Тема_01_Вступ до компютерної графіки_02

11

позбавлений сенсу, оскільки поєднує два різнорідних поняття. Так, температура є мірою кінетичної енергії, тобто це кількісна величина, яка піддається оцінці на базі абсолютних фізичних констант. У той же час колір не є самостійною матеріальною субстанцією. Він не існує сам по собі, а представляє візуальне відчуття конкретної людини, виступаючи при цьому продуктом нашого сприйняття світу, яке залежить від нашої зорової системи (сенсорів) та інтерпретації, що надходить від неї інформації мозком. Що ж тоді об’єднує два таких різнорідних поняття?

Сонячне	Вольфрамова	Флуоресцентне
світло	лампа	освітлення

Рис. 1.6. Зміна сприйманого кольору об’єкта в залежності від джерела освітлення

Поняття колірної температури в фізиці. Будь-яке тіло з температурою, відмінної від 0 К, випускає випромінювання. Воно називається температурним, або тепловим випромінюванням. Для нього характерний безперервний спектр. У міру нагрівання тіло спочатку випромінює переважно в інфрачервоній частині спектра, потім в червоній частині видимого спектру і далі з підвищенням температури – в жовтій, фіолетової та ультрафіолетової частинах спектра. Наприклад, розігріта до білого металева пластина, остигаючи, змінює колір від біло-блакитного через жовтий, оранжевий до яскравочервоного, потім до вишневого і, нарешті, стає темною, практично припиняючи випромінювати у видимій частині спектру.

Для того щоб перейти до розгляду поняття колірної температури, необхідно ввести поняття чорного тіла. Під чорним тілом у фізиці розуміється тіло, яке при будь-якій температурі поглинає все падаюче на нього випромінювання з будь-якою довжиною хвилі, нічого не відбиваючи (хоча таке тіло правильніше назвати абсолютним чорним тілом, далі ми будемо оперувати терміном чорне тіло). Чорне тіло, як і всі інші тіла, при нагріванні починає випромінювати! І оскільки воно поглинає все падаюче на нього світло, то спектральний склад випромінювання чорного тіла буде залежати тільки від його температури, тобто на спектр випромінювання чорного тіла не впливає світло, що падає на нього від іншого джерела, оскільки воно повністю поглинається.

Таким чином, колірна температура описує спектр світла, випромінюваного чорним тілом з відповідною температурою його поверхні. Грубою аналогією чорного тіла може служити нагрітий метал або камінь, які подібно чорному тілу при різній температурі характеризуються різними колірними температурами білого світла. Незважаючи на свою назву, одержаний за допомогою них білий світ має певний колірний відтінок через нерівного вмісту в ньому окремих колірних складових видимого спектру. Аналіз наведених на рис. 1.7 спектрів випромінювання абсолютно чорного тіла показує, що варіанти з колірними температурами 3000 К і 9000 К демонструють спектри, зміщені в помаранчеву і блакитну області видимого спектру відповідно. У той же час варіант 5000 К найбільш близький до ідеального джерела білого світла, оскільки характеризується збалансованістю всіх складових видимого спектру.

В результаті у міру збільшення колірної температури білий світ виглядає більш холодним за рахунок переважання в ньому короткохвильових складових спектра, що характеризуються більш високою енергією.

12

Відносна інтенсивність

Довжина хвилі, нм

Рис. 1.7. Нормовані криві відносної інтенсивності спектрів випромінювання чорного тіла для трьох різних значень колірної температури

У фізиці поняття колірної температури використовується для визначення температури чорних тіл по довжині хвилі, енергія якої в спектрі максимальна. Використовувана для цієї мети формула має такий вигляд: Т = 0,0029/λmax,

де λmax – довжина хвилі в метрах, на якій потужність випромінювання максимальна. Таким чином була визначена температура Сонця (близько 6500 К) та інших зірок. До речі, Сонце і зірки є практично ідеальними чорними тілами, звучить трохи дивно, чи не так?

