и т. д. являются приблизительным обозначением цветового тона. Допустимость применения цветового тона в качестве характеристики основано на возможности тождественного воспроизведения любого цвета смесью белого с однородным (спектральным). В соответствии с этим цветовой тон любого излучения принято характеризовать доминирующей длиной волны, т.е. длиной волны однородного цвета, который при смешении с белым в определенной пропорции обеспечивает тождественное восприятие с исследуемым.

Насыщенность определяется степенью различия ощущения цветности заданного излучения от ощущения цветности белого. Численно наличие белого цвета в данном, спектральном, можно характеризовать чистотой цвета, под которой понимается доля спектрального цвета, обеспечивающая в смеси с белым зрительное тождество с исследуемым излучением.

,

где - яркость белого света; - яркость спектрального цвета

Чистый цвет, являясь на 100% насыщенным, не содержит белого цвета. Насыщенность белого цвета и всех серых равна 0.

Художники определяют цвета с помощью таких понятий как разбелы, оттенки и тона предельно насыщенных цветов (пигментов).

Разбел получается при добавлении белого пигмента к чистому пигменту. При этом уменьшается насыщенность.

Оттенок получается при добавлении черного пигмента к чистому. В результате снижается светлота (яркость).

Тона получаются при добавлении черного и белого к чистому пигменту.

Во всех этих случаях получаются различные цвета одного и того же цветового тона, отличающиеся насыщенностью и светлотой.

При смешении только черного и белого пигментов получаются серые тона.

Таким образом, можно определить две трехмерные системы определения цвета: физиологическую и физическую.

Физиологическая – зрительные ощущения цвета определяются светлотой, цветовым тоном и насыщенностью.

Физическая – три измерения цвета представлены яркостью, доминирующей длинной волны и чистотой цвета.

Обе описанные системы определения цвета, хотя и полезны для понимания ряда явлений, для цветовых расчетов не приемлемы.

Колориметрическая система (R, G, B)

Современные цветовые расчеты основаны на законах аддитивного образования цветов. Способ образования цвета, основанный на сложении (смешении) цветов окрашенных цветовых потоков, принято называть аддитивным. Аддитивное смешение может осуществляться по следующим трем схемам:

-оптическое смешение;

-последовательное смешение;

-пространственное смешение.

В УОИ могут использоваться все три схемы.

На практике часто возникает необходимость математического определения цвета. Изучение света основано на уравнивании действия двух излучений на глаз наблюдателя, помещенного в определенные условия.

Если на одну из граней белой гипсовой призмы направить пучок света от лампы накаливания через желтый светофильтр, а на вторую от 2-х ламп через зеленый и красный светофильтры, то, подбирая расстояние от этих ламп до граней призмы, можно уравнять цвета граней.

Полученное таким образом цветовое равенство можно записать уравнением

,

где , , - количества цветов А, В. и С соответственно.

Или учитывая, что при цветовых равенствах будем иметь дело с алгебраической суммой, т.е. количественные коэффициенты могут быть как положительными, так и отрицательными (в зависимости на какую грань падает излучение) общий вид цветового равенства может быть записан как

.

Однако не всегда два цвета в сумме могут дать третий. Так если цвет А не желтый, а голубой, уравнять его цветами В и С не удастся. Этого можно достигнуть, если к цвету А добавить D (оранжевый). Достигнутое при этом цветовое равенство запишется в виде:

.

Или положив один из коэффициентов, например (поскольку важны относительные количества цветов в смеси),

.

Экспериментально доказано, что равенство такого типа может быть получено для любого цвета D, если цвета А, В. С линейно независимы, т.е. два из них при аддитивном смешении ни в каких относительных количествах не дают третьего. Это положение является основным законом аддитивного смешения.

Таким образом, любой цвет может быть получен путем смешения определенных количеств трех заранее выбранных линейно независимых цветов, а следовательно является величиной трехмерной и может быть представлен точкой или вектором имеющим три измерения. При этом любой цвет может быть представлен уравнением:

,

где , , - количества или модули цветов R, G, B.

Экспериментально получены кривые смешения в такой системе, называемой колориметрической.

На рис. показаны кривые смешения, которые характеризуют количество красного (), зеленого () и синего () света, необходимые «среднему» наблюдателю, чтобы получить чистый спектральный цвет постоянной яркости для всех значений доминирующих длин волн в видимом спектре.

Основной недостаток колориметрической системы RGB – наличие отрицательных координат кривых смешения для большой группы реальных цветов, что затрудняет расчеты цвета. Наличие отрицательных координат вызвано тем, что некоторые цвета не могут быть уравнены смешением трех цветов. Однако если добавить к этому цвету один из основных цветов его можно уравнять. Отрицательные значения показывают, что к уравниваемому цвету был добавлен основной цвет.

Вторым недостатком является необходимость определения всех трех компонент цвета для вычисления его количественной характеристики (яркости).