Увидеть и понять цвет

Можно ли белый свет собрать из трех монохроматических источников? А из двух? Может ли цвет быть относительным? Умеет ли зрение вычитать цвета? Если типов колбочек три, почему цветовое пространство плоское? Можно ли «на глаз» оценить цветопередачу белого света?

На эти и другие вопросы интереснее отвечать, руками собирая белый свет из спектральных компонент, и глядя на освещаемую сцену своими глазами.

Что такое свет

На общей схеме видов излучений (рис. 1) видимый свет зажат между инфракрасным светом и ультрафиолетом. Инфракрасное излучение мы не видим, — энергия кванта недостаточна для фотохимического действия. А ультрафиолет не видим, потому что энергия кванта избыточна, фотохимическое действие опасно, и хрусталик ультрафиолет к сетчатке не пропускает.

Размерность цветового пространства

Диапазон видимого света 380—780 нм выглядит узким даже на логарифмической шкале электромагнитных волн (на линейной он будет выглядеть точкой). Однако даже в столь узком диапазоне, несмотря на значительную ширину и степень перекрытия областей чувствительности фоточувствительных рецепторов (рис. 2), зрение извлекает много информации из особенностей спектрального распределения .

То, что в результате смешения красного, зеленого и синего возможно получить почти любой другой цвет, говорит, что типов колбочек три. Следовательно, цветояркостное пространство трехмерно, и все сочетания цвета и яркости можно представить неким трехмерным телом (рис. 3).

Обратите внимание — во всех цветовых телах ось яркости или светлоты направлена вверх. Возможно, какой-то средневековый ученый, чье имя не сохранилось, впервые описал нашу способность видеть цвет подобным образом, интуитивно расположив светлое вверху, а темное внизу. А остальные за ним повторили, не представляя, что может быть иначе.

Возможно, мы видим яркость не как независимый параметр, а в совокупности с цветностью. Как мы видим на самом деле — неизвестно, потому что описать увиденное никто не может, такой возможности у аппаратов мышления и языка нет. Поэтому будем пользоваться принятой моделью, считая яркость или светлоту независимыми параметрами.

Так поступил и Джеймс Максвелл, тот самый, написавший уравнения электромагнитной волны. Он зафиксировал яркость, оставил из трехмерного цветового тела его горизонтальный срез — двумерное цветовое пространство; и к 1860 году на основе тщательно поставленных экспериментов построил «карту» этого пространства.

Эксперимент Максвелла

Для своих экспериментов Максвелл соорудил экспериментальную установку в виде двухметрового черного ящика, одним концом выставил этот ящик под солнечный свет в окно, в другом сделал смотровое окошко, и, как описывали потом соседи, «подолгу смотрел внутрь гроба».

Как и соседи Максвелла, мы не будем вникать в исторически точную оптическую схему ящика, обойдясь адаптированной схемой, наилучшим образом позволяющей понять логику построения цветового пространства.

Так как запомнить цвет человек не в состоянии, сравнить можно только цвета, видимые одновременно. Поэтому Максвелл поставил в ящике шарик, одну половинку которого освещал светом всевозможных цветов, а другую — монохроматическими цветами RGB (рис. 4). И изменяя соотношения RGB «на глаз» добивался визуального совпадения цветов, записывая получившееся соотношение RGB.

Записанные соотношения нужно было как-то картировать. Раз пространство двумерно, значит его можно изобразить на бумаге. Придумал так — чистые цвета R, G, B расположил по углам треугольника, а результаты смесей внутри. Чем больше доля одной из компонент, тем ближе должна быть точка к соответствующему углу.

Оказалось, что из трех цветов RGB сложить насыщенный голубой цвет не удается, только ненасыщенный.

голубой ≠ синий + зеленый + красный

И тут Максвелл совершил открытие! Оказалось, что, если к насыщенному голубому подмешать красный, получается ненасыщенный голубой, который получается сложить из синего и зеленого.

голубой + красный = синий + зеленый

Это математически соответствует выражению

голубой = синий + зеленый − красный

Получается, что система цветового зрения не только складывает, но и вычитает цвета. Операция вычитания для нервной системы — это сравнение. Ведь только сравнением сигналов разных каналов можно получить информацию о спектре при столь широких пересекающихся областях чувствительности колбочек разного типа (рис. 2).

Идея размещать координаты видимых цветов внутри треугольника по правилу «чем больше доля компонента R, G или B в общей сумме, тем ближе точка к соответствующему углу», дополненная идеей вычитания цветов привела к тому, что точки стали не только приближаться к углам треугольника, но и удаляться от них. В результате треугольник цветового пространства «лопнул» и цвета «вылились» за его пределы (рис. 5).

Позже результаты Максвелла были перепроверены, в цветовое пространство ввели координаты x и y, и получилось стандартное цветовое пространство CIE 1931 (рис. 6).

