Ми часто говоримо про таке поняття як світло, джерела освітлення, кольори зображень і об'єктів, але не зовсім добре собі уявляємо, що таке світло і що таке колір. Час розібратися з цими питаннями і перейти від подання до розумію.
Ми оточені
Усвідомлюємо ми цього чи ні, але ми перебуваємо в постійній взаємодії з навколишнім світом і приймаємо на себе вплив різних факторів цього світу. Ми бачимо навколишній нас простір, постійно чуємо звуки від різних джерел, відчуваємо тепло і холод, не помічаємо, що перебуваємо під впливом природного радіаційного фону, а також постійно знаходимося в зоні випромінювання, яке виходить від величезної кількості джерел сигналів телеметрії, радіо та електрозв'язку. Майже все навколо нас випускає електромагнітне випромінювання. Електромагнітне випромінювання - це електромагнітні хвилі, створені різними випромінюючими об'єктами - зарядженими частинками, атомами, молекулами. Хвилі характеризуються частотою прямування, довгою, інтенсивністю, а також низкою інших характеристик. Ось вам просто ознайомчий приклад. Тепло, що виходить від палаючого багаття - це електромагнітна хвиля, а точніше інфрачервоне випромінювання, причому дуже високої інтенсивності, ми його не бачимо, але можемо відчути. Лікарі зробили рентгенівський знімок - опромінювали електромагнітними хвилями, що володіють високою проникаючою здатністю, але ми цих хвиль не відчули і не побачили. Те, що електричний струм і всі прилади, які працюють під його дією, є джерелами електромагнітного випромінювання, ви все, звичайно ж, знаєте. Але в цій статті я не стану розповісти вам теорію електромагнітного випромінювання і його фізичну природу, я постараюся більш мене простою мовою пояснити, що ж таке видиме світло і як утворюється колір об'єктів, які ми з вами бачимо. Я почав говорити про електромагнітні хвилі, щоб сказати вам найголовніше: Світло - це електромагнітна хвиля, яка випускається нагрітою або знаходиться в збудженому стані речовиною. У ролі такої речовини може виступити сонце, лампа розжарювання, світлодіодний ліхтарик, полум'я багаття, різного роду хімічні реакції. Прикладів може бути досить багато, ви і самі можете навести їх у набагато більшій кількості, ніж я написав. Необхідно уточнити, що під поняттям світло ми будемо передбачати видиме світло. Все вище сказане можна уявити у вигляді ось такої картинки (Малюнок 1).
Малюнок 1 - Місце видимого випромінювання серед інших видів електромагнітного випромінювання.
На малюнку 1 видиме випромінювання представлено у вигляді шкали, яка складається з «суміші» різних кольорів. Як ви вже здогадалися - це спектр. Через весь спектр (зліва направо) проходить хвилеподібна лінія (синусоїдальна крива) - це електромагнітна хвиля, яка відображає сутність світла як електромагнітного випромінювання. Грубо кажучи, будь-яке випромінювання - є хвиля. Рентгенівське, іонізуюче, радіовипромінювання (радіоприймачі, телевізійний зв'язок) - не важливо, всі вони є електромагнітними хвилями, тільки кожен вид випромінювання має різну довжину цих хвиль. Синусоїдальна крива - це лише графічний вигляд енергії, що змінюється в часі. Це математичний опис випромінюваної енергії. На малюнку 1 ви також можете зауважити, що зображена хвиля наче трохи стиснута в лівому куті і розширена в правому. Це говорить про те, що вона має різну довжину на різних ділянках. Довжина хвилі - це відстань між двома її сусідніми вершинами. Видиме випромінювання (видиме світло) має довжину хвилі, яка змінюється в межах від 380 до 780nm (нанометрів). Видиме світло - лише ланка однієї дуже довгої електромагнітної хвилі.
Від світла до кольору і назад
Ще зі школи ви знаєте, що якщо на шляху проміння сонячного світла поставити скляну призму, то велика частина світу пройде через скло, і ви зможете побачити різнокольорові смуги на іншому боці призми. Тобто спочатку було сонячне світло - промінь білого кольору, а після проходження через призму розділився на 7 нових кольорів. Це говорить про те, що біле світло складається з цих семи кольорів. Пам'ятайте, я тільки що говорив, що видиме світло (видиме випромінювання) - це електромагнітна хвиля, так ось, ті різнокольорові смуги, які вийшли після проходження сонячного променя через призму - є окремі електромагнітні хвилі. Тобто виходять 7 нових електромагнітних хвиль. Дивимося на малюнок 2.
