Лекция: Свет и цвет. Природа цвета и его физические основы. (Компьютерная графика для СПО)

ЛЕКЦИЯ 2

Тема: Свет и цвет. Природа цвета и его физические основы

План лекции

1. Природа цвета и физиологические основы его восприятия.

2. Основные характеристики цвета.

2.1. Цветовой тон.

2.2. Светлота.

2.3. Насыщенность.

2.4. Собственные и несобственные качества цвета.

В этой лекции кратко рассмотрим феномен цвета, механизмы его образования и восприятия. В основе изучения вопроса лежит неотделимость таких понятий, как свет и цвет, их взаимодействие с материей. О том, как свет, и как следствие цвет, с ней работают.

Вопрос 1 Природа цвета и физиологические основы его восприятия

Ежедневно человек сталкивается с множеством факторов внешней среды, воздействующих на него. Одним из таких факторов, оказывающих сильное влияние, является цвет. Известно, что цвет может быть виден человеком лишь при свете, в темноте мы не видим никаких цветов.

Как известно из физики, свет представляет собой электромагнитные колебания высокой частоты.

Длины волн видимой части спектра электромагнитных колебаний лежат в диапазоне примерно от 700 до 400 нм.

Нанометр (нм) представляет собой одну миллионную часть миллиметра. Электромагнитные колебания с длинами волн 700 нм называются инфракрасными, а

Световые волны воспринимаются человеческим глазом. Мы видим предметы потому, что они отражают свет и потому, что наш глаз способен воспринять эти отраженные лучи (рис.1).

Рисунок 1 – Излучаемый и отраженный свет

Световые волны в зрительном аппарате человека преобразуется в ощущение. Это преобразование происходит в три этапа:

- физический - излучение света;

- физиологический - воздействие света на глаз и преобразование его в нервные импульсы, идущие в мозг человека;

- психологический – восприятие цвета.

Другими словами, в сетчатке глаза имеются светочувствительные клетки двух видов – палочки и колбочки. При попадании на них света в этих клетках начинаются химические реакции, в которых разлагаются светочувствительные пигменты.

Изменение химического баланса вызывает появление импульсов в зрительном нерве, кодирующих информацию об интенсивности падающего света (его энергии). Когда эта информация поступает в мозг, она интерпретируется как яркость и цвет. Какой цвет получится в результате интерпретации, зависит от спектрального состава света, попавшего на сетчатку.

Видимое излучение называют светом.

Определение:

Свет имеет двойственную природу: при распространении он ведет себя как волна, а при поглощении и излучении – как поток частиц.

Итак, свет принадлежит пространству, а цвет – предмету.

Определение:

Для целей, преследуемых в компьютерной графике, цвет можно определить как характеристику визуального образа, возникающего в результате взаимодействия источника (источников) света, рассматриваемого объекта и наблюдателя (рис.2).

Рисунок 2 – Элементы, необходимые для синтеза цвета

Как составная часть изображения, цвет играет две важные роли.

Во-первых, цвет несет информацию об изображенных предметах.

Во-вторых, в процессе визуального восприятия изображения цвет воздействует на ассоциативную память зрителя и вызывает у него определенные эмоции.

Т.е. в первом случае это информационная роль цвета, во втором – эмоциональная.

Цветоощущение – сугубо субъективный процесс. Характеристики видимого цвета сильно зависят от индивидуальных качеств наблюдателя. Даже у людей, у которых врачи не находят отклонений от нормального зрения, границы цветовых диапазонов заметно различаются. Если попросить несколