До настоящего момента мы говорили об однородном световом потоке. Фактически, он и есть однородный, но может проявлять себя в бесконечном множестве различных вариаций. Настало время рассмотреть свет со стороны другой теории- волновой.
Так как свет является еще и волной, то, разумеется, он имеет длину волны. Длин волн бесконечное множество, но наш глаз в состоянии регистрировать только их небольшой диапазон, известный под названием видимой части спектра или светового спектра.
Начнем с того, что цвет не является самостоятельной материальной субстанцией. Он не
существует сам по себе, о чем мы в повседневной жизни почему-то забываем, а является продуктом нашего восприятия света.
Из широчайшего спектра электромагнитных волн, существующих в природе, человек видит, то есть воспринимает органами зрения, очень маленький диапазон. Чувствительные элементы глаза подвергаются раздражению волнами длиной от 380 (синий цвет) до 770 (красный цвет) нанометров и передают информацию о них в мозг. Причем и в этом интервале глаз ощущает свет по-разному.
Видимый глазом диапазон излучения можно разделить на семь участков, каждому из которых соответствует свой цвет. Все вместе они образуют так называемый спектр, который удается наблюдать в виде радуги. Самые короткие волны светового диапазона - от 380 до 450 нм - относятся к фиолетовой части спектра. Свет с длиной волны от 450 до 480 нм мы видим синим, от 480 до 510 - голубым, от 510 до 570 - зеленым, от 570 до 590 - желтым, от 590 до 620 - оранжевым и от 620 до 770 - красным.
Деление спектра на семь частей носит условный характер, так как между ними не существует четких границ - цвета плавно переходят друг в друга. На самом деле, как показали исследования, глаз человека в спектре способен выделить до 180 промежуточных оттенков, таких, например, как желто-зеленый или оранжево-красный цвета. Вспомнив про палитру из 16.7
миллиона цветов, воспроизводимых
монитором, не пытайтесь найти ошибку, сопоставляя эти числа. Упомянутые 180 цветов являются спектральными, а сколько есть еще и не спектральных
оттенков!
Итак, глаз неодинаково реагирует на световые волны разной длины. При этом различия касаются не только
цветового тона, но и интенсивности. Относительной спектральной чувствительностью глаза называется
зависимость визуальной яркости света от длины его волны. Иначе говоря, при
одинаковой амплитуде световая волна
воспринимается глазом как свет разной яркости в зависимости от того, к какому цветовому отрезку он принадлежит. Например, из двух одинаковых лампочек
синего и желтого света нам более яркой кажется желтая.
Кривая относительной
рисунке. Эту кривую иногда красиво называют кривой видности. На горизонтальной оси откладывается длина световой волны, а по вертикали указана относительная чувствительность. Область частот, левее синей - ультрафиолетовые волны, правее красной - инфракрасные волны.
Как видно, наши глаза наиболее сильно реагирует на желто-зеленый цвет (около 520 нм) и существенно слабее на синий и красный.
Интересно, почему запрещающий сигнал светофора, который по идее должен быть виден лучше, чем разрешающий, сделали красным, а не зеленым? Ведь об относительной чувствительности известно уже очень давно.
Художнику полезно знать о неодинаковой силе восприятия цветов. Но компьютерного художника это касается в еще большей степени - у электронных чувствительных к свету элементов совсем другой характер, хотя они тоже на волны одной длины реагирую сильнее, а другой - значительно слабее. Это же касается и воспроизводящего цвет люминофора на экране монитора. У сканеров, например, максимум чувствительности смещен в синюю часть спектра. Этим страдают и цифровые фотокамеры, тоже использующие для преобразования светового потока в электрические сигналы полупроводниковые устройства с зарядовой связью (CCD-матрицы). Очевидно, что, если мы хотим иметь в компьютере изображение именно такое, какое бы увидел его глаз, не избежать процедуры коррекции яркости отдельны участков спектра.
Сетчатка глаза состоит из рецепторов двух видов - колбочек и палочек (7 млн. колбочек и 120 млн. палочек). Функция палочек заключается в «ночном зрении» - светочувствительности и приспособлении к окружающей яркости. Функция колбочек - «дневное зрение» - восприятие цвета, формы и деталей предмета. За передачу мезгу информации о цвете отвечают колбочки, а с палочек снимается информация о яркости света, но не о его цветовом оттенке. С этим связано множество интересных и важных для работы с изображениями явлений.
