Сергей «Scout» Кащавцев
Вы наверняка встречали в описаниях мониторов горделивое заявление о возможности выбирать цветовую температуру изображения, например, 6500 или 9300 К, а профессиональные модели обеспечивают даже плавную ее регулировку. Все хорошо, но... Что это, собственно, за зверь такой - цветовая температура?

Понятие цветовой температуры в физике

Любое тело с температурой, отличной от 0 K, испускает излучение. Такое излучение называется температурным, или тепловым излучением. Для него характерен непрерывный спектр. По мере нагревания тело излучает сначала преимущественно в инфракрасной части спектра, затем в красной части видимого спектра, и далее с повышением температуры - в желтой, фиолетовой и ультрафиолетовой частях спектра. Например, разогретая добела металлическая пластина, остывая, меняет цвет от бело-голубого через желтый, оранжевый к ярко-красному, затем к вишневому и, наконец, становится темной, практически прекращая излучать в видимой части спектра.

Почему это происходит? Дело в том, что при нагревании тела максимум мощности излучения смещается из инфракрасной в ультрафиолетовую часть спектра. То есть чем сильнее нагревается тело, тем более короткие волны излучения преобладают в его спектре. Еще раз хочу уточнить: излучение, испускаемое нагретыми твердыми телами и жидкостями, обладает непрерывным спектром, то есть содержит все длины волн видимого диапазона без исключения, но в зависимости от температуры максимум мощности излучения находится в том или ином диапазоне, и глаз воспринимает это как оттенок цвета. Выделить "на глаз" тот цвет, длине волны которого соответствует максимум мощности излучения, можно, равномерно ослабив излучение во всем видимом спектре. Простой пример: если вы посмотрите на Солнце в зените, оно будет однозначно белым. Если же свет Солнца равномерно ослабить, оно приобретает желтоватый оттенок

Для того чтобы перейти к рассмотрению цветовой температуры, необходимо ввести понятия черного тела и серого тела. Под черным телом в физике понимается тело, которое при любой температуре поглощает вс§ падающее на него излучение с любой длиной волны, ничего не отражая. Серое тело, в отличие от черного, не полностью поглощает падающее на него излучение, однако равномерно ослабляет излучение с любой длиной волны

Черное тело, как и все остальные тела, при нагревании начинает излучать. И поскольку оно поглощает весь падающий на него свет, то спектральный состав излучения черного тела будет зависеть только от его температуры, то есть на спектр излучения черного тела не влияет свет, падающий на него от другого источника, поскольку он полностью поглощается.

Черное тело обладает максимальной способностью поглощать излучение в любой области спектра. Я не буду вдаваться в подробности, отмечу только, что если тело не поглощает электромагнитные волны какой-либо длины, то оно их и не излучает . Отсюда можно сделать вывод, что черное тело обладает и максимальной излучающей способностью в любой части спектра: если нагреть черное тело до некоторой температуры, то излучать с той же мощностью на любых длинах волн не сможет ни одно другое тело, нагретое до той же температуры.

Общим для серых и черных тел является то, что в их спектрах излучения при одинаковой температуре совпадает распределение энергии, то есть нагретые до одинаковой температуры черное и серое тела имеют одинаковый процентный спектральный состав. Единственная разница в том, что мощность излучения серого тела меньше мощности излучения тела черного.

Что же такое цветовая температура? В физике это понятие используется для определения температуры серых и черных тел по длине волны, энергия которой в спектре максимальна. Формула выглядит следующим образом:

Цветовая температура = 0,0029/Длина волны, при которой мощность излучения максимальна

Таким образом была определена температура Солнца (около 6500 К) и других звезд. Кстати, Солнце и звезды являются практически идеальными черными телами; звучит немного странно, не правда ли?

Понятие цветовой температуры в колориметрии

В колориметрии к понятию цветовой температуры подходят с точностью до наоборот. В самом деле, если мы можем определить по составу спектра света цветовую температуру его теплового источника, то никто не может помещать нам определить спектральное распределение, опираясь на цветовую температуру.