По краям пространства CIE 1931 находятся монохроматические чистые цвета, немонохроматические всегда внутри. Особенно удобно пространство тем, что смесь любых двух цветов всегда находится на соединяющей линии, что позволяет легко предсказать цвет смеси.

Что такое цветовая температура

При низких температурах тепловое излучение находится в инфракрасной области, но с достижением температуры «красного каления» его спектр касается диапазона видимого света (рис. 7), и мы видим темно-красное свечение.

С дальнейшим ростом температуры к красному свету последовательно добавляются другие цвета, и смесь цветов становится сначала рыжей, затем желтовато-белой, — это видно по кривым в левой области рисунка 7.

Когда спектр содержит уже все цвета радуги, мы говорим о «белом калении». При температурах выше 4000 К в спектре становится больше коротких длин волн, чем длинных. О «синем калении» не говорят, потому что на Земле такие температуры недостижимы. Но именно таково свечение Солнца — холодный белый свет с большей долей синего, чем красного.

Пожалуйста, прямо сейчас проведите по рисунку пальцем вдоль кривых 2850 К и 6500 К, — убедитесь, что в одном случае в спектре больше длинных волн, в другом коротких.

На графике CIE 1931 (рис. 6) кривой «абсолютно черного тела» (кривой АЧТ) показаны варианты цветности теплового излучения при разных температурах по шкале Кельвина. Если мысленно проследить эту кривую направо до комнатных температур ~300 К, мы попадем в область инфракрасного излучения вне области видимых цветов. И наоборот, если двигаться вдоль кривой налево, попадем сначала в область свечения раскаленной до красного каления кочерги ~1000 К, затем свечения пламени свечи ~1800 К, затем вольфрамовой нити лампы накаливания ~2850 К, затем свечения Солнца — газового шара с температурой поверхности около 5700 К.

Для земного наблюдателя часть лучей Солнца рассеивается атмосферой — по-разному в зависимости от погоды, сезона и точного времени. Поэтому цветность дневного света не ровно 5700 К, а где-то в диапазоне 5500…6500 К. На заре из солнечных лучей рассеивается больше коротковолновой составляющей, и в «золотой час» перед закатом цветность света сдвигается к 2200…3500 К.

Пожалуйста, не поленитесь прямо сейчас ткнуть пальцем в диаграмму CIE1931 и провести от ИК-излучения при комнатной температуре ~300 К до холодного белого солнечного света 6500 К и обратно. Мало кто знает, что на этом графике есть невидимый ИК. Вы теперь знаете.

Ежедневно цветность Солнца проходит путь вблизи кривой АЧТ от ~2200 К до ~6500 К и обратно, — эту область разметили сеткой значений цветовой температуры и стандартизировали как «белый» цвет.

Варианты цветового пространства

Почти век работы специалистов по цвету привел к разнообразным модификациям цветового пространства, наиболее значимые из которых показаны на рисунке 8. А именно, цветовое пространство обрезали, исключив краевые труднополучаемые цвета, а затем математическими преобразованиями сплющили в круг и даже в квадрат, упрощая использование модели, но уходя от изначального понимания того, как и из чего собирается белый цвет.

Сравнивая модификации цветовых пространств, полезно отметить общее — бесцветная область белого (или серого) цвета всегда в центре, а с удалением от центра появляется цвет и усиливается его насыщенность. И вместо абстрактных координат (x, y) или (a, b) можно говорить о направлении от центра (цветовом тоне) и степени удаления от центра (насыщенности).

«Рецепты» белого цвета

Чем свет спектрально богаче и из большего числа чистых цветов состоит, тем ближе его координаты к центру цветового пространства. Естественный способ попасть в самый центр — сложить все цвета радуги. Такой суммой всех цветов является солнечный свет (рис. 9).

Чем ближе свет к полноспектральному, тем большее количество оттенков сложных цветов он позволит увидеть, и тем ближе эти цвета будут к цветам под солнечным светом. Это качество света характеризуется его индексом цветопередачи.

В стандартизированной метрике CRI общий индекс цветопередачи солнечного света R_a = 100. В метрике цветопередачи для телевидения и телевещания TLCI (российская редакция разработана авторами статьи, публикация ожидается в середине 2025 года) общий индекс Q_a = 100; а в перспективной международной метрике TM-30 (стандартизацией TM-30 в России занимаются две группы, включая нас; выход нашего стандарта ожидается в 2027 году) общий индекс R_f = 100.

Второй известная сборка белого света — из трех цветов RGB (рис. 10). Примерно такой свет у экрана монитора или проектора.

Трехцветный белый свет неполноспектрален (R_a ≈ 30), цвета под таким светом будут выглядеть иначе, чем под солнцем.

