Физика цвета
В 1676 году сэр Исаак Ньютон с помощью трехгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр. Подобный спектр содержал все цвета за исключением пурпурного.
Ньютон ставил свой опыт следующим образом (рис. 1) солнечный свет пропускался через узкую щель и падал на призму. В призме луч белого цвета расслаивался на отдельные спектральные цвета. Разложенный таким образом он направлялся затем на экран, где возникало изображение спектра. Непрерывная цветная лента начиналась с красного цвета и через оранжевый, желтый, зеленый, синий кончалась фиолетовым. Если это изображение затем пропускалось через собирающую линзу, то соединение всех цветов вновь давало белый цвет.
Эти цвета получаются из солнечного луча с помощью преломления. Существуют и другие физические пути образования цвета, например, связанные с процессами интерференции, дифракции, поляризации и флуоресценции.
Если мы разделим спектр на две части, например — на красно-оранжево-желтую и зелено-сине-фиолетовую, и соберем каждую из этих групп специальной линзой, то в результате получим два смешанных цвета, смесь которых в свою очередь также даст нам белый цвет.
Два цвета, объединение которых дает белый цвет, называются дополнительными цветами.
Если мы удалим из спектра один цвет, например, зеленый, и посредством линзы соберем оставшиеся цвета — красный, оранжевый, желтый, синий и фиолетовый, — то полученный нами смешанный цвет окажется красным, то есть цветом дополнительным по отношению к удаленному нами зеленому. Если мы удалим желтый цвет, то оставшиеся цвета — красный, оранжевый, зеленый, синий и фиолетовый — дадут нам фиолетовый цвет, то есть цвет, дополнительный к желтому.
Каждый цвет является дополнительным по отношению к смеси всех остальных цветов спектра.
В смешанном цвете мы не можем увидеть отдельные его составляющие. В этом отношении глаз отличается от музыкального уха, которое может выделить любой из звуков аккорда.
Различные цвета создаются световыми волнами, которые представляют собой определенный род электромагнитной энергии.
Человеческий глаз может воспринимать свет только при длине волн от 400 до 700 миллимикрон:
- 1 микрон или 1μ = 1/1000 мм = 1/1000000 м.
- 1 миллимикрон или 1mμ = 1/1000000 мм.
Длина волн, соответствующая отдельным цветам спектра, и соответствующие частоты (число колебаний в секунду) для каждого спектрального цвета имеют следующие характеристики:
| Цвет | Длина волны в н/м |
Частота колебаний в секунду |
|---|---|---|
| Красный | 800-650 mμ | 400-470 млрд. |
| Оранжевый | 640-590 mμ | 470-520 млрд. |
| Жёлтый | 580-550 mμ | 520-590 млрд. |
| Зелёный | 530-490 mμ | 590-650 млрд. |
| Голубой | 480-460 mμ | 650-700 млрд. |
| Синий | 450-440 mμ | 700-760 млрд. |
| Фиолетовый | 430-390 mμ | 760-800 млрд. |
Отношение частот красного и фиолетового цвета приблизительно равно 1:2, то есть такое же как в музыкальной октаве.
Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны, то есть он может быть совершенно точно задан длиной волны или частотой колебаний. Световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн человеческим глазом и мозгом. Каким образом он распознает эти волны до настоящего времени еще полностью неизвестно. Мы только знаем, что различные цвета возникают в результате количественных различий светочувствительности.
Остается исследовать важный вопрос о корпусном цвете предметов. Если мы, например, поставим фильтр, пропускающий красный цвет, и фильтр, пропускающий зеленый, перед дуговой лампой, то оба фильтра вместе дадут черный цвет или темноту. Красный цвет поглощает все лучи спектра, кроме лучей в том интервале, который отвечает красному цвету, а зеленый фильтр задерживает все цвета, кроме зеленого. Таким образом, не пропускается ни один луч, и мы получаем темноту. Поглощаемые в физическом эксперименте цвета называются также вычитаемыми.
Цвет предметов возникает, главным образом, в процессе поглощения волн. Красный сосуд выглядит красным потому, что он поглощает все остальные цвета светового луча и отражает только красный.
Когда мы говорим: «эта чашка красная», то мы на самом деле имеем в виду, что молекулярный состав поверхности чашки таков, что он поглощает все световые лучи, кроме красных. Чашка сама по себе не имеет никакого цвета, цвет создается при ее освещении.
Если красная бумага (поверхность, поглощающая все лучи кроме красного) освещается зеленым светом, то бумага покажется нам черной, потому что зеленый цвет не содержит лучей, отвечающих красному цвету, которые могли быть отражены нашей бумагой.
Все живописные краски являются пигментными или вещественными. Это впитывающие (поглощающие) краски, и при их смешивании следует руководствоваться правилами вычитания. Когда дополнительные краски или комбинации, содержащие три основных цвета — желтый, красный и синий, — смешиваются в определенной пропорции, то результатом будет черный, в то время как аналогичная смесь невещественных цветов, полученных в ньютоновском эксперименте с призмой, дает в результате белый цвет, поскольку здесь объединение цветов базируется на принципе сложения, а не вычитания.
Цвета света — красный, зеленый и синий, смешивание цветов
Великий ученый своего времени Ньютон доказал, что цвет — это качество света. Электромагнитное излучение, которое имеет общие свойства как с волнами, так и с частицами, излучаемыми на различных частотах в волновом движении. Любой заданный луч света имеет определенные значения частоты , длины волны и энергии, связанные с ним.
Частота, которая представляет собой количество волн, проходящих фиксированную точку пространства в единицу времени, обычно выражается в единицах Герц (1 Гц = 1 цикл в секунду). Длина волны — это расстояние между соответствующими точками двух последовательных волн и часто выражается в метрах, например в нанометрах (1 нм = 10–9 метров).
Энергию светового луча можно сравнить с энергией небольшой частицы, движущейся со скоростью света, за исключением того, что никакая частица, имеющая массу покоя, не может двигаться с такой скоростью. Понятие «фотон» , используемый для наименьшего количества света любой заданной длины волны, призван охватить эту двойственность, включая характеристики как волны, так и частицы,присущие волной и квантовой механике. Энергия фотона часто выражается в единицах электрон-вольт (1 эВ = 1,602 × 10-12 эрг ). Оно прямо пропорционально частоте и обратно пропорционально длине волны.
Свет — не единственный тип электромагнитного излучения. На самом деле это лишь небольшой сегмент всего электромагнитного спектра, но свет это единственная форма, которую может воспринимать глаз. Длины световых волн варьируются от 400 нм в фиолетовой части спектра до 700 нм в красной части части. Границы видимого спектра не имеют четкого определения, но различаются у разных людей; существует некоторая расширенная видимость для света высокой интенсивности.
При более коротких длинах волн электромагнитный спектр простирается до области ультрафиолетового излучения и продолжается через ренгеновские лучи, гамма-лучи, и космические лучи. Сразу за красным концом спектра находятся длинноволновые инфракрасные лучи (которые можно ощущать как тепло), далее микроволны и радиоволны. Излучение одной частоты называется однотонным . Когда эта частота попадает в диапазон видимого спектра, создается цветовое восприятие насыщенного оттенка .
Законы смешения цветов.
Цвета спектра называются хроматическими цветами; есть также нехроматические цвета, такие как коричневые, пурпурные и розовые. Термин ахроматические цвета иногда применяется к последовательности черный-серый-белый. По некоторым оценкам, глаз может различать около 10 миллионов цветов, каждый из которых происходит от двух типов световой смеси: аддитивной и субтрактивной. Как следует из названий аддитивная смесь включает добавление спектральных компонентов, а вычитающая смесь касается вычитания или поглощение частей спектра.