Малюнок 2 - Проходження променя сонячного світла через призму.
Кожна з хвиль має свою довжину. Бачите, вершини сусідніх хвиль не збігаються один з одним: тому що червоний колір (червона хвиля) має довжину приблизно 625-740nm, помаранчевий колір (помаранчева хвиля) - приблизно 590-625nm, синій колір (синя хвиля) - 435-500nm., не буду наводити цифри для решти 4-х хвиль, суть, я думаю, ви зрозуміли. Кожна хвиля - це випромінювана світлова енергія, тобто червона хвиля випромінює червоне світло, помаранчева - помаранчеве, зелена - зелене тощо. Коли всі сім хвиль випромінюються одночасно, ми бачимо спектр кольорів. Якщо математично скласти графіки цих хвиль разом, то ми отримаємо вихідний графік електромагнітної хвилі видимого світла - отримаємо біле світло. Таким чином, можна сказати, що спектр електромагнітної хвилі видимого світла - це сума хвиль різної довжини, які при накладанні один на одного дають вихідну електромагнітну хвилю. Спектр «показує з чого складається хвиля». Ну, якщо зовсім просто сказати, то спектр видимого світла - це суміш кольорів, з яких складається біле світло (колір). Треба сказати, що і в інших видів електромагнітного випромінювання (іонізуючого, рентгенівського, інфрачервоного, ультрафіолетового тощо) теж є свої спектри.
Будь-яке випромінювання можна уявити у вигляді спектра, правда таких кольорових ліній в його складі не буде, тому, як людина не здатна бачити інші типи випромінювань. Видиме випромінювання - це єдиний вид випромінювання, який людина може бачити, тому що це випромінювання і назвали - видиме. Однак сама по собі енергія певної довжини хвилі не має ніякого кольору. Сприйняття людиною електромагнітного випромінювання видимого діапазону спектру відбувається завдяки тому, що в сітківці ока людини розташовуються рецептори, здатні реагувати на це випромінювання.
Але чи тільки шляхом складання семи основних кольорів ми можемо отримати білий колір? Аж ніяк. У результаті наукових досліджень і практичних експериментів було встановлено, що всі кольори, які здатний сприймати людське око, можна отримати змішуванням всього лише трьох основних кольорів. Три основні кольори: червоний, зелений, синій. Якщо за допомогою змішування цих трьох кольорів можна отримати практично будь-який колір, значить можна отримати і білий колір! Подивіться на спектр, який був наведений на малюнку 2, на спектрі чітко проглядаються три кольори: червоний, зелений і синій. Саме ці кольори лежать в основі колірної моделі RGB (Red Green Blue).
Перевіримо як це працює на практиці. Візьмемо 3 джерела світла (прожектора) - червоний, зелений і синій. Кожен з цих прожекторів випромінює тільки одну електромагнітну хвилю певної довжини. Червоний - відповідає випромінюванню електромагнітної хвилі довжиною приблизно 625-740nm (спектр променя складається тільки з червоного кольору), синій випромінює хвилю довжиною 435-500nm (спектр променя складається тільки з синього кольору), зелений - 500-565nm (у спектрі променя тільки зелений колір). Три різних хвилі і більше нічого, немає ніякого різнокольорового спектру і додаткових кольорів. Тепер направимо прожектора так, щоб їх промені частково перекривали один одного, як показано на малюнку 3.
Малюнок 3 - Результат накладання червоного, зеленого та синього кольорів.
Подивіться, в місцях перетину світлових променів один з одним утворилися нові світлові промені - нові кольори. Зелений і червоний утворили жовтий, зелений і синій - блакитний, синій і червоний - пурпуровий. Таким чином, змінюючи яскравість світлових променів і комбінуючи кольори можна отримати велике різноманіття колірних тонів і відтінків кольору. Зверніть увагу на центр перетину зеленого, червоного і синього кольорів: у центрі ви побачите білий колір. Той самий, про який ми недавно говорили. Білий колір - це сума всіх кольорів. Він є «найсильнішим кольором» з усіх видимих нами кольорів. Протилежний білому - чорний колір. Чорний колір - це повна відсутність світла взагалі. Тобто там, де немає світла - там морок, там все стає чорним. Приклад тому - ілюстрація 4.