Відносна інтенсивність

Довжина хвилі, нм

Рис. 1.8. Нормовані спектральні розподіли для різних фаз денного світла: 1 – світло неба в зеніті, 2 – світло неба, повністю покритого хмарами, 3 – пряме сонячне світло опівдні, 4 – пряме сонячне світло за одну годину до заходу

Незважаючи на те що колірна температура сонця дорівнює 6500 К, природні джерела випромінювання мають широкий діапазон колірних температур (рис. 1.8). Це обумовлено низкою чинників, пов’язаних з накладенням складних процесів взаємодії світлового потоку з атмосферою, оточуючими предметами та іншими світловими потоками. У результаті енергетичний спектр випромінювання природного джерела набуває набагато більш складну форму. Наприклад, якщо взяти випромінювання сонця опівдні за еталон білого кольору, то і він насправді виявиться не білим, а має те чи інше забарвлення, що виникає внаслідок зміни спектрального складу сонячного випромінювання в процесі його проходження крізь товщу

13

земної атмосфери: молекули повітря, а також ті, які знаходяться в атмосфері частинки пилу і води взаємодіють з потоком сонячного випромінювання, причому залежно від довжини хвилі цей процес відбувається менш або більш інтенсивно. Тому у вечірні і ранкові години, коли сонце знаходиться низько над горизонтом і сонячні промені повинні проходити більшу відстань в атмосфері, ніж опівдні, сонячне світло здається нам не білим, а жовтуватим, а освітлені ним предмети – пофарбованими в різні відтінки жовтого, помаранчевого, рожевого та червоного. Це відбувається через те, що атмосфера поглинає короткохвильову (умовно синю) і вільно пропускає довгохвильову (умовно червону) складові випромінювання сонця.

Поняття колірної температури в колориметрії. Якщо у фізиці колірну температуру використовують для оцінки температури об’єкта по спектрального складу його випромінювання, то в колориметрії до визначення цього поняття підходять з точністю до навпаки – колірна температура джерела випромінювання використовується для завдання спектрального складу його абсолютно білого випромінювання, тобто колірних координат білого кольору. Тут, як і у випадку абсолютно чорного тіла, залежно від температури кольору білий колір може мати більш теплі (при низькій колірній температурі) або холодні (при високій) відтінки.

Поряд з цим в колориметрії замість терміна колірна температура використовується термін корельована колірна температура. Це обумовлено наступними факторами:

–навіть спектральні характеристики реальних теплових джерел випромінювання (сонце, лампа розжарювання, фотографічна лампа-спалах) і, відповідно, їх кольоровості практично ніколи не збігаються із спектральними характеристиками і колірністю ідеального чорного тіла при даній колірній температурі;

–в якості джерел освітлення широко використовуються нетеплові джерела (флуоресцентні лампи, лампи-спалахи, монітори), спектри яких ще більш сильно відрізняються від спектрів абсолютно чорного тіла.

У контексті сказаного поняття корельованих колірної температури відповідає колірній температурі ідеального чорного тіла, при якій колірність його випромінювання збігається з колірністю випромінювання даного джерела. При цьому спектральний склад випромінювання і фізична температура цих тіл, як правило, виявляються різними, що цілком логічно випливає з відмінності фізичних властивостей реального і ідеального чорного тіла. Інакше нетеплові джерела світла метамерні ідеальному чорному тілу.

Спираючись на сказане, можна дати визначення колірній температурі. Колірна температура (корельована колірна температура) – температура випромінювання теоретичного абсолютно чорного тіла, яке справило б світло тієї самої або подібної кольоровості, що й використовуване нетеплове джерело (наприклад, монітор). Одиницею виміру служить кельвін.

Колірну температуру використовують для калібрування джерел світла. Це дозволяє провести об’єктивні вимірювання і визначити стандартні джерела. Наприклад, денне світло змінюється в залежності від часу і погоди, тому використання поняття температури дозволяє проводити кількісні вимірювання кольору.