Понятие "цветовая температура" в физике относится к тепловым источникам света и указывает, как распределится энергия по разным длинам волн в спектре источника света. Однако монитор не является тепловым источником - он же, в конце концов, не разогревается, как "лампочка Ильича"! Поэтому понятие "цветовой температуры" для монитора немного преобразовано: если на вашем мониторе установлена цветовая температура 6500 К, то при воспроизведении белого цвета он постарается максимально близко сымитировать спектр излучения черного тела, нагретого до этой температуры, - например Солнц. Разумеется, это не означает, что ваш монитор будет нагреваться до такой температуры; это означает только, что распределение энергии в видимом спектре излучения монитора будет соответствовать распределению энергии в видимом спектре Солнца. Таким образом, нетепловые источники света метамерны идеальному черному телу (см. рис. 3, 7, 8 статьи). В таблице приведены уровни цветовой температуры для некоторых источников света.

Источник света Цветовая температура
Лампы накаливания 2800-3200 К
Люминесцентные лампы 4100 К
Ксеноновые лампы 5290 К
Импульсные ксеноновые лампы (вспышки) 6000 К
Дневной свет 6500 К
Северное небо 7500 К

 

1 - Не следует забывать, однако, что на наше восприятие солнечного света влияет еще и атмосфера, которая преломляет и частично поглощает солнечные лучи.

2 - На самом деле ни черное, ни серое тело могут не являться "телами" в прямом смысле этого слова. Например, с улицы открытое окно дома кажется черным, поскольку проходящее через него излучение, отражаясь и поглощаясь стенами, не выходит обратно. Таким образом, в зависимости от условий освещения открытое окно можно рассматривать как черное или серое тело.

3 - См. "Курс физики" для технических вузов, раздел "Квантовая природа излучения", закон Кирхгофа.

4 - Понятие цветовой температуры также широко используется в фото-, кино- и видеосъемке как характеристика источников освещения. Так, если в описании светового прибора (осветителя) указано значение его цветовой температуры, то этот прибор в видимом спектре будет излучать с тем же спектральным распределением энергии по зонам, что и черное тело, нагретое до такой температуры.

Рис. 4.

Определение отраженного и пропущенного световых потоков.

Окраска поверхности или степень ее светлоты характеризуется относительными величинами, которые зависят от того, как поверхность отражает или пропускает свет (рис. 4).

r - коэффициент отражения [14], показывает отношение отраженного светового потока к потоку падающему.

t - коэффициент пропускания [14], показывает отношение прошедшего светового потока к потоку падающему. Оба коэффициента могут изменяться от нуля до единицы.

D - оптическая плотность [15]. Оптическая плотность характеризует степень черноты. Чем плотность больше, тем чернее рассматриваемый участок изображения. Численно плотность равна десятичному логарифму величины, обратной коэффициенту пропускания или отражения. Для поверхностей, отражающих свет, D обычно изменяется от нуля до двух. Для оптических сред [16], пропускающих свет, - от нуля до четырех. Нуль - самое белое или совсем прозрачное. Два и четыре - самое черное. Почему оптическая плотность является логарифмической величиной? Как отмечено выше, светлота пропорциональна логарифмическим величинам, а оптическая плотность - одна из них.

Наконец, последнее - реакция приемников излучения. Приемник - это то, что реагирует на излучение, преобразовывая его в другой вид энергии.

Пример
Вы лежите на пляже. Приемник - ваша кожа - поглощает ультрафиолетовые лучи и под их воздействием чернеет (или краснеет, как кому повезет).

Приемник характеризуется двумя величинами: чувствительностью и спектральной чувствительностью. Чувствительность - величина, обратная реакции приемника. Она относится ко всему падающему свету и показывает интегральную реакцию приемника на все падающее и поглощенное им излучение. Спектральная чувствительность - функция, показывающая реакцию на излучение дифференцированно для каждой длины волны. Обе величины приводятся в абсолютных или относительных единицах. Чем меньше требуется света, чтобы вызвать реакцию определенного уровня, тем выше чувствительность.

Спектральная чувствительность очень важна для измерения светлоты и цвета. Так, спектральная чувствительность глаза показывает, как изменяется реакция глаза на свет различной длины волны при одинаковой мощности излучения.

Чтобы приемник прореагировал на свет, он должен этот свет поглотить. Наш глаз поглощает (то есть видит) свет в диапазоне волн длиной 370-770 нм (нанометров). В этом же диапазоне в глазу находится как бы четыре приемника излучения. Сумеречное (палочковое) зрение различает только уровень светлоты при низкой освещенности. При высокой освещенности сумеречное зрение не работает, вместо этого включаются еще три приемника.
Рис. 5.