Аддитивное смешение происходит при объединении лучей света. Цветовой круг, впервые разработанный Ньютоном, до сих пор широко используется для целей цветового дизайна, а также полезен при рассмотрении качественного поведения смешивания лучей света. Цветовой круг Ньютона сочетает в себе спектральные цвета красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, индиго и сине-фиолетовый с неспектральным пурпурным цветом (смесь сине-фиолетовых и красных световых лучей), как показано на рисунке. Белый находится в центре и получается путем смешивания световых лучей примерно одинаковой интенсивности дополнительного цвета (цвета, диаметрально противоположные в цветовом круге), такие как желтый и сине-фиолетовый, зеленый и пурпурный или голубой и красный. Промежуточные цвета можно получить путем смешивания световых лучей, например, смешивание красного и желтого дает оранжевый, красного и сине-фиолетового дает пурпурный и так далее.
Длина световой волны
Три основных цвета
Основные цвета — это красный, зеленый и синий. Это означает, что путем аддитивного смешивания различных цветов в определенных количествах можно получить почти все другие цвета. Если три основных цвета смешиваются вместе в равных количествах, то получается белый цвет.
Аддитивное смешение можно продемонстрировать физически. Возьмем три слайд-проектора, оснащенных фильтрами. Один проектор излучает луч насыщенного красного света на белый экран, другой синего, а третий зеленого света. Аддитивное смешение происходит там, где лучи перекрываются (и, таким образом, складываются вместе). Там, где красный и зеленый лучи перекрываются, получается желтый. Если добавить больше красного света или уменьшить интенсивность зеленого света, световая смесь станет оранжевой. Точно так же, если зеленого света больше, чем красного, получается желто-зеленый и т.д.
Субтрактивное смешивание цветов включает в себя поглощение и избирательное пропускание или отражение света. Это происходит, когда красители (например, пигменты или красители) смешивают или когда в один пучок белого света вставляют несколько цветных фильтров. Например, если проектор оснащен темно-красным фильтром, фильтр будет пропускать красный свет и поглощать другие цвета. Если проектор оснащен сильным зеленым фильтром, красный свет будет поглощаться, а передаваться будет только зеленый свет.
Поэтому, если проектор оснащен как красным, так и зеленым фильтрами, все цвета будут поглощаться, а свет не пропускаться, что приведет к отображению черного цвета. Точно так же желтый пигмент поглощает синий и фиолетовый свет, отражая при этом желтый, зеленый и красный свет (зеленый и красный в совокупности дают больше желтого). Синий пигмент поглощает преимущественно желтый, оранжевый и красный свет. Если смешать желтый и синий пигменты, получится зеленый, поскольку это единственный спектральный компонент, который не сильно поглощается ни одним из пигментов.
Поскольку аддитивные процессы имеют наибольшую гамму, когда основными цветами являются красный, зеленый и синий, разумно ожидать, что наибольшая гамма в вычитательных процессах будет достигнута, когда основные цвета поглощают красный, зеленый и синий соответственно.
Цвет изображения, поглощающего красный свет и пропускающего все остальные излучения, — сине-зеленый, который часто называют голубой. Изображение, которое поглощает только зеленый свет, пропускает и синий, и красный свет, и его цветпурпурный. Изображение, поглощающее синий цвет, пропускает только зеленый и красный свет, а его цвет желтый. Следовательно, вычитающие основные цвета — голубой, пурпурный и желтый.
Нет точного понимания в области цвета традиционно были более запутанными, чем те, которые только что обсуждались. Эту путаницу можно проследить до двух распространенных неправильных названий:
1- субтрактивный первичный голубой, который на самом деле является сине-зеленым, обычно называют синим;
2 — субтрактивный первичный пурпурный цвет обычно называют красным.
В этих условиях вычитающие основные цвета становятся красным, желтым и синим. А также те, чей опыт ограничивается большей частью вычитающими смесями, имеют веские основания удивляться, почему физик настаивает на том, чтобы считать красный, зеленый и синий первичными цветами. Путаница сразу разрешается, когда становится понятно, что красный, зеленый и синий выбраны в качестве аддитивных основных цветов, потому что они обеспечивают наибольшую цветовую гамму в смесях. По той же причине субтрактивные основные цвета соответственно поглощают красный цвет (голубой), поглощают зеленый (пурпурный) и синий поглощающий (желтый).
Белый свет
В физике видимый человеческим глазом, когда все длины волн видимого спектра объединяются, подобно черному. Но в отличие от цветов спектра и большинства их смесей, у белого отсутствует оттенок, поэтому он считается ахроматическим цветом. Белый и черный — самые основные цветовые термины языков. Слово «белый» происходит от протогерманского «hwitaz» и древнеанглийского «hwit «. Одно из первых письменных упоминаний термина происходит из древнеанглийской легенды о фениксе, так называемой «Прозы Феникса» (11 век): «Его fet syndon blodreade begen twegen and se bile hwit» («Его ноги оба в крови — красный , а клюв белый»).
Красный свет
Самая длинная волна света. Находится в диапазоне 620–750 нанометров в видимом спектре. В искусстве красный — это цвет на условном круге, расположенный между фиолетовым и оранжевым, а также противоположный зеленому, как его дополнение.
Красный был первым основным цветовым термином, добавленным в языки после черного и белого. Слово «красный» происходит от санскритского «rudhira» и протогерманского «rauthaz». Одно из первых письменных упоминаний этого термина содержится в староанглийском переводе (897 г. н. э .) «Пастырской заботы» папы св. Григория Великого: «On thæs sacerdes hrægle sceoldœn hangian bellan» — «на священнических ризах должны висеть колокольчики и среди колокольчиков красные гранаты»).
Зеленый свет
Свет в диапозоне длин волн 495–570 нанометров, который находится в середине видимого спектра. В искусстве зеленый — это цвет на обычном круге, расположенный между желтым и синим, напротив красного, как дополнение.
Зеленый — основной цветовой термин, добавленный в языки до или после желтого, после черного, белого и красного. Слово « зеленый » происходит от протогерманского «grōni» и древнеанглийского «grene». Одно из первых письменных упоминаний этого термина содержится в манускрипте Кэдмона ( около 1000 г. н. э.): «Адам останавливается / «On GRENE græs, gaste geweorthad» («Адам ступил / На зеленую траву, душа стала достойной»).
Синий свет
Свет 450–495 нанометров в видимом спектре. После фиолетового синий является областью спектра с самыми короткими длинами волн. В искусстве синий — это цвет на условном круге, расположенный между зеленым и фиолетовым и противоположным оранжевым, его дополнением.
Термин «синий» происходит от протогерманского «blæwaz» и старофранцузского «blo» или bleu». Одно из первых письменных упоминаний этого термина взято из южно-английского легендарного сборника жизнеописаний святых ( около 1300 г. н.э.): «Эта другая зелень».
Измерение цвета
Измерение цвета известно как колометрия. В этой области используются различные инструменты. Самые сложные спектрофотометры анализируют свет с точки зрения количества энергии, присутствующей на каждой спектральной длине волны.
Трудно описать цвет конкретного спектрального распределения энергии. Поскольку глаз воспринимает только один цвет для любого данного распределения энергии, необходимо выразить измерения цвета способом, связанным с восприятием. Существует несколько систем, некоторые из которых описаны ниже.
