Дмитрий Миронов - Компьютерная графика в дизайне

Экспериментально доказано, что фиксация колбочками присутствия равномерной смеси волн сразу всех длин видимого спектра воспринимается мозгом как белый свет. Отсутствие волн из всех частей видимого спектра будет интерпретировано как черный цвет (отсутствие света).

Поскольку свет с различными длинами волн неодинаково преломляется прозрачной средой, то при пропускании белого света (равномерной смеси волн видимого спектра) через призму он разделяется на световые потоки, соответствующие различным цветам (длинам волн), как показано на рис. 1.3.1.

Рис. 1.3.1. Разложение белого света на световые потоки с различными длинами волн

Этот эксперимент, впервые выполненный Исааком Ньютоном, наглядно показал, что световые волны с различной длиной интерпретируются системой «глаз – мозг» как разные цвета. В видимой области спектра электромагнитных колебаний условно принято выделять следующие диапазоны: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. У этих диапазонов нет четких границ, цвета плавно переходят один в другой.

Таким образом, когда колбочки фиксируют наличие световых волн длиной примерно 700 нм, мозг реагирует на это как на красный цвет. Если длина волны находится в диапазоне 450–500 нм, – виден голубой, а длина волны 400 нм соответствует фиолетовому. Это явление лежит в основе цветоощущения в целом.

Однако описанная ситуация встречается крайне редко. Дело в том, что со световыми потоками, состоящими из волн только одной длины, как и со световыми потоками, энергия которых равномерно распределена по волнам всех возможных длин, на практике почти не приходится иметь дела.

Примечание

Исключение составляет свет лазера – чаще всего он содержит в себе волны только одной длины.

Реальные световые потоки представляют собой сочетание волн различных длин, причем разные диапазоны представлены в этом сочетании в различных пропорциях. Такая смесь описывается спектральным распределением, графическим представлением которого является уже упоминавшаяся спектральная диаграмма. На этой диаграмме показывается, каким образом световая энергия распределяется по частотам спектра. Световой поток, соответствующий заданному спектральному распределению, всегда будет восприниматься наблюдателем как один и тот же цвет, независимо от того, каким образом он был создан. Спектральное распределение – самое полное, точное и надежное описание цвета из всех возможных. На рис. 1.3.2 представлены спектральные диаграммы для двух цветов.

Рис. 1.3.2. Спектральные диаграммы для двух различных цветов

Примечание

Приведенные на рис. 1.3.2 спектральные диаграммы были получены с помощью спектрофотометра – специального прибора, позволяющего построить спектр по образцу цвета. В качестве образцов были взяты спелая слива (сплошная линия) и строительный кирпич (точечная линия). Как можно видеть из спектральной диаграммы, цвет сливы образуется совместным воздействием волн фиолетово-синего и красного диапазонов видимого спектра, а цвет кирпича – волнами желтого и красного диапазонов.

Из того, что световые потоки, имеющие одинаковое спектральное распределение, воспринимаются как один цвет, не следует, что каждому цвету соответствует только одно спектральное распределение. Напротив, достаточно часто световые потоки, имеющие отчетливо различные спектральные распределения, воспринимаются как одинаковый цвет. Это явление получило название метамерии.

Примечание

Метамерия может проявляться в том, что два образца цвета воспринимаются одинаково под одним освещением, но по-разному под другим, имеющим иное спектральное распределение.

Важный вывод: цвет определяется спектральным распределением светового потока, попадающего в глаз наблюдателя, следовательно, изменение спектрального распределения может привести (и чаще всего приводит) к изменению воспринимаемого цвета. Причиной изменения спектрального распределения в световом потоке может стать:

• изменение свойств источника света, излучающего этот световой поток;

• прохождение светового потока через среду, по-разному поглощающую световые волны различной длины;

• отражение светового потока от поверхности, по-разному отражающей световые волны различной длины.

Способы управляемого изменения спектрального распределения и задания значения параметров, совместно обеспечивающие воспроизведение средствами компьютерной графики желаемого цвета, составляют цветовую модель. Но перед тем как перейти к рассмотрению конкретных цветовых моделей, необходимо ознакомиться с двумя основными способами формирования цвета и особенностями, связанными с их применением.

Излученный и отраженный потоки света при полной физической идентичности, тем не менее, приходится рассматривать по-разному. Например, в слабо освещенной или совсем темной комнате фотография в альбоме почти незаметна, но она прекрасно видна при отображении на экране монитора. Причина проста – монитор преобразует электрическую энергию источника питания в световое излучение, являясь, таким образом, источником света. Бумажный или картонный лист, чистый или с изображением таким источником не является. Он только отражает световой поток, образованный отдельным источником света (например, настольной лампой).

Механизмы, которые используются в компьютерной графике и полиграфии при работе с излученными и отраженными потоками света, неодинаковы, поскольку различными оказываются способы управления спектральным распределением этих потоков.

При работе с излученным светом (например, при выводе изображения на монитор или проектор) цвет можно образовать, только варьируя свойства этого источника, заставляя его изменить спектральное распределение излучаемого света.

Примечание

Предполагается, что среда, в которой распространяется световой поток на пути от источника к наблюдателю, прозрачна, т. е. не ослабляет этот поток или ослабляет его равномерно во всем диапазоне частот. Это условие не всегда соблюдается. Например, морская вода поглощает волны красного диапазона значительно сильнее, чем зеленого и синего.

Однако эта задача в общем трудноосуществима. Спектральное распределение достаточно сложно представить в виде информационной модели, а его произвольное изменение для конкретного источника света в широком диапазоне – до сих пор техническая проблема, не имеющая удовлетворительного решения. К счастью, в компьютерной графике достаточно более простого решения – получить не световой поток с заданными спектральными характеристиками, а цвет, который этот поток вызывает при визуальном восприятии. Эта задача решается путем сложения световых потоков, создаваемых несколькими источниками с фиксированным спектральным распределением, в разных пропорциях. В основе синтеза цвета лежит ранее рассмотренное явление метамерии и законы Грассмана.