Кривые основных возбуждений(по Е. Н. Юстовой).

Каждый из приемников в основном видит только свой свет - синий, зеленый или красный, а затем эти ощущения складываются в мозгу. В других зонах спектра приемники ощущают хуже или не ощущают вообще (на рис. 5 показаны реакции приемников глаза на монохроматические излучения мощностью 1 Вт).

Рис. 6.

Зоны спектра.

При дальнейшем рассмотрении вопросов, связанных с цветом, будем говорить о том, что белый свет состоит из излучений трех основных цветов [17]: синего, зеленого и красного. Если смешать все излучения в диапазоне длин волн 400-500 нм, получится синее излучение, 500-600 нм - зеленое, 600-700 нм - красное (рис. 6). Цвет излучения или чувствительность приемника в зоне спектра можно обозначить буквами "КЗС". По тому, какое относительное количество КЗС-лучей подействовало на приемник (глаз), и будем судить о цвете.

Рис.Рис. 7.

Распределение КЗС лучей в спектре источников излучения с разной цветовой температурой.

Пример
Если на графике распределения КЗС-лучей в спектре излучателя определить площади, ограниченные кривой распределения для каждого из трех участков спектра, эти участки вырезать и каждый из трех взвесить, то окажется, что для каждой цветовой температуры соотношение "весов лучей" различное (рис. 7). Если веса окажутся одинаковыми, то источник света белый. Чем выше цветовая температура, тем больше весовое количество синих лучей, и общий цвет источника света уходит в синеву (дневной свет). Обратите внимание, что нетепловой источник света метамерен тепловому с одинаковой цветовой температурой. Хотя кривые распределения у них различны, но соотношения весов совпадают (рис. 8).

Рис. 8.

Метамерность теплового и нетеплового источника света с одинаковой цветовой температурой.

В дальнейшем, соотношение "весов лучей" будем называть относительными мощностями излучений.

Если относительное количество КЗС-лучей, подействовавших на адаптированный к источнику света глаз, равно соотношению этих же лучей у источника света (рис. 9), то возникает ощущение белого, серого или черного цветов. Это так называемые ахроматические [18], или не окрашенные, цвета (часто используется термин "серые"). Восприятие серых цветов связано со следующим адаптационным явлением: если на глаз действует излучение источника света с другим соотношением КЗС-лучей, то глаз к нему подстраивается (адаптируется) и опять видит белое - белым.

Рис.Рис. 9.

Условие восприятия ахроматического цвета.

Пример
Если вы вошли с солнечной улицы (где цветовая температура около 7000 К, цвет источника света голубой) в помещение без окон, освещаемое электрической лампой (цветовая температура около 2800 К, цвет источника света желтый), то в первый момент вы видите, что свет лампы желтый, а предметы с ахроматической окраской (например, лист белой бумаги) имеют желтый оттенок. Затем глаз привыкает, и свет и лист бумаги начинают восприниматься как белые. Произошла адаптация, глаз подстроился к новому источнику света и новому соотношению его КЗС.

Когда распределение мощности излучения, действующего на глаз, не соответствует источнику света, то цвет смещается вправо или влево по спектру [3] (рис. 10). Например, пурпурный цвет приобретает красный или фиолетовый оттенок, смотря по тому, каких лучей больше: К или С.

Рис. 10.

Смещение цвета по спектру в зависимости от распределения мощности излучения по зонам.

Если на глаз подействовали излучением одного (основного) цвета, возникает ощущение соответствующего С, З или К насыщенного [19] цвета. Если подействовали двумя излучениями, мощности которых соответствуют относительным мощностям источника света, то возникает ощущение голубого, пурпурного или желтого насыщенных цветов (в дальнейшем просто ГПЖ, или, на западный манер, CMY). Если подействовали все три излучения, то вступает в действие еще одно свойство глаза. Глаз вычитает из подействовавшего цветного излучения ахроматическую (белую, серую) составляющую источника света (рис. 11).

Рис.Рис. 11.

Действие излучений основных цветов и их смесей.

При этом насыщенность цвета уменьшается, цвет разбеливается [20].

Обратите внимание, насколько важна адаптация глаза к цветовой температуре источника света. Один и тот же поток излучения при зрении, адаптированном к 2850 К и к 8000 К, имеет разный цвет (рис. 12).

Рис.Рис. 12.