Измерение тристимулюса и диаграммы цветности
Система тристимулюса основана на визуальном сопоставлении цвета в стандартизированных условиях с тремя основными цветами — красным, зеленым и синим. Три результата выражаются в виде X, Y и Z соответственно и называются значениями тристимулюса.
Значения тристимуля изумрудно-зеленого пигмента составляют X = 22,7, Y = 39,1 и Z = 31,0. Эти значения определяют не только цвет, но и визуально воспринимаемую отражательную способность. Рассчитываются таким образом, что значение Y равно отражательной способности образца (39,1 процента в этом примере) при визуальном сравнении со стандартным белым цветом поверхность стандартным (средним) зрителем при среднем дневном свете.
Значения тристимулюса также могут быть использованы для определения визуально воспринимаемой доминирующей спектральной длины волны (которая связана с оттенком) данного образца; доминирующая длина волны изумрудно-зеленого пигмента составляет 511,9 нм.
Цветные атласы
Вычисление цветности и яркости является научным методом определения цвета, но для быстрого визуального определения цвета объектов часто используется цветовой атлас, такой как «Книга цвета Мансвелла». В этой системе цвета сопоставляются с напечатанными цветными чипами из трехмерного цветного твердого тела, параметрами которого являются оттенок, значение (соответствующее отражательной способности) и цветность (соответствующая чистоте или насыщенности).
О цвете
Любое графическое изображение можно представить как некоторую композицию разноокрашенных областей. Поэтому основная информация о картинке — данные о цвете. Цвет — это свойство видимых предметов, непосредственно воспринимаемое глазом. На первый взгляд, все понятно. Однако при смешении красок в банке или на палитре художника, а также при выводе изображения на монитор или принтер или, наоборот, при сканировании картинок постоянно возникают вопросы о цвете и цветопередаче (переносе изображений с одного носителя на другой или с одного устройства вывода на другое). Все не так просто, как кажется. Художники, полиграфисты и дизайнеры знают, как это важно. Ощущение цвета очень индивидуально. Однако во всем этом многообразии можно найти нечто общее. В противном случае у нас не было бы ни мониторов, ни принтеров, ни сканеров, ни телевизоров. Поиск универсалий — это поиск моделей, которые отбрасывают все несущественное и подробно описывают наиболее важное для практики.
В этом разделе мы рассмотрим основные цветовые модели, применяемые в компьютерных технологиях и полиграфии. Иметь представление о цветовых моделях важно с практической точки зрения, поскольку в графических редакторах параметры установки цвета, доступные в различных диалоговых окнах, а также режимы представления изображений соответствуют этим моделям.
1. О природе цвета
Прежде чем перейти к моделям представления информации о цвете, рассмотрим, что такое цвет с точки зрения физики. Известно, что мы видим окружающие предметы благодаря воздействию света на сетчатку глаза. Этот свет может быть излученным или отраженным предметами. Мы можем видеть предметы, которые излучают свет сами по себе (например, звезды, электрические лампочки, костер). Чтобы увидеть другие, не светящиеся сами по себе предметы, необходим источник внешнего света (например, фонарь). Предметы, освещенные внешним светом, становятся видимыми благодаря отражению этого света. Между глазом и предметом существует некоторая среда, через которую распространяется свет, несущий информацию о предмете. Эта среда может влиять на проходящий через нее свет. Кроме того, предметы могут частично поглощать падающий на них свет, отражая лишь некоторую измененную его часть. Например, краска — это вещество, которое поглощает одну часть света, а другую отражает. Так, падающий на предмет свет может быть белым, а отраженный — красным, зеленым, синим или каким-нибудь другим. Если на пути луча белого света установить прозрачную пленку какого-нибудь цвета, то выходной луч приобретет такой же цвет. Такие пленки обычно называют световыми (цветными) фильтрами . Иначе говоря, вещество может отражать, поглощать и пропускать через себя свет. Свет, получаемый в результате взаимодействия с веществом, отличается, в общем случае, от исходного света. Таким образом, информация о предмете, переносимая светом, претерпевает изменения из-за взаимодействия света с веществом на пути его распространения.
С точки зрения физики свет имеет электромагнитную природу. Это означает, что свет представляет собой композицию (смесь) множества электромагнитных волн. Электромагнитная волна — распространяющиеся в пространстве колебания электрического и магнитного полей. Колебание (периодическое изменение), как известно, характеризуется частотой, а волна — длиной. Для света частота колебаний f и длина волны λ связаны простой формулой: f = c/ λ, где с — скорость света (в вакууме она равна примерно 300 000 км/с).
Луч белого света, проходя через стеклянную призму, расщепляется на множество лучей различного цвета — от красного до фиолетового (цвета радуги), образуя так называемый спектр цветов. Дело в том, что угол преломления луча света, проходящего через призму, зависит от его длины волны. Поскольку белый свет является смесью электромагнитных волн различной длины, то каждая волна после призмы распространяется по своему направлению. Красный луч испытывает наименьшее отклонение, а фиолетовый — наибольшее. Одноцветные лучи, называемые монохроматическими , проходя через призму, уже не разлагаются на другие цвета.
Рис. 1. Луч белого света, проходя через призму, разлагается на цветные составляющие
Видимый цвет однозначно определяется длиной волны соответствующего излучения. Электромагнитные волны, которые воспринимает наше зрение, лежат в области примерно от 0,75 до 0,4 мкм. Левой границе соответствует красный цвет, левее находится диапазон инфракрасных (тепловых) волн, а еще левее (0,3 мм — 30 000 м) расположены радиоволны. Правой границе видимого диапазона волн соответствует фиолетовый цвет, правее находятся ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма- и космические лучи. Инфракрасные лучи не воспринимаются глазом, но они воздействуют, например, на термометр. Ультрафиолетовые лучи также невидимы, но они способны заставить светиться люминофор — вещество, применяемое в электронно-лучевых трубках мониторов.
Итак, обычный белый свет является композицией множества других цветов. Все люди с нормальным зрением уверенно различают семь цветов радуги и множество промежуточных оттенков. В общей сложности человеческий глаз различает несколько миллионов цветов.
Если лучи различных цветов с помощью линз и зеркал сфокусировать (т. е. смешать) в один пучок, то вновь получится белый цвет. Путем смешения лучей различных цветов можно получать другие цвета, даже такие, которых нет в спектре разложения белого цвета.
Различные цвета можно получать и смешением красок. Однако цвет, возникающий в результате смешения цветных лучей света, будет отличаться от цвета, полученного смешением аналогичных красок. Например, красный, зеленый и синий лучи света вместе дают белый цвет, а смешение соответствующих красок — грязно-коричневый. Попробуйте порисовать на одном месте бумаги сначала красным карандашом, потом зеленым и синим. Никакого подобия белого цвета вы не получите. Дело в том, что цвета красок мы видим в отраженном свете, который отличается от падающего. Видимый отраженный цвет получается в результате поглощения части падающего света. Таким образом, чтобы предсказать, какой цвет у нас получится, необходимо знать, что мы будем смешивать — лучи света или краски. Все сказанное имеет прямое отношение к компьютерной графике. Мониторы отображают цвета в результате смешения цветных лучей света, испускаемых люминофорами, а печатающие устройства смешивают краски, т. е. вещества, обладающие способностью поглощать одну часть лучей света и отражать другую.