Малюнок 4 - відсутність світла
Я якось непомітно переходжу від поняття світло до поняття колір і вам нічого не кажу. Час внести ясність. Ми з вами з'ясували, що світло - це випромінювання, яке випускається нагрітим тілом або знаходиться в збудженому стані речовиною. Основними параметрами джерела світла є довжина хвилі і сила світла. Колір - це якісна характеристика цього випромінювання, яка визначається на підставі виникаючого зорового відчуття. Звичайно ж, сприйняття кольору залежить від людини, її фізичного і психологічного стану. Але будемо вважати, що ви досить добре себе почуваєте, читаєте цю статтю і можете відрізнити 7 кольорів веселки один від одного. Зазначу, що на даний момент, мова йде саме про колір світлового випромінювання, а не про колір предметів. На малюнку 5 показано залежні один від одного параметри кольору і світла.
Малюнки 5 і 6- Залежність кольорів від джерела випромінювання
Існують основні характеристики кольору: колірний тон (hue), яскравість (Brightness), світлість (Lightness), насиченість (Saturation).
Тон кольорів (hue)
- Це основна характеристика кольору, яка визначає його положення у спектрі. Згадайте наші 7 кольорів веселки - це, інакше кажучи, 7 колірних тонів. Червоний тон кольору, помаранчевий тон, зелений тон кольору, синій тощо. Колірних тонів може бути досить багато, 7 кольорів веселки я навів просто в якості прикладу. Слід зазначити, що такі кольори як сірий, білий, чорний, а також відтінки цих кольорів не відносяться до поняття колірний тон, оскільки є результатом змішування різних колірних тонів.
Яскравість (Brightness)
- Характеристика, яка показує, наскільки сильно випромінюється світлова енергія того чи іншого колірного тону (червоного, жовтого, фіолетового тощо). А якщо вона взагалі не випромінюється? Якщо не випромінюється - значить, її немає, а немає енергії - немає світла, а там де немає світла, там чорний колір. Будь-який колір при максимальному зниженні яскравості стає чорним кольором. Наприклад, ланцюжок зниження яскравості червоного кольору: червоний - алий - бордовий - бурий - чорний. Максимальне збільшення яскравості, наприклад, того ж червоного кольору дасть «максимально червоний колір».
Світлість (Lightness)
- Ступінь близькості кольору (колірного тону) до білого. Будь-який колір при максимальному збільшенні світлості стає білим. Наприклад: червоний - малиновий - рожевий - блідо-рожевий - білий.
Насиченість (Saturation)
- Ступінь близькості кольору до сірого кольору. Сірий колір є проміжним кольором між білим і чорним. Сірий колір утворюється шляхом змішування в рівних кількостях червоного, зеленого, синього кольору зі зниженням яскравості джерел випромінювання на 50%. Насиченість змінюється непропорційно, тобто зниження насиченості до мінімуму не означає, що яскравість джерела буде знижена до 50%. Якщо колір вже темніше сірого, при зниженні насиченості він стане ще темнішим, а при подальшому зниженні взагалі стане чорним кольором.
Такі характеристики кольору як колірний тон (hue), яскравість (Brightness), і насиченість (Saturation) лежать в основі колірної моделі HSB (інакше звана HCV).
Щоб розібратися в цих характеристиках кольору, розгляньмо на малюнку 7 палітру кольорів графічного редактора Adobe Photoshop.