Зависимость восприятия цвета от цветовой температуры источника освещения.

Подробнее об этом мы поговорим в следующем номере.

Как вы уже поняли, цвет характеризуется светлотой, насыщенностью и цветовым тоном. Светлота говорит нам, какой цвет светлее, а какой темнее.

Пример
Ж-цвет светлее С-цвета динаковой с ним насыщенности (рис. 13).

Рис. 13.

Цвета одинаковой насыщенности и разной светлоты.

Насыщенность показывает степень выраженности цветового тона в цветовом ощущении. Самые насыщенные цвета - спектральные. Ахроматические цвета имеют нулевую насыщенность. Цветовой тон (маляры это называют колером) обычно описывается словами, обозначающими цвета спектра, или другими бытовыми названиями цветов.

В этой статье дана основная терминология, используемая при измерении цвета. В следующей статье вы познакомитесь с основными системами измерения цвета, после чего можно будет говорить о цветовоспроизведении.

[1] Цвет
Ощущение, которое возникает в мозгу человека после того, как световые излучения различного спектрального состава, отразившиеся от окрашенных поверхностей, попадают на сетчатку глаза. Аналогичное действие оказывают световые излучения, непосредственно испускаемые светящимися телами. Цвет характеризуется светлотой, цветовым тоном и насыщенностью.

[2] Цветовоспроизведение
Чтобы технически воспроизвести какой-либо цвет, необходимы три стадии. Первая - аналитическая. На этой стадии определяют, из каких количеств синих, зеленых и красных лучей состоит данный цвет. Вторая - градационная. На этой стадии определяют, как изменится последовательность светлот всего сюжета и, соответственно, цветов при воспроизведении. Третья - синтетическая. На этой стадии непосредственно воспроизводят цвет смешением излучений или окрашенных сред. Цветовоспроизведение бывает двух видов: аддитивное (излучениями) и субтрактивное (красками).

[3] Источник света
Это то, что испускает свет, который, отражаясь от окрашенных поверхностей, вызывает ощущение цвета. Источник света может также сам, без отражения, вызывать ощущение цвета. Источники излучения делятся на различные типы, в зависимости от спектрального распределения излучений. Интегрально источники света характеризуются цветовой температурой. Тепловые источники света изомерны абсолютно черному телу, остальные метамерны.

[4] Приемник излучения
Физические тела, преобразующие оптические излучения в другие виды энергии, называются приемниками излучения. Обычно в результате действия света возникает э. д. с., или изменяется окраска, или начинается химическая реакция. Приемники характеризуются общей и спектральной чувствительностью, а также линейностью реакции в определенном диапазоне.

[5] Реакция приемника
Обычно это отношение спектральной чувствительности приемника к спектральному излучению мощностью один ватт. В колориметрии к реакциям фотоприемника относятся "кривые сложения". Они показывают, какое количество основных излучений мощностью один ватт надо смешать, чтобы получить цвета, соответствующие спектральным.

[6] Окраска
Это физические свойства поверхности предмета избирательно отражать или поглощать падающий свет. Она придает цвет ахроматической поверхности или изменяет его. Окраска делится на три вида. Первый - краска проникает в структуру окрашиваемого тела и изменяет его цвет. Второй - красящее вещество образует цветную непрозрачную пленку, покрывающую окрашиваемое тело. Третий - красящее вещество покрывает тело прозрачной окрашенной пленкой и совместно с цветом тела создает новый цвет. Указанные виды окраски могут действовать и совместно. Окраска физически может оцениваться спектральными кривыми отражения, пропускания или оптическими плотностями.

[7] Световое излучение (Свет, видимое излучение)
Это излучение, которое может непосредственно вызывать зрительное ощущение. Любые нагретые тела испускают излучения, которые называются лучистым потоком. Та часть излучений, которая эффективна по отношению к глазу (то есть глаз ее видит), называется световым потоком. Лучистый поток измеряется в ваттах, световой - в люменах.

[8] Пороги ощущения светлоты и цвета
[8] Метод пороговых приращений
Пороги ощущения - это наименьшие изменения светлоты или цвета, которые может зафиксировать глаз. Обычно такие измерения проводят для адаптированного зрения, то есть человек в течение долгого времени (несколько часов) привыкает к уровню освещенности, вокруг него нет ярких цветов, отвлекающих внимание. Цвета или светлоты рассматриваются методом попарного сравнения и определения наименьшего порога, при котором глаз начинает различать разницу между ними, - это метод пороговых приращений.