Оказалось, что почти все цвета можно получить путем смешения в определенных пропорциях только трех так называемых базовых цветов. Например, в качестве базовых цветов можно взять красный, зеленый и синий, если смешивать лучи света. Если же смешивать не лучи, а краски, то базовыми будут голубой ( cyan ), пурпурный ( magenta ) и желтый ( yellow ) цвета. Важно, что количество базовых цветов невелико, что позволяет довольно компактно представлять информацию о цвете в памяти компьютера. Именно это обстоятельство, обнаруженное физиками несколько столетий назад, открыло перспективу для создания техники воспроизведения и хранения графической информации. Открытие возможности представления практически любого цвета с помощью нескольких базовых подобно изобретению азбуки.
Говоря о цветах, часто используют термины тон и оттенок а также тени, средние тона и света.
Под тоном обычно понимают спектральный цвет или цвет, полученный смешением базовых цветов максимальной яркости. Изменяя яркость данного цвета, получают его оттенки. Под тенями имеют в виду области изображения низкой яркости (освещенности). Аналогично, средние тона — участки изображения средней яркости, а света — участки высокой яркости. Если смешать лучи трех базовых цветов (красного, зеленого и синего) одинаковой яркости, то получится некий оттенок серого цвета. Сохраняя одинаковость яркостей составляющих, но изменяя величину яркости, можно получить всю шкалу оттенков серого цвета ( gray scale ), от черного до белого. Изображения, выполненные в оттенках (или градациях) серого цвета, называют полутоновыми.
А теперь рассмотрим важную характеристику света, которая называется температурой . Дело в том, что современные мониторы, а также фотопленки характеризуются, помимо прочего, величиной цветовой температуры, и фотохудожники, кинооператоры и полиграфисты учитывают ее. Более того, профессионалы в значительной мере отличаются от любителей тем, что хорошо понимают и умело используют это понятие в своей практике. Мы различаем зимний и летний полуденный белый свет в ясную погоду, отличаем утренний и вечерний белый свет от ясного неба. Мы уж не говорим о различиях белого света при различных вариациях состояния атмосферы: облачность, туман, видимость солнца и т. п. А как насчет освещения лампами в помещении? Лампы могут быть обычными, т. е. лампами накаливания, а также дневного света с различными наполнителями. Лампы дают белый, но особенный свет. И эти различия белого света можно описать количественно, просто через температуру света.
Откуда взялось понятие «белый свет»? Белый свет исходит от Солнца, неба (даже тогда, когда Солнца не видно), электрических ламп. Таким образом, белый свет создается природой и искусственными приборами. Вместе с тем, при его изучении выяснились следующие весьма любопытные обстоятельства.
Как уже отмечалось, белый свет с помощью обычной стеклянной призмы можно разложить на множество различных цветов. Эту разноцветную шкалу обычно называют спектром . Но спектр это не просто шкала цветов. Каждый участок этой шкалы характеризуется еще одним параметром — мощностью (яркостью, интенсивностью) излучения в соответствующем диапазоне волн. Вспомним, что свет (излучение, распространяющееся в виде волны) воспринимается глазом как окрашенный в тот или иной цвет в зависимости от длины волны. Прежде чем перейти к дальнейшим рассуждениям, понадобится еще одно абстрактное понятие: так называемое абсолютно черное тело . Но сначала рассмотрим простое черное тело. Понятно, что это — любое тело, воспринимаемое нами как окрашенное в черный цвет. Например, черная бархотка, сажа и т. п. Мы уже знаем, что черное тело потому и черное, что поглощает почти все составляющие падающего на него белого цвета. Абсолютно черное тело поглощает абсолютно в c е падающее на него электромагнитное излучение (в том числе и белый свет) и ничего не отражает. Однако если абсолютно черное тело нагреть, то оно начнет, наоборот, излучать свет. Спектр этого излучения зависит только от температуры нагрева тела и не зависит от природы его материала. Как показали эксперименты, длина волны, при которой энергия излучения максимальна, обратно пропорциональна температуре нагрева тела. Из этой зависимости следует, в частности, что чем выше температура нагретого тела, тем короче волны, на которые приходится максимум энергии излучения. Другими словами, с увеличением температуры тела максимум энергии его излучения смещается в область синих оттенков.
Температуру света (излучения) измеряют в градусах по шкале Кельвина. Это линейная шкала, в которой 0 соответствует примерно –273 градусам по шкале Цельсия. Ноль градусов по Кельвину называют абсолютным нулем . При этой температуре, согласно физике, ничто не движется и ничто не излучается. Напомним, что ноль градусов по шкале Цельсия соответствует замерзанию воды на высоте на уровне моря. Когда мы говорим, что белый свет имеет температуру T градусов по Кельвину, то это означает, что он имеет такой же спектр, что и излучение абсолютно черного тела, нагретого до указанной температуры. Аналогично, если мы говорим, что, например, красный цвет имеет температуру T, то это означает, что он имеет такой же вид, что и красный цвет в спектре абсолютно черного тела, нагретого до температуры T. На рис. 2 показаны диапазоны цветовых температур некоторых естественных и искусственных источников света.
Рис. 2. Диапазоны цветовых температур некоторых естественных и искусственных источников света
Понимать, что такое температура света, а также умело использовать свет на практике особенно важно для фотографов, кино- и видеооператоров, а также для полиграфистов. Фотографы решают задачу, как будет выглядеть изображение при съемке на ту или иную пленку при определенном освещении. Например, цвет, воспринимаемый нами как голубоватый, в условиях ночной съемки может оказаться при печати зеленоватым. Дело в том, что фотопленка рассчитана на освещение белым светом определенной температуры (с допуском порядка 3000 К). Если вы снимаете ночью (даже со вспышкой), то температура белого света ночного освещения будет совсем другой, что и отразится на результатах съемки. Фотограф-профессионал может использовать подобные цветовые сдвиги для реализации своих художественных замыслов, а любитель обычно оказывается в недоумении и пытается стихийно сменить тип (марку) пленки. Кино- и видеооператоры обычно знают о температуре света, выбирая источник освещения сцены съемок. Для полиграфии важно, какую температуру имеет белый цвет бумаги, на которой будет производиться печать. Белая бумага может быть ослепительно белой, желтоватой, голубоватой и других оттенков. Одни и те же краски на белой бумаге разных типов будут выглядеть по-разному.
Следует отметить, что интуитивно мы считаем более теплыми те цвета, которые ближе к красному концу спектра, и наоборот, синий и фиолетовый цвета оцениваем как холодные. Однако с точки зрения теории излучения красный цвет имеет более низкую цветовую температуру, а синий — более высокую. Вспомните, как говорят о температуре звезд: охлаждающийся красный карлик и горячая, голубая сверхновая звезда. Другой пример: нагревая металл, мы видим, что его цвет с увеличением температуры изменяется от красного к желтому и даже белому (если довести его до «белого каления»). Дело в том, что длина волны, соответствующая максимуму излучения абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его температуре. Чем выше температура тела, тем больше доля мощности излучения в области коротких длин волн (т. е. в области синих тонов). С увеличением температуры их роль в формировании белого цвета усиливается. Поэтому если тело представляется вам красным, то оно еще не очень разогрето, а если оно имеет голубой оттенок, то это означает, что температура его столь высока, что влияние синей части спектра стало заметным. Общее же правило таково: чем короче длина волны излучения, тем выше его температура.
