Светотехнические величины и понятия

Свет и цвет

Видеть, а также передавать по телевидению можно лишь те предметы, которые освещены светом или сами являются его источником. Поэтому, приступая к ознакомлению с основами телевидения, необходимо прежде всего вспомнить некоторые элементы учения о свете и цвете.

Из огромного диапазона существующих в природе электромагнитных волн лишь узенький их участок в пределах 380-770 нм (нм - нанометр; 1нм=10^-9м) обладает способностью вызывать ощущение света. Волны различной длины вызывают ощущение света различного цвета. Приведем шкалу распределения диапазона световых волн между наиболее хорошо различимыми глазом спектральными (содержащимися в солнечном свете) цветами.

В действительности глаз способен различать не семь, а гораздо больше (до 150) оттенков спектральных цветов (цветовых тонов) и около 40 пурпурных цветовых тонов (сиреневый, вишневый и т. п.), которые не являются спектральными, а образуются в результате смешения красного и синего цветов.

Если на глаз одновременно воздействуют все спектральные цвета, имеющие примерно равные энергии, то создается ощущение белого цвета.

Такое же ощущение может быть получено при воздействии на глаз только двух, но вполне определенных, цветов. Эти два цвета, создающие при смешении ощущение белого цвета, называют дополнительными. Для каждого данного цвета существует свой дополнительный цвет, например, для желтого дополнительным служит синий цвет, для оранжевого - голубой, для зеленого - пурпурный и т.д.

Светотехнические величины и понятия

Качественно и количественно световые явления характеризуются с помощью специальных светотехнических величин и понятий. Основные из них следующие.

Световой поток Ф — это интенсивность (мощность) лучистой энергии света. Единица измерения светового потока—люмен (лм).

Сила света J — это пространственная плотность светового потока. Чем плотнее концентрируется в определенном направлении излучаемая источником света энергия, тем больше сила света. Единица измерения силы света - кандела (кд).

Яркость источника света В — это интенсивность свечения его поверхности, непосредственно воспринимаемая глазом. Яркость зависит от силы света на поверхности источника света и направления ее наблюдения. Единица измерения яркости — кандела на квадратный метр (кд/м²).

Цветовой тон — это свойство светового потока, которое позволяет отличить его по цвету от других световых потоков. Цветовой тон характеризуется преобладающей (доминирующей) в данном световом потоке длиной волны lд. Например, для светового потока красного спектрального цвета принято lд = 700 нм, для зеленого - 546 нм, для синего - 436 нм. Пурпурные цвета характеризуются длинами волн их дополнительных цветов.

Насыщенность цвета — это степень свободы цвета от примеси белого света. Световые потоки одного и того же цветового тона, в зависимости от примеси белого света, могут иметь различную насыщенность. При этом цветовой тон не меняется, а создает лишь впечатление более блеклой окраски. Количественно насыщен­ность оценивается чистотой цвета Р, которая устанавливает отно­сительное содержание светового потока Фд чистого (спектрального) цвета в световом потоке Фо того же цветового тона: Р = Фд / Фо = Фд / (Фд + Фб), где Фб — световой поток белого цвета (Ф б = Фо - Фд).

Для чистого спектрального цвета: Фб = 0 и Р = 1; для белого цвета: Фд = 0 и Р = 0. Следовательно, чем ближе значение чистоты цвета Р к единице, тем больше насыщенность.

Цветовой тон и насыщенность определяют цветность светового потока, а его яркость определяется яркостью источника света. Таким образом, цвет является величиной трехмерной, так как характеризуется тремя параметрами — яркостью, цветовым тоном и насыщенностью.

Большинство окружающих нас предметов не является источниками света, а лишь отражает в большей или меньшей мере падающий на них световой поток Фпад, благодаря чему и делаются видимыми, т. е. являются как бы вторичными источниками света. Их светотехнические свойства характеризуются освещенностью, коэффициентом рассеянного отражения, яркостью, контрастностью и цветностью.

Освещенность Е — это плотность светового потока, распределяемая по площади (S) освещаемой им поверхности: E = Фпад / S.

Единица измерения освещенности—люкс (лк).

Падающий световой поток не только отражается освещаемой поверхностью, но может частично (или полностью) поглощаться или в случае прозрачных поверхностей пропускаться через них.

Отражающие свойства поверхностей характеризуются коэффициентом рассеянного (диффузного) отражения К = Фотр / Фпад, где Фотр — рассеянный отраженный световой поток.

Если все спектральные составляющие падающего белого светового потока отражаются, то коэффициент рассеянного отражения от поверхности близок к единице и она имеет белый цвет. Так, например, для мела, снега Y » 0,95. Если же поглощаются все световые лучи, коэффициент рассеянного отражения от поверхности близок к нулю и она выглядит черной.

Поверхности частично, но равномерно, отражающие и поглощающие все спектральные составляющие белого света, приобретают серые, т. е. в той или иной мере ослабленные белые цвета (0<Y< 1).

Если поверхность отражает отдельные составляющие спектра белого света, а все остальные поглощает, то она приобретает цвет отраженного светового потока.

Яркость поверхности (как вторичного источника света) во всех случаях определяется интенсивностью падающего и отраженного световых потоков. Отдельные элементы (участки) поверхностей предметов чаще всего имеют различные яркость и цветность, и бла­годаря этому создается представление об их структуре.

При наблюдении предметов (или их изображений) существенную роль играет диапазон яркостей в поле зрения, который принято называть контрастностью К и представлять в виде отношения яркости наиболее светлого элемента предмета или изображения B max к яркости темного элемента B min, K = B max / B min. Обычно К < 100, но иногда может достигать и нескольких тысяч.