[9] Мощность светового потока
Количественная величина, показывающая, насколько интенсивен весь поток света. Чаще используется относительное распределение мощности светового потока по спектру. Мощность светового потока измеряется в люменах.

[10] Яркость
Часть светового потока, который отражается от предмета и попадает на сетчатку глаза. Обозначается буквой В. Численно равна отношению силы света источника в рассматриваемом направлении к площади проекции светящейся или отражающей свет поверхности на плоскость, перпендикулярную этому направлению.

[11] Освещенность
Эта величина показывает мощность светового потока, падающего на единицу площади поверхности. Измеряется в люксах (лк).

[12] Светлота
Общее ощущение, которое вызывают предметы, сильнее или слабее отражающие свет. Ощущения светлоты при просмотре изображения обычно имеют три ступени: света, полутона, тени.

[13] Градация
Последовательность оптических характеристик объекта (обычно это оптические плотности или логарифмы яркостей), расположенных по возрастанию или убыванию. Является мерой изобразительной информации иллюстраций. В программах обработки изображений представлена в виде регулируемого графика - Curves.

[14] Отражение, коэффициент отражения
[14] Пропускание, коэффициент пропускания
Величины, показывающие, как изменяется световой поток или яркость поверхности при отражении или пропускании света оптической средой.

Коэффициент отражения r = Fr /F0
Коэффициент пропускания t = Ft /F0

где F0, Fr, Ft - световые потоки, падающие, отраженные и пропущенные. Эти величины можно пересчитывать в оптические плотности по формуле или при помощи таблиц.

[15] Оптическая плотность
Логарифмическая величина, обратная коэффициенту пропускания t для пропускающих свет оптических сред и обратная коэффициенту отражения r для отражающих свет поверхностей. Обозначается буквой D и определяется по формуле

D = lg(1/t) или D = lg(1/r).

Иными словами, оптическая плотность есть мера почернения изображения. Оптическую плотность можно измерить при помощи специального прибора - денситометра - или визуально, сравнивая с ранее измеренной шкалой плотностей.

[16] Оптическая среда
Это среда, в которой распространяется световой поток. Прозрачная среда не рассеивает лучей света, мутная - рассеивает в различных направлениях. Если световой поток в основном отражается от поверхности, то среда - отражающая с той или иной степенью светорассеяния. Оптическая среда (ее иногда называют несамосветящимся телом) всегда уменьшает световой поток. Уменьшение равномерно по длинам волн, если среда ахроматическая, и избирательно, если цветная. Если оптическая среда преобразует одни лучи света в другие, то она начинает светиться сама. Такая среда называется люминесцентной.

[17] Основные излучения, цвета, краски
Под основными понимаются излучения, краски или цвета, подчиняющиеся трем законам Грассмана (см. врезку к статье "Метрология цвета"). Смешивая основные в одинаковых количествах, получаем ахроматический цвет. Под одинаковым количеством понимают относительные количества, необходимые для получения ахроматических цветов. Например: если это яркости в системе CIERGB, то для белого требуется R-лучей - 680 кд/м2, G - 3121 кд/м2, B - 41 кд/м2.

[18] Ахроматические цвета, хроматические цвета
Ахроматические цвета - неокрашенные: белый, серый, черный. Они характеризуются только одной величиной - светлотой. Насыщенность равна нулю, цветовой тон белый. Эти цвета оказывают одинаковое действие на все три приемника глаза. Степень "серости" может зависеть или не зависеть от источника света. Говорят о степени метамерности к изменению цветовой температуры.

Хроматические цвета имеют более или менее выраженную насыщенность, светлоту и цветовой тон.

[19] Насыщенность
Степень выраженности цветового тона в цветовом ощущении. Насыщенность показывает, насколько цвет далек или близок к цвету монохроматического излучения того же цветового тона. В колориметрии за единицу принимается насыщенность цветов спектральных излучений. Глаз воспринимает спектральные излучения как самые насыщенные.

[20] Разбеливание, зачернение
Оба термина применяются, когда надо объяснить механизм восприятия цвета от совместного действия всех трех (КЗС) излучений. При этом белая или серая составляющие излучения или краски вычитаются из общего действия основных. У красок, рассеивающих свет, эффект разбеливания уменьшает насыщенность цветов.