Теперь рассмотрим особенности восприятия цвета глазом человека. В области видимого света чувствительность глаза очень высока. Если человек долгое время находился в темноте, то его глаза приспосабливаются к восприятию очень малых световых потоков. В таких условиях глаз может чувствовать отдельные фотоны (кванты света). С другой стороны, большие потоки света, превосходящие самые малые в 10 12 раз, не ослепляют нас. Глаз хорошо различает цвета, хотя и по-разному реагирует на монохроматические потоки света одинаковой мощности, но разной длины волны. Желто-зеленые лучи кажутся самыми яркими, а красные и фиолетовые — темными. Так, например, яркость голубого в 5 раз, а красного в 10 раз меньше яркости желтого цвета. Максимум чувствительности глаза совпадает с максимумом излучательной способности Солнца, он приспособлен именно к солнечному свету. Однако в настоящее время нет однозначного объяснения, почему желтые и зеленые лучи кажутся человеку намного ярче, чем красные и фиолетовые.
Теперь перейдем к рассмотрению основных цветовых моделей, лежащих в основе представления графики в компьютере.
2. Модель RGB
Цветовая модель RGB наиболее часто используется при описании цветов, получаемых смешением световых лучей. Она подходит для описания цветов, отображаемых мониторами, получаемых сканерами и цветовыми фильтрами, но не печатающими устройствами.
Цвет в модели RGB представляется как сумма трех базовых цветов — красного ( R ed), зеленого ( Green ) и синего ( Blue ). Из первых букв английских названий этих цветов составлено название модели. На рис. 3 показано, какие цвета получаются при сложении базовых.
Рис. 3. Комбинация базовых цветов модели RGB
В модели RGB каждый базовый цвет характеризуется яркостью (интенсивностью), которая может принимать 256 дискретных значений от 0 до 255. Поэтому можно смешивать цвета в различных пропорциях, варьируя яркость каждой составляющей. Таким образом, можно получить 256х256х256 = 16 777 216 цветов.
Каждому цвету можно сопоставить код, содержащий значения яркости трех базовых составляющих. Используются десятичное и шестнадцатеричное представления кода. Десятичное представление — это тройка десятичных чисел, разделенных запятыми. Первое число соответствует яркости красной составляющей, второе — зеленой, а третье — синей. Код цвета в шестнадцатеричном представлении имеет вид 0 xXXXXXX . Префикс 0 x указывает лишь на то, что мы имеем дело с шестнадцатеричным числом, а не каким-нибудь другим. За префиксом следуют шесть шестнадцатеричных цифр (0, 1, 2,…,9, A , B , C , D , E , F ). Первые две цифры — шестнадцатеричное число, представляющее яркость красной составляющей, вторая и третья пары соответствуют яркости зеленой и синей составляющих.
Если все составляющие имеют максимальную яркость (255,255,255 — в десятичном представлении; 0 xFFFFFF — в шестнадцатеричном представлении), то получается белый цвет. Минимальная яркость (0,0,0 или 0x000000) соответствует черному цвету. Смешение красного, зеленого и синего цветов с различными, но одинаковыми яркостями дает шкалу из 256 оттенков (градаций) серого цвета — от черного до белого. Изображения в оттенках серого еще называют полутоновыми изображениями .
Базовые цвета смешиваются следующим образом:
Красный и зеленый при максимальной яркости дают желтый цвет. Уменьшение яркости красного изменяет результирующий цвет в сторону зеленоватого, а уменьшение яркости зеленого делает цвет оранжевым.
Зеленый и синий при максимальной яркости дают голубой. Изменяя пропорцию яркостей можно получить 65 000 оттенков голубого, от небесного до темно-синего.
Красный и синий при максимальной яркости дают пурпурный или фиолетовый. Уменьшение яркости синего сдвигает цвет в сторону розового, а уменьшение красного — в сторону пурпурного.
Поскольку яркость каждой из базовых составляющих цвета может принимать только 256 целочисленных значений, каждое значение можно представить 8-разрядным двоичным числом (последовательностью из 8 нулей и единиц, 256 = 2 8) или, другими словами, одним байтом . Напомним, что каждый разряд в байте называется битом (двоичной единицей или нулем). Таким образом, в модели RGB информация о каждом цвете передается 3 байтами (по одному байту на каждый базовый цвет) или 24 битами памяти. Заметим, что поскольку все оттенки серого цвета образуются смешением трех составляющих одинаковой яркости, то для представления любого из 256 оттенков серого требуется лишь 1 байт.
Все ли цвета, различимые человеческим глазом, можно представить с помощью модели RGB? Другими словами, совпадают ли цветовые диапазоны человеческого глаза и модели RGB? Вообще говоря, нет. Однако для практических нужд вполне достаточно более 16 млн цветов, представляемых в RGB.
Следует иметь в виду, что не любой цвет в RGB можно вывести на печать. Другими словами, цвета на экране вашего монитора могут выглядеть иначе при их выводе на печать, причем это отличие может оказаться принципиальным, а не только зависеть от низкого качества принтера или монитора.
Модель RGB называют также аддитивной, поскольку по мере увеличения яркости составляющих цветов увеличивается яркость результирующего цвета.
3. Модель CMYK
Рассмотренная в предыдущем разделе модель RGB хорошо описывает цвета, получаемые в результате смешения лучей света различной окраски. Таким образом, она подходит для описания цветов, видимых на мониторе, а также получающихся при сканировании изображений, но не вполне подходит для печатающих устройств.
Смешение красок, которое делают печатающие устройства, описывает модель CMYK. В этой модели используются три базовых цвета: голубой ( Cyan ), пурпурный ( M agenta) и желтый ( Yellow ). Кроме того, применяется черный цвет ( blacK ), но о нем будет рассказано позже. На рис. 4. показана комбинация базовых цветов CMYK.
Рис. 4. Комбинация базовых цветов модели CMYK
Каждый из трех базовых цветов модели CMYK получается в результате вычитания из белого цвета одного из базовых цветов модели RGB . Так, например, голубой (cyan) получается вычитанием красного из белого, а желтый (yellow) — вычитанием синего. Напомним, что в модели RGB белый цвет представляется как смесь красного, зеленого и синего максимальной яркости.
В связи с тем, что базовые цвета CMYK получаются путем вычитания из белого базовых цветов RGB, их называют субтрактивными .
Вычитание цвета соответствует поглощению его краской. Например, голубая (cyan) краска поглощает из падающего на нее белого света красную составляющую, а все остальное отражает. Этот отраженный свет наш глаз и воспринимает как голубой. Белый лист бумаги кажется нам белым потому, что он отражает практически весь падающий на него белый свет. С другой стороны, черные предметы почти ничего не отражают, а поглощают почти весь свет.
Базовые цвета модели CMYK являются довольно яркими цветами и не вполне пригодны для воспроизведения темных цветов. Так, при их смешивании на практике получается не чисто черный, а грязно-коричневый цвет. Поэтому в цветовую модель CMYK включен еще и чистый черный цвет, который используется для создания темных оттенков, а также для печати черных элементов изображения. Смешение цветов в модели CMYK противоположно смешению составляющих в модели RGB. Однако краски субтрактивной модели не являются столь чистыми, как цвета аддитивной модели. Этим и объясняются следующие особенности:
Голубой и пурпурный при максимальной яркости дают глубокий синий цвет с небольшим фиолетовым оттенком. Уменьшение яркости голубого делает цвет пурпурным, а уменьшение яркости пурпурного — средне-синим (желтой краски нет совсем).
Пурпурный и желтый при максимальной яркости дают смесь ярко-красного цвета. Уменьшение яркости пурпурной составляющей дает оранжевый, а уменьшение яркости желтой — розовый цвет (голубая составляющая отсутствует).