Возможно ли собрать белый из еще меньшего числа цветов? По диаграмме CIE 1931 видно, что смесь любых двух монохроматических цветов по разные стороны кривой АЧТ при должном балансе попадает на АЧТ, то есть формально является белым цветом. Пример — смесь голубого и красного (рис. 11).

В проекте изменений к ТР ЕАЭС 048/2019 «О требованиях к энергетической эффективности энергопотребляющих устройств» использовано следующее определение белого цвета «К свечению белого цвета относится свет с цветностью из области координат цветности на графике МКО 1931 г., ограниченной условиями: 0,270 < x < 0,530 и −2,3172x² + 2,3653x − 0,2199 < y < −2,3172x² + 2,3653x − 0,1595; и с общим индексом цветопередачи R_a ≥ 60.» Цветопередача ограничена снизу, чтобы не считать белым светом спектрально бедные варианты, не позволяющие выполнять задачи цветоузнавания и цветоразличения.

И все же знать, что белый свет может быть настолько спектрально бедным — важно. Полезно собрать такой свет своими руками и посмотреть на цвета предметов под ним своими глазами. Автор этой статьи однажды собрал лампу на голубых и красных светодиодах, поставил в торшер в своей комнате, и две недели жил под этим светом. Ощущения от такого освещения незабываемые — странные и неприятные.

Даже монохроматический свет натриевой лампы лучше — хотя бы не позволяет видеть цвет, и не вносит в цветовую картину путаницу. Двухцветный же белый искажает цвета и дезориентирует.

Двухцветный белый из синего и желто-зеленого (рис. 12) воспринимается намного лучше потому, что на желто-зеленый приходится максимум чувствительности зрения. Присутствие в спектре этого компонента для фактической цветопередачи важнее любых других.

Классический белый светодиод построен по той же схеме — его свет является смесью излучаемого кристаллом узкополосного синего света и широкополосного желто-зеленого, излучаемого люминофором (рис. 13). Получается белый свет, пригодный для технического освещения.

Но посмотрите внимательно — в спектре такого источника нет голубого и красного. Как будет выглядеть девушка с голубыми глазами и красными губами, если осветить ее белым светом, в составе которого нет голубого и красного? Раз нет голубого и красного, то что будет отражаться от голубых и красных поверхностей, и как это будет выглядеть?

Спасает ситуацию усложнение люминофорного состава и заполнение спектра, приближение его состава к солнечному (рис. 14). Такой свет, с индексом цветопередачи R_a ≥ 95, и будет как солнечный.

Относительность цвета

Основное свойство белого цвета — не быть «цветным». Таким опорным «никаким» цветом, относительно которого воспринимаются другие, становится цвет самого яркого объекта сцены.

После адаптации бесцветным воспринимается и изменчивое Солнце, и желтый цвет уличных натриевых ламп и даже красный свет в комнате для проявки фотопленок. Зрение относительно, человек видит не цвет, а разницу цветов, воспринимая каждый цвет в сцене относительно других. Опорным цветом может быть любая точка цветового пространства, не обязательно внутри стандартизированной области белого.

Просмотровая камера (рис. 15) позволяет относительность цвета увидеть. Включаем монохромное красное освещение — и видим красный цвет. Но если сесть поудобнее на стул и минуту смотреть внутрь камеры, красный цвет почти перестанет восприниматься. В сцене останутся «темное» и «светлое», но не будет цвета. Однако, стоит добавить к красному свету синий, как в сцене буквально вспыхнут синий и красный цвета. Об этом эффекте никто не пишет, в пространстве знаний о цвете его нет. Но его можно увидеть своими глазами!

Почему важно видеть цвет своими глазами

То, что мы видим цвета не сами по себе, а относительно других цветов сцены, позволяет более глубоко осмыслить понятие цветопередачи. Во всех метриках рассчитываются частные индексы цветопередачи для отдельных цветов, а затем усредняются. Ни одна метрика не учитывает, что человек наблюдает одновременно несколько цветов, и эти цвета друг на друга влияют.

Ценящие качество своей жизни, и то, что видят своими глазами, покупают источники света с максимальным индексом цветопередачи и получают полноспектральный белый свет. Тем самым решая проблему с цветопередачей, в чем бы она не заключалась. Те же, кто увидеть разницу не стремится, ее и не видит, и не осознает.

Обсуждения увиденного не происходит, для этого недостаточно возможностей языка. Один говорит: «Ах, какой закат!». Второй отвечает: «Да, ничего…» — и у второго нет шансов понять, что увидел первый.

Сделать лабораторную работу с демонстрацией на мониторе невозможно, потому что монитор показывает тремя цветами RGB-дисплея снятое на камеру RGB-матрицей, а находится монитор в освещенной белым светом комнате. Нужна именно просмотровая камера с набором монохроматических источников.

Большинство людей и не поймет на что смотреть. Но художнику, архитектору, визажисту, фотографу, дерматологу, стилисту полезно под разным реальным освещением в просмотровой камере посмотреть на свои тестовые объекты (рис. 16). Чтобы научиться видеть больше.

Опыт студентов кафедры светотехники МЭИ, стажировавшихся в светотехнической компании VARTON (ООО ТПК «Вартон»), и наблюдавших цвета тестовых объектов при освещении светом различных спектров позволил выработать следующую программу, позволяющую своими глазами «увидеть» основные положения теории цвета:

‐ посмотреть и описать цвета сцены под монохромными и бихромными вариантами освещения;

‐ учитывая адаптацию показать цвета из предыдущего эксперимента на диаграммах CIE 1931 и CIE Lch;

‐ собрать варианты двухцветного, трехцветного и мультицветного белого, посмотреть на цвета освещаемой сцены;

‐ научиться «на глаз» отличать освещение белым светом с различной цветопередачей.

Предложение для ВУЗов

Мы, светотехники и разработчики национальных стандартов по цветопередаче совместно со стажирующимися в светотехнической компании VARTON старшекурсниками кафедры светотехники МЭИ разработали лабораторную работу «Суперлампа». Работа включает просмотровую камеру, позволяющую наблюдать сцену под светом, вручную собираемом из 4 вариантов белого света и 9 монохроматических компонент. Текущую редакцию методического пособия к лабораторной работе можно скачать по ссылке.

Экземпляр «суперлампы» (рис. 17) передан кафедре светотехники МЭИ, но есть планы по созданию следующей. В новой версии будет расширен диапазон значений индексов цветопередачи вариантов белого света, и выбраны более интересные для наблюден*ий длины волн монохроматических компонент.

Если вы представляете ВУЗ, предлагаем дипломную работу для вашего студента и лабораторную работу для всех для всех учебных программ, затрагивающих физику и физиологию цвета.

Просто продать прибор не можем, т.к. для производственного предприятия себестоимость единичных изделий приближается к себестоимости разработки, и для покупателя заведомо неприемлема.

Подарить прибор также не можем, так как имеем ошеломляюще грустный опыт, показывающий насколько не ценится бесплатное. Отдав дорогое и значимое, мы видели, что результат нашего труда не используется, и даже до диалога дело не доходит. Нам же диалог важен.

Работа, внимание, участие и обсуждение делают прибор ценным для тех, кто его создавал. Если студент вашего ВУЗа примет участие в создании следующей версии суперлампы, это станет основанием для использования прибора в учебных и, возможно, в научных целях.

 Предлагаемое содержание нашего участия в создании вашего прибора:

1. Дистанционно и быстро обучим студента даже нетехнической специальности САПР Solidworks в достаточной степени, чтобы он мог разработать корпус. Расскажем и покажем, что нужно учесть, чтобы прибор соответствовал нормативным требованиям, мог быть сертифицирован, и мог называться осветительным прибором. Или просто дадим готовую модель и чертежи;

2. Поделимся опытом взаимодействия с мастерской, выполняющей малотиражные заказы резки и гибки стали (в Москве стоимость корпуса в одном экземпляре составит ~5 т.р. за металл, ~5 т.р. за покраску + сколько-то за рассеиватель, метизы, провода и пр.);

3. Дадим схему и спецификацию модуля управления светодиодами, покажем студенту, как проще сделать разводку, если это ваша первая плата; как заказать печатную плату; напаять компоненты; залить прошивку в микроконтроллер. Или, если профиль вашего ВУЗа совсем нетехнический, просто дадим готовый модуль;

4. Подскажем, где и какие покупать светодиоды и драйвер (~10 т.р.);

5. Поможем разработать документацию светильника. Или сами проведем типовые и приемосдаточные испытания, сделаем свою документацию, чтобы прибор официально считался продукцией ООО ТПК «Вартон», был маркировкан и сертифицирован.

В результате дипломник разработает и произведет прибор, который можно использовать для учебного процесса (рис. 18), а ВУЗ получит освоенную комплектную технологию разработки радиоэлектронного прибора, которую можно использовать и для других задач.

Предполагаемое содержание нашего участия в лабораторной работе:

1. Прочитаем лекцию или ряд лекций по теории цвета;

2. Проведем практический семинар или ряд семинаров по свойствам цвета;

3. Попросим ваших студентов прочитать и покритиковать предыдущее методическое пособие, доработаем его по замечаниям, сверстаем и напечатаем для вас.

В чем наш интерес? Мы хотим в деле познакомиться со студентами вашего ВУЗа, которые завтра станут выпускниками и, возможно, будут работать у нас или с нами.

Автор суперлампы и статьи — Антон Шаракшанэ

Руководитель студенческой практики — Оксана Дроздова

Если вам нужна суперлампа и лабораторная работа — пишите отделу кадров ТПК Вартон: hr@varton.ru