Леонардо да Винчи отмечал, что "зеленый и голубой усиливают свой цвет в полутени, а красный и желтый выигрывают в цвете в своих освещенных частях, и то же самое делает белый". Наблюдение за алыми розами подтверждают это. Ярким солнечным днем цветок кажется значительно более ярким, чем листва, но стоит наступить сумеркам, как цветы становятся чуть ли не черными и выглядят гораздо темнее листьев. Дело в том, что при нормальном освещении большая часть информации поступает от колбочек, а при очень слабом - от палочек.
Как уже говорилось, максимум чувствительности колбочек лежит в желто-зеленой части спектра. Палочки же более чувствительны к голубой части. Поэтому ночью, когда свет минимален, глаз не только теряет способность отличать цвета, и все предметы кажутся серыми, но и по-другому соотносит яркость предметов. Синие ласты бумаги при слабом освещении нам кажутся более светлыми, чем красные, хотя на свету они воспринимаются совершенно иначе. Голубой, независимо от насыщенности, в темноте кажется чуть ли не белым! Явление,
обусловленное разной чувствительностью палочек и колбочек, получило название эффекта
Пуркинье.
Многочисленные исследования показывают, что разрешающая способность глаза зависит не только от яркости и контрастности двух рассматриваемых мелких деталей, но еще и от их цвета. Наибольшая разрешающая способность отмечена для черно-белых и зелены картинок. Это объясняется, так называемой, хроматической абберацией в оптической системе глаза.
Суть явления состоит в том, что для лучей света с разной длиной волны коэффициент
преломления хрусталиком глаза неодинаков. Фокус для синих лучей располагается ближе к линзе- хрусталику, то есть перед сетчаткой. Красные лучи фокусируются за сетчаткой. Только зеленые лучи фокусируются именно там, где надо.
Из-за хроматической абберацции мы не можем одинаково четко видеть все элементы цветного изображения на равноудаленной поверхности - листе бумаги, фотографии или на экране монитора. Если, скажем, зеленая надпись читается также четко, как и черная, то для красной и синей нам надо перефокусировать зрение - изменить кривизну хрусталика, настроить его на другое фокусное расстояние. При чтении красной надписи, зеленая, а тем более синяя, из фокуса выпадут и станут нечеткими. Обратите внимание, что когда вы работаете с клавиатурой и четко видите красные буквы кириллицы, черные латинские расплываются. Переключая регистр, приходится адаптироваться к ним, потратив на это до нескольких секунд.
В 1756 году Ломоносов выдвинул теорию, согласно которой в сетчатке встречаются три разновидности колбочек, отличающиеся спектральной чувствительностью. При возбуждении одних мы получаем красный цвет, вторые вызывают ощущение зеленого, а третьи - синего цвета. Одновременное возбуждение колбочек двух типов, например, красного и зеленого, приводит к возникновению ощущения желтого цвета. Лучи света, попадая на сетчатку, разумеется, действуют сразу на все три вида колбочек. Цветное изображение появляется при этом из-за того, что они с разной силой реагируют на одну и ту же световую волну. Если же степень возбуждения одинакова для всех трек видов колбочек, мы видим белый цвет.
Трехкомпонентная теория цвета реализована в большинстве компьютерных устройств, включая мониторы и сканеры. На ней строятся многие цветовые модели, служащие для цифрового описания цвета. Одна из моделей, кстати, напоминает об эффекте Пуркинье, хотя и не соответствует ему в деталях.
Понимание этих вопросов позволит компьютерному художнику под другим углом посмотреть на свои работы и сделать их более совершенными и реалистичными.
миллиона цветов, воспроизводимых
Кривая относительной
Многочисленные исследования показывают, что разрешающая способность глаза зависит не только от яркости и контрастности двух рассматриваемых мелких деталей, но еще и от их цвета. Наибольшая разрешающая способность отмечена для черно-белых и зелены картинок. Это объясняется, так называемой, хроматической абберацией в оптической системе глаза.