Желтый и голубой образуют ярко-зеленый цвет с небольшим оттенком синего. Уменьшение яркости желтого дает изумрудный цвет, а уменьшение яркости голубого — салатовый цвет (пурпурная составляющая отсутствует).
Основные цвета рассмотренных выше моделей RGB и CMYK находятся в зависимости, которую можно представить графически с помощью рис. 5.
Рис. 5. Взаимосвязь основных цветов моделей RGB и CMYK
Каждый цвет расположен напротив дополняющего его и между цветами, с помощью которых он получен. Чтобы усилить какой-либо цвет, необходимо ослабить дополняющий цвет, расположенный на противоположной стороне круга (рис.5). Например, чтобы усилить желтый (Yellow), следует ослабить синий ( Blue ). На цветовом круге желтый расположен между зеленым (Green) и красным (Red). Сложение этих цветов дает желтый (Yellow).
В заключение отметим, что не все цвета модели CMYK могут быть представлены в модели RGB и наоборот. В количественном отношении цветовой диапазон CMYK меньше цветового диапазона RGB. Это обстоятельство имеет принципиальное значение, а не обусловлено только физическими особенностями монитора, печатающего устройства или красок и холста.
4. Модели HSB и HLS
Модель HSB основана на трех параметрах: H — оттенок или тон ( H ue), S — насыщенность ( S aturation) и B — яркость ( Brightness ). Модель HSB лучше, чем RGB и CMYK , соответствует понятию цвета, которое используют профессиональные художники. У них обычно есть несколько основных красок, а все другие получаются добавлением к ним белой и черной. Таким образом, нужные цвета — это некоторая модификация основных: осветлить или затемнить. Хотя художники и смешивают различные краски, но это уже выходит за рамки модели HSB.
Насыщенность характеризует чистоту цвета. Нулевая насыщенность соответствует серому цвету, а максимальная — наиболее яркому варианту данного цвета. Можно считать, что изменение насыщенности связано с добавлением белой краски. То есть уменьшение насыщенности соответствует добавлению белой краски.
Яркость понимается как степень освещенности. При нулевой яркости цвет становится черным. Максимальная яркость при максимальной насыщенности дают наиболее выразительный вариант данного цвета. Можно также считать, что яркость изменяется путем добавления черной краски. Чем больше черной краски добавлено, тем меньше яркость.
Графически модель HSB можно представить в виде кольца, по окружности которого располагаются оттенки цветов (рис. 6). На внешнем крае круга находятся чистые спектральные цвета или цветовые тона (параметр H измеряется в угловых градусах, от 0 до 360). Чем ближе к центру круга расположен цвет, тем меньше его насыщенность, тем он более блеклый, пастельный (параметр S измеряется в процентах). Яркость (освещенность) отображается на линейке, перпендикулярной плоскости цветового круга (параметр B измеряется в процентах). Все цвета на внешнем круге имеют максимальную яркость.
Рис. 6. Графическое представление модели HSB
В некоторых графических редакторах, например, в Macromedia FreeHand используется модель HLS (Hue, Lightness, Saturation), которая похожа на HSB. В модели HLS, в отличие от HSB, вместо яркости используется параметр L — освещенность ( Lightness ). Уменьшение освещенности приближает цвет к черному, а увеличение — к белому. Чистый спектральный цвет получается при освещенности 50%.
Модели HSB и HLS не ориентированы ни на какое техническое устройство воспроизведения цветов, поэтому их называют еще аппаратно независимыми .
5.Модель Lab
Выше уже отмечалось, что модель RGB ориентирована в основном на особенности излучаемого света (монитор), а CMYK — на особенности поглощаемого света (принтер). Кроме того, цветовые диапазоны этих моделей не совпадают. Добавим, что RGB хорошо воспроизводит цвета в диапазоне от синего до зеленого и несколько хуже — желтые и оранжевые оттенки, а в модели CMYK не хватает очень многих оттенков. Модель Lab лишена всех этих недостатков. В Lab работают многие профессионалы компьютерной графики.
Модель Lab основана на трех параметрах: L — яркость ( Luminosity ) и два цветовых параметра — a и b (рис. 7). Параметр a содержит цвета от темно-зеленого через серый до ярко-розового. Параметр b содержит цвета от светло-синего через серый до ярко-желтого. Параметр L еще называют освещенностью, легкостью и даже светлостью. Следует отметить, что понятия яркости в моделях Lab и HSB не тождественны. Как и в RGB, смешение цветов из шкал a и b позволяет получить более яркие цвета. Уменьшить яркость результирующего цвета можно за счет параметра яркости L.
Рис. 7. Графическое представление модели Lab
Модель Lab аппаратно независима, ее цветовой диапазон покрывает диапазоны RGB и CMYK. В графическом редакторе Photoshop при переходе от режима RGB к CMYK используется Lab в качестве промежуточного этапа.
6.Цветовой охват
Огромное количество различных цветов, которые мы воспринимаем, может быть представлено на экране монитора и на бумаге. Однако не все цвета, которые мы видим в природе, можно в точности воспроизвести на мониторе. Например, он плохо воспроизводит чистые голубой и желтый цвета. Часть цветов, отображаемых монитором, можно напечатать. Однако при печати плохо передаются цвета, имеющие очень низкую плотность. Речь идет о так называемом цветовом охвате или диапазоне (Gamut) цветовых моделей.
Наибольшим цветовым охватом обладает модель Lab, в ней можно представить практически все природные цвета, которые способен воспринять человек. Собственно, с этой целью она и создавалась. Соотношение цветовых охватов моделей Lab, RGB и CMYK представлено на рис.8.
Рис. 8. Цветовой охват различных цветовых моделей
7.Глубина цвета
В растровом изображении каждый пиксел содержит информацию о своем цвете. Цвет представляется числами в соответствии с той или иной цветовой моделью, например, RGB , CMYK , HSB и др. Так, в модели RGB каждый пиксел описывается тремя числами, соответствующими яркостям базовых цветовых составляющих. В модели CMYK пиксел описывается четырьмя числами. В моделях HSB и Lab пиксел описывается тремя числами, соответствующими значениям параметров этих моделей. Числа, которыми описывается цвет пикселов, еще называют цветовыми каналами.
Как известно, числа можно представлять в различных системах счисления. В обычной практике мы используем десятичную систему, в которой для записи чисел применяются 10 цифр (0, 1, 2, …, 9). В программировании часто используется шестнадцатеричная система счисления, в которой применяются 16 цифр ( 0, 1, 2,…, 9, A , B , C , D , E , F ). Работа компьютеров основана на двоичной системе с двумя цифрами — 0 и 1. Двоичную цифру называют битом . Бит может принимать только одно из двух возможных значений. Количество бит, отводимое на каждый пиксел для представления цветовой информации, называют цветовой глубиной (color depth), или битовой глубиной цвета (bit depth) .
Цветовая глубина определяет, как много цветов может быть представлено пикселом. Например, если цветовая глубина равна 1 бит, то пиксел может представлять только один из двух возможных цветов, например, белый или черный. Если цветовая глубина равна 8 бит, то количество возможных цветов равно 2 8 = 256. При глубине цвета 24 бит количество цветов превышает 16 млн. Связь между битовой глубиной цвета и количеством цветов проста:
Количество цветов = 2 битовая глубина цвета
Иногда под цветовой глубиной понимают максимальное количество цветов, которые можно представить. Очевидно: чем больше цветовая глубина, тем больше объем файла, содержащего описание всего изображения.