Малюнок 7 - Палітра кольорів Adobe Photoshop
Якщо ви уважно подивитеся на малюнок, то виявите маленький кружечок, який розташований в самому верхньому правому куті палітри. Цей кружечок показує, який колір вибрано на палітрі кольорів, у нашому випадку це червоний. Почнемо розбиратися. Спочатку подивимося на числа і літери, які розташовані в правій половині малюнка. Це параметри колірної моделі HSB. Верхня літера - H (hue, колірний тон). Він визначає положення кольору у спектрі. Значення 0 градусів означає, що це верхня (або нижня) точка колірного кола - це червоний колір. Коло розділене на 360 градусів, тобто виходить, в ньому 360 колірних тонів. Наступна літера - S (saturation, насиченість). У нас вказано значення 100% - це означає, що колір буде «притиснутий» до правого краю колірної палітри і має максимально можливу насиченість. Потім йде буква B (brightness, яскравість) - вона показує, наскільки високо розташована точка на палітрі кольорів і характеризує інтенсивність кольору. Значення 100% свідчить про те, що інтенсивність кольору максимальна і точка «притиснута» до верхнього краю палітри. Літери R (red), G (green), B (blue) - це три колірні канали (червоний, зелений, синій) моделі RGB. Кожен з них вказує число, яке позначає кількість кольорів у каналі. Згадайте приклад з прожекторами на малюнку 3, тоді ми з'ясували, що будь-який колір може бути отриманий шляхом змішування трьох світлових променів. Записуючи численні дані до кожного з каналів, ми однозначно визначаємо колір. У нашому випадку 8-бітний канал і числа лежать в діапазоні від 0 до 255. Числа в каналах R, G, B показують інтенсивність світла (яскравість кольору). У нас в каналі R вказано значення 255, а це означає, що це чистий червоний колір і у нього максимальна яскравість. У каналах G і B стоять нулі, що означає повну відсутність зеленого і синього кольорів. У нижній графі ви можете побачити кодову комбінацію # ff0000 - це код кольору. Будь-який колір на панелі має шістнадцятирічний код, який визначає колір. Є чудова стаття Теорія кольору в цифрах, в якій автор розповідає як визначати колір за шістнадцятковим кодом.
На малюнку ви також можете помітити перекреслені поля числових значень з літерами «lab» і «CMYK». Це 2 колірні простори, за якими також можна характеризувати кольори, про них взагалі окрема розмова і на даному етапі не вникати в них поки не розберетеся з RGB.
Можна відкрити палітру кольорів Adobe Photoshop і поексперувати зі значенням кольорів у полях RGB та HSB. Ви помітите, що зміна числових значень у каналах R, G, і B призводить до зміни числових значень у каналах H, S, B.
Колір об'єктів
Час поговорити про те, як так виходить, що навколишні нас предмети приймають свій колір, і чому він змінюється при різному освітленні цих предметів.
Об'єкт можна побачити, тільки якщо він відображає або пропускає світло. Якщо ж об'єкт майже повністю поглинає падаюче світло, то об'єкт приймає чорний колір. А коли об'єкт відображає майже все падаюче світло, він приймає білий колір. Таким чином, можна відразу зробити висновок про те, що колір об'єкта буде визначатися кількістю поглиненого і відображеного світла, яким цей об'єкт освітлюється. Здатність відбивати і поглинати світло визначаться молекулярною структурою речовини, інакше кажучи - фізичними властивостями об'єкта. Колір предмета «не закладено в ньому від природи»! Від природи в ньому закладені фізичні властивості: відображати і поглинати.
Колір об'єкта і колір джерела випромінювання нерозривно пов'язані між собою, і цей взаємозв'язок описується трьома умовами.
- Перша умова: Колір об'єкта може приймати тільки за наявності джерела освітлення. Якщо немає світла, не буде і кольору! Червона фарба в банку буде виглядати чорною. У темній кімнаті ми не бачимо і не розрізняємо квітів, тому що їх немає. Буде чорний колір всього навколишнього простору і предметів, що знаходяться в ньому.
- Друга умова: Колір об'єкта залежить від кольору джерела освітлення. Якщо джерело освітлення червоний світлодіод, всі об'єкти, що освітлюються цим світлом, матимуть тільки червоні, чорні та сірі кольори.
- І нарешті, Третя умова: Колір об'єкта залежить від молекулярної структури речовини, з якої складається об'єкт.
Зелена трава виглядає для нас зеленою, тому що при освітленні білим світлом вона поглинає червону і синю хвилю спектру і відображає зелену хвилю (Малюнок 8).
Малюнок 8 - Відображення зеленої хвилі спектра
Банани на малюнку 9 виглядають жовтими, тому що вони відображають хвилі, що лежать в жовтій області спектра (жовту хвилю спектру) і поглинає всі інші хвилі спектру.
Малюнок 9 - Відображення жовтої хвилі спектра
Собачка, та що зображена на малюнку 10 - біла. Білий колір - результат відображення всіх хвиль спектру.
Малюнок 10 - Відображення всіх хвиль спектра
Колір предмета - це колір відображеної хвилі спектра. Ось так предмети набувають видимого нами кольору.
У наступній статті говориться про нову характеристику кольору - температуру кольору.