Як приклад наведемо корельовані колірні температури найбільш поширених джерел

світла:

–полум’я свічки – близько 1200 К;

–лампа розжарювання (вольфрамова) потужністю 100 Вт – 2856 К;

–типова флуоресцентна трубка – 4000 К;

–усереднене денне світло – 5500 К;

–біла точка електролюмінісцентного графічного дисплея – 9300 К.

Слід зазначити, що спектральний склад природного освітлення непостійний протягом дня. Так, сонце опівдні має колірну температуру 5000 К, вранці і ввечері його температура становить 4000 К.

Формальний (нефізичний) характер поняття колірної температури в порівнянні з традиційною температурою часто буває причиною психологічних труднощів її сприйняття. Так, в рамках традиційних уявлень важко звикнути до того, що колірна температура полум’я свічки (1200 К) в десять разів нижче (холодніше) колірний температури морозного зимового

14

неба (12 000 К). Проте це так!

Так що ж таке колір? Отже, після розгляду нами основних властивостей і особливостей сприйняття кольору настала пора дати повне визначення поняття "колір".

Колір є сукупність психофізіологічних реакцій людини на світлове випромінювання, що виходить від різних предметів, що самі світяться (джерел світла) або відбите від поверхні предметів, що не світяться самі, а також (у разі прозорих середовищ) пройшло через них.

Відчуття кольору – це абсолютно суб’єктивний результат впливу на нервову систему відбитого променя, що належить до видимої частини спектра і має певну довжину хвилі. Іншими словами, сприйняття кольору залежить від того, як саме зорова система інтерпретує світлові промені з різною довжиною хвилі. Самі по собі промені світла, фарби, кольорові фільтри тощо. не мають кольору. Вони всього лише вибірково впливають на променисту енергію, випускаючи, відображаючи або поглинаючи промені з певною довжиною хвилі. Отже, колір – це продукт діяльності зорової системи, а не невід’ємна властивість видимого спектру.

Рис. 1.9. Процес формування колірного сприйняття

Таким чином, людина має можливість бачити навколишні його предмети і сприймати їх кольоровими за рахунок світла – поняття фізичного світу, але сам колір вже не є поняттям фізики, оскільки це є суб’єктивне відчуття, яке народжується в нашій свідомості під дією світла. А тепер повернемося до рис. 1.1 На рис. 1.9 представлений модифікований варіант цього малюнка. Тут сприймається оком колір ϕ(λ) визначається перемножуванням трьох спектральних характеристик: випромінювача l(λ), спектра відбиття об’єкта, що розглядається r(λ) і спектральної характеристики (світловий ефективності) ока υ(λ) (див. рис. 1.2).

ϕ(λ) = l(λ) × r(λ) × υ(λ)

(1.2)

Вираз (1.2) характеризує так звану фотометричну яскравість, при обчисленні якої використана спектральна характеристика ока, що представляє результуючу реакцію на світло трьох типів колб.

Проте таке уявлення не є повним, оскільки колірне сприйняття визначається не тільки спектральним розподілом енергії джерела кольору, але і подальшою обробкою центральною нервовою системою, а також залежить від розміру, форми, структури і оточення області цього стимулу, від статусу адаптації зорової системи спостерігача і його особистого досвіду перебування в подібних ситуаціях спостереження (як в існуючій ситуації в його життєвому досвіді). Тому щоб на базі формули (1.2) отримати відтворювані результати, необхідно забезпечити відповідні умови перегляду. Ось де переплітається фізика з фізіологією і психологією!

Контрольні питання

1.Які довжини хвиль відповідають основним кольорам,що входять до веселки?

2.Якого кольору буде зелена папір, освітлена червоним кольором?

3.Позначте об’єктивні і суб’єктивні характеристики світла.

4.Як ви розумієте відміну колірного діапазону від динамічного?

5.Які джерела стандартного випромінювання ви знаєте?

6.Поясніть зміст терміну "колірна температура".