Изображения в системах RGB, CMYK, Lab и оттенках серого ( gray scale ) обычно содержат 8 бит на один цветовой канал. Поскольку в RGB и Lab три цветовых канала, глубина цвета в этих режимах равна 8 3 = 24 бит. В СMYK четыре канала и поэтому цветовая глубина равна 8 4 = 32 бит. В полутоновых изображениях только один канал, следовательно, его цветовая глубина равна 8 бит. Однако Photoshop может воспринимать RGB, CMYK, Lab и изображения в оттенках серого, содержащие 16 бит на канал.
Свет и цвет: основы основ
Мы часто говорим о таком понятии как свет, источниках освещения, цвете изображений и объектов, но не совсем хорошо себе представляем, что такое свет и что такое цвет. Пора разобраться с этими вопросами и перейти от представления к понимаю.
Мы окружены
Осознаем мы этого или нет, но мы находимся в постоянном взаимодействии с окружающим миром и принимаем на себя воздействие различных факторов этого мира. Мы видим окружающее нас пространство, постоянно слышим звуки от различных источников, ощущаем тепло и холод, не замечаем, что пребываем под воздействием естественного радиационного фона, а также постоянно находимся в зоне излучения, которое исходит от огромного количества источников сигналов телеметрии, радио и электросвязи. Почти всё вокруг нас испускает электромагнитное излучение. Электромагнитное излучение — это электромагнитные волны, созданные различными излучающими объектами – заряженными частицами, атомами, молекулами. Волны характеризуются частотой следования, длинной, интенсивностью, а также рядом других характеристик. Вот вам просто ознакомительный пример. Тепло, исходящее от горящего костра – это электромагнитная волна, а точнее инфракрасное излучение, причем очень высокой интенсивности, мы его не видим, но можем почувствовать. Врачи сделали рентгеновский снимок – облучили электромагнитными волнами, обладающими высокой проникающей способностью, но мы этих волн не ощутили и не увидели. То, что электрический ток и все приборы, которые работают под его действием, являются источниками электромагнитного излучения, вы все, конечно же, знаете. Но в этой статье я не стану рассказать вам теорию электромагнитного излучения и его физическую природу, я постараюсь более мене простым языком объяснить, что же такое видимый свет и как образуется цвет объектов, которые мы с вами видим. Я начал говорить про электромагнитные волны, чтобы сказать вам самое главное: Свет – это электромагнитная волна, которая испускается нагретым или находящимся в возбужденном состоянии веществом. В роли такого вещества может выступить солнце, лампа накаливания, светодиодный фонарик, пламя костра, различного рода химические реакции. Примеров может быть достаточно много, вы и сами можете привести их в гораздо большем количестве, чем я написал. Необходимо уточнить, что под понятием свет мы будем подразумевать видимый свет. Всё выше сказанное можно представить в виде вот такой картинки (Рисунок 1).
Рисунок 1 – Место видимого излучения среди других видов электромагнитного излучения.
На Рисунке 1 видимое излучение представлено в виде шкалы, которая состоит из «смеси» различных цветов. Как вы уже догадались – это спектр. Через весь спектр (слева направо) проходит волнообразная линия (синусоидальная кривая) – это электромагнитная волна, которая отображает сущность света как электромагнитного излучения. Грубо говоря, любое излучение – есть волна. Рентгеновское, ионизирующее, радиоизлучение (радиоприемники, телевизионная связь) – не важно, все они являются электромагнитными волнами, только каждый вид излучения имеет разную длину этих волн. Синусоидальная кривая является всего лишь графическим представлением излучаемой энергии, которая изменяется во времени. Это математическое описание излучаемой энергии. На рисунке 1 вы также можете заметить, что изображенная волна как бы немного сжата в левом углу и расширена в правом. Это говорит о том, что она имеет разную длину на различных участках. Длина волны – это расстояние между двумя её соседними вершинами. Видимое излучение (видимый свет) имеет длину волны, которая изменяется в пределах от 380 до 780nm (нанометров). Видимый свет — всего лишь звено одной очень длинной электромагнитной волны.
От света к цвету и обратно
Ещё со школы вы знаете, что если на пути луча солнечного света поставить стеклянную призму, то большая часть света пройдет через стекло, и вы сможете увидеть разноцветные полосы на другой стороне призмы. То есть изначально был солнечный свет — луч белого цвета, а после прохождения через призму разделился на 7 новых цветов. Это говорит о том, что белый свет состоит из этих семи цветов. Помните, я только что говорил, что видимый свет (видимое излучение) — это электромагнитная волна, так вот, те разноцветные полосы, которые получились после прохождения солнечного луча через призму – есть отдельные электромагнитные волны. То есть получаются 7 новых электромагнитных волн. Смотрим на рисунок 2.
Рисунок 2 – Прохождение луча солнечного света через призму.
Каждая из волн имеет свою длину. Видите, вершины соседних волн не совпадают друг с другом: потому что красный цвет (красная волна) имеет длину примерно 625-740nm, оранжевый цвет (оранжевая волна) – примерно 590-625nm, синий цвет (синяя волна) – 435-500nm., не буду приводить цифры для остальных 4-х волн, суть, я думаю, вы поняли. Каждая волна – это излучаемая световая энергия, то есть красная волна излучает красный свет, оранжевая – оранжевый, зеленая – зеленый и т.д. Когда все семь волн излучаются одновременно, мы видим спектр цветов. Если математически сложить графики этих волн вместе, то мы получим исходный график электромагнитной волны видимого света – получим белый свет. Таким образом, можно сказать, что спектр электромагнитной волны видимого света – это сумма волн различной длины, которые при наложении друг на друга дают исходную электромагнитную волну. Спектр «показывает из чего состоит волна». Ну, если совсем просто сказать, то спектр видимого света – это смесь цветов, из которых состоит белый свет (цвет). Надо сказать, что и у других видов электромагнитного излучения (ионизирующего, рентгеновского, инфракрасного, ультрафиолетового и т.д.) тоже есть свои спектры.
Любое излучение можно представить в виде спектра, правда таких цветных линий в его составе не будет, потому, как человек не способен видеть другие типы излучений. Видимое излучение – это единственный вид излучений, который человек может видеть, потому-то это излучение и назвали – видимое. Однако сама по себе энергия определенной длины волны не имеет никакого цвета. Восприятие человеком электромагнитного излучения видимого диапазона спектра происходит благодаря тому, что в сетчатке глаза человека располагаются рецепторы, способные реагировать на это излучение.
Но только ли путем сложения семи основных цветов мы можем получить белый цвет? Отнюдь. В результате научных исследований и практических экспериментов было установлено, что все цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз, можно получить смешиванием всего лишь трех основных цветов. Три основных цвета: красный, зеленый, синий. Если с помощью смешивания этих трех цветов можно получить практически любой цвет, значит можно получить и белый цвет! Посмотрите на спектр, который был приведен на рисунке 2, на спектре четко просматриваются три цвета: красный, зеленый и синий. Именно эти цвета лежат в основе цветовой модели RGB (Red Green Blue).
Проверим как это работает на практике. Возьмем 3 источника света (прожектора) — красный, зеленый и синий. Каждый из этих прожекторов излучает только одну электромагнитную волну определенной длины. Красный – соответствует излучению электромагнитной волны длиной примерно 625-740nm (спектр луча состоит только из красного цвета), синий излучает волну длиной 435-500nm (спектр луча состоит только из синего цвета), зеленый – 500-565nm (в спектре луча только зеленый цвет). Три разных волны и больше ничего, нет никакого разноцветного спектра и дополнительных цветов. Теперь направим прожектора так, чтобы их лучи частично перекрывали друг друга, как показано на рисунке 3.
Рисунок 3 — Результат наложения красного, зеленого и синего цветов.
Посмотрите, в местах пересечения световых лучей друг с другом образовались новые световые лучи – новые цвета. Зеленый и красный образовали желтый, зеленый и синий – голубой, синий и красный — пурпурный. Таким образом, изменяя яркость световых лучей и комбинируя цвета можно получить большое многообразие цветовых тонов и оттенков цвета. Обратите внимание на центр пересечения зеленого, красного и синего цветов: в центре вы увидите белый цвет. Тот самый, о котором мы недавно говорили. Белый цвет – это сумма всех цветов. Он является «самым сильным цветом» из всех видимых нами цветов. Противоположный белому – черный цвет. Черный цвет – это полное отсутствие света вообще. То есть там, где нет света — там мрак, там всё становится черным. Пример тому — иллюстрация 4.
Рисунок 4 – Отсутствие светового излучения
Я как-то незаметно перехожу от понятия свет к понятию цвет и вам ничего не говорю. Пора внести ясность. Мы с вами выяснили, что свет – это излучение, которое испускается нагретым телом или находящимся в возбужденном состоянии веществом. Основными параметрами источника света являются длина волны и сила света. Цвет – это качественная характеристика этого излучения, которая определяется на основании возникающего зрительного ощущения. Конечно же, восприятие цвета зависит от человека, его физического и психологического состояния. Но будем считать, что вы достаточно хорошо себя чувствуете, читаете эту статью и можете отличить 7 цветов радуги друг от друга. Отмечу, что на данный момент, речь идет именно о цвете светового излучения, а не о цвете предметов. На рисунке 5 показаны зависимые друг от друга параметры цвета и света.
Рисунки 5 и 6– Зависимость параметров цвета от источника излучения
Существуют основные характеристики цвета: цветовой тон (hue), яркость (Brightness), светлость (Lightness), насыщенность (Saturation).
Цветовой тон (hue)
– Это основная характеристика цвета, которая определяет его положение в спектре. Вспомните наши 7 цветов радуги – это, иначе говоря, 7 цветовых тонов. Красный цветовой тон, оранжевый цветовой тон, зелёный цветовой тон, синий и т.д. Цветовых тонов может быть довольно много, 7 цветов радуги я привел просто в качестве примера. Следует отметить, что такие цвета как серый, белый, черный, а также оттенки этих цветов не относятся к понятию цветовой тон, так как являются результатом смешивания различных цветовых тонов.
Яркость (Brightness)
– Характеристика, которая показывает, насколько сильно излучается световая энергия того или иного цветового тона (красного, желтого, фиолетового и т.п.). А если она вообще не излучается? Если не излучается – значит, её нет, а нет энергии — нет света, а там где нет света, там черный цвет. Любой цвет при максимальном снижении яркости становится черным цветом. Например, цепочка снижения яркости красного цвета: красный — алый — бордовый — бурый — черный. Максимальное увеличение яркости, к примеру, того же красного цвета даст «максимально красный цвет».
Светлость (Lightness)
– Степень близости цвета (цветового тона) к белому. Любой цвет при максимальном увеличении светлости становится белым. Например: красный — малиновый — розовый — бледно-розовый — белый.
– Степень близости цвета к серому цвету. Серый цвет является промежуточным цветом между белым и черным. Серый цвет образуется путем смешивания в равных количествах красного, зеленого, синего цвета с понижением яркости источников излучения на 50%. Насыщенность изменяется непропорционально, то есть понижение насыщенности до минимума не означает, что яркость источника будет снижена до 50%. Если цвет уже темнее серого, при понижении насыщенности он станет ещё более темным, а при дальнейшем понижении и вовсе станет черным цветом.
Такие характеристики цвета как цветовой тон (hue), яркость (Brightness), и насыщенность (Saturation) лежат в основе цветовой модели HSB (иначе называемая HCV).
Для того чтобы разобраться в этих характеристиках цвета, рассмотрим на рисунке 7 палитру цветов графического редактора Adobe Photoshop.
Рисунок 7 – Палитра цветов Adobe Photoshop
Если вы внимательно посмотрите на рисунок, то обнаружите маленький кружочек, который расположен в самом верхнем правом углу палитры. Этот кружочек показывает, какой цвет выбран на цветовой палитре, в нашем случае это красный. Начнем разбираться. Сначала посмотрим на числа и буквы, которые расположены в правой половине рисунка. Это параметры цветовой модели HSB. Самая верхняя буква – H (hue, цветовой тон). Он определяет положение цвета в спектре. Значение 0 градусов означает, что это самая верхняя (или нижняя) точка цветового круга – то есть это красный цвет. Круг разделен на 360 градусов, т.е. получается, в нем 360 цветовых тонов. Следующая буква – S (saturation, насыщенность). У нас указано значение 100% — это значит, что цвет будет «прижат» к правому краю цветовой палитры и имеет максимально возможную насыщенность. Затем идет буква B (brightness, яркость) – она показывает, насколько высоко расположена точка на палитре цветов и характеризует интенсивность цвета. Значение 100% говорит о том, что интенсивность цвета максимальна и точка «прижата» к верхнему краю палитры. Буквы R(red), G(green), B(blue) — это три цветовых канала (красный, зеленый, синий) модели RGB. В каждом в каждом из них указывается число, которое обозначает количество цвета в канале. Вспомните пример с прожекторами на рисунке 3, тогда мы выяснили, что любой цвет может быть получен путем смешивания трех световых лучей. Записывая числовые данные в каждый из каналов, мы однозначно определяем цвет. В нашем случае 8-битный канал и числа лежат в диапазоне от 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показывают интенсивность света (яркость цвета). У нас в канале R указано значение 255, а это значит, что это чистый красный цвет и у него максимальная яркость. В каналах G и B стоят нули, что означает полное отсутствие зеленого и синего цветов. В самой нижней графе вы можете увидеть кодовую комбинацию #ff0000 — это код цвета. У любого цвета в палитре есть свой шестнадцатиричный код, который определяет цвет. Есть замечательная статья Теория цвета в цифрах, в которой автор рассказывает как определять цвет по шестнадцатеричному коду.
На рисунке вы также можете заметить перечеркнутые поля числовых значений с буквами «lab» и «CMYK». Это 2 цветовых пространства, по которым тоже можно характеризовать цвета, о них вообще отдельный разговор и на данном этапе незачем вникать в них пока не разберетесь с RGB.
Можете открыть цветовую палитру Adobe Photoshop и поэксперовать со значением цветов в полях RGB и HSB. Вы заметите, что изменение числовых значений в каналах R, G, и B приводит к изменению числовых значений в каналах H, S, B.
Цвет объектов
Пора поговорить о том, как так получается, что окружающие нас предметы принимают свой цвет, и почему он меняется при различном освещении этих предметов.
Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.
Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.
— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.
— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.
— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.
Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну (Рисунок 8).
Рисунок 8 – Отражение зеленой волны спектра
Бананы на рисунке 9 выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.
Рисунок 9 – Отражение желтой волны спектра
Собачка, та что изображена на рисунке 10 – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.
Рисунок 10 – Отражение всех волн спектра
Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.
В следующей статье речь пойдет о новой характеристике цвета — цветовой температуре.