Понятие о колориметрии

Koлopuмeтpuя - это наука об измерении цвета, базирующаяся на законах смешения цветов. Сущность этих законов следующая.

При смешении двух одинаковых цветов образуется смесь того же цвета. При смешении двух разных спектральных цветов (не являющихся дополнительными) образуется новый цвет, лежащий на шкале спектральных цветов (см. § 1.1) между смешиваемыми цветами. Например, при смешении красного и зеленого цветов образуется желтый цвет, при смешении зеленого и синего — голубой. При смешении двух дополнительных цветов образуется белый цвет. Кроме того, белый цвет, а также все остальные цвета можно получить в результате смешения трех взаимонезависимых основных цветов, т. е. таких, каждый из которых нельзя получить путем смешения двух других. Эта закономерность определяет возможность передавать по каналу связи информацию об основных цветах и восстанавливать на приемной стороне всю гамму цветов изображения передаваемого объекта, что и положено в основу цветного телевидения.

В качестве основных цветов в колориметрии и цветном телевидении приняты цвета: красный R, зеленый С и синий В. Любой цвет (включая белый) может быть представлен в виде суммы трех основных цветов, взятых в определенных количествах: F = rR + gG +bВ, где коэффициенты r, g, b определяют относительные количества основных цветов (r+g+b= 1 ). Экспериментально установлено, что белый цвет получается при r = 0,3; g = 0,59; b = 0,11.

Цветовой график (локус)

Рис. 1.1. Цветовой график

Для изучения законов смешения цветов в колориметрии используется цветовой график XYZ (рис. 1.1.). Он представляет собой прямоугольный треугольник, плоскость которого покрыта координатной сеткой. Внутри треугольника размещена подковообразная фигура, получившая название локус. По периметру локуса отмечены длины волн в нанометрах, соответствующие насыщенным спектральным цветам. Насыщенные пурпурные цвета размещены на отрезке прямой линии в нижней части локуса. Внутри локуса (в центре тяжести треугольника XYZ) расположена область белого цвета С. Вся остальная площадь локуса условно разделена на участки различного цвета, насыщенность которых убывает по мере приближения от границ локуса к области белого. Взаимное расположение цветовых участков подчинено рассмотренному выше закону смешения двух цветов. При этом каждые два цвета, являющиеся дополнительными, расположены диаметрально противоположно относительно области белого цвета. Если внутри локуса построить треугольник, то он ограничит область цветов, которые можно получить в результате смешения трех, лежащих в его вершинах цветов. На рис. 1.1 обозначен треугольник основных цветов RGB, внутри которого содержатся все цвета, включая белый. На цветовом графике каждый цветовой оттенок однозначно характеризуется координатами Х и Y. Для белого цвета Х = Y =,33. Для измерения цвета применяют специальные приборы, называемые колориметрами.

Строение глаза

С помощью зрительной системы человек получает информацию о внешнем мире, форме вещей, их пространственном расположении, цвете, движении и т. д. Зрительная система состоит из внешнего органа зрения - глаза, нервной системы и зрительной коры головного мозга.

Глаз представляет собой тело примерно шарообразной формы (глазное яблоко), заключенное в плотную непрозрачную оболочку— склеру (рис. 1.2). Передняя часть склеры прозрачна и имеет несколько более выпуклую форму. Она называется роговицей. За роговицей находится радужная оболочка, имеющая в середине отверстие — зрачок. За зрачком расположен хрусталик, представляющий собой прозрачное тело двояковыпуклой формы. Пространство между роговицей и хрусталиком, называемое передней камерой, заполнено водянистой влагой, а внутренность глазного яблока — студенистым прозрачным веществом (стекловидным телом). Роговица, передняя камера и хрусталик образуют оптическую систему глаза.

С внутренней стороны в глазное яблоко входит зрительный нерв, состоящий из большого количества (порядка миллиона) нервных волокон, связанных со зрительным центром головного мозга. Разветвляясь, нервные волокна покрывают изнутри глазное яблоко оболочкой, называемой сетчаткой. Окончания нервных волокон образуют узелки двух типов, которые в соответствии с их формой называют палочками и колбочками. Глазные мышцы, переводя глаз с одного предмета на другой, могут изменять выпуклость хрусталика и этим резко фокусировать на сетчатке изображения любых предметов. Сетчатка каждого глаза имеет около 130 млн. палочек и 7 млн. колбочек. Палочки присоединяются к волокнам зрительного нерва большими группами (по 100 шт. на одно волокно). Поэтому они обладают большой светочувствительностью (т. е. обеспечивают так называемое «сумеречное» зрение), но не дают возможности различать мелкие детали и цвет рассматриваемых предметов. Палочки преимущественно расположены по периферии сетчатки глаза, а в ее центральной части (против зрачка) сосредоточены колбочки. Каждая колбочка присоединяется, как правило, к отдельному волокну зрительного нерва. Поэтому колбочки обладают малой светочувствительностью (обеспечивают так называемое «дневное» зрение), но зато дают возможность различать очень мелкие детали и цвет рассматриваемых объектов. Установлено, что по признаку восприятия цвета колбочки делятся на три вида.

Рис. 1.2. Строение глаза

Возбуждение одного вида колбочек создает ощущение насыщенного красного цвета, другого — насыщенного зеленого, третьего — насыщенного синего. Одинаковое возбуждение всех трех видов колбочек вызывает ощущение белого цвета. Восприятие других цветов определяется степенью возбуждения каждого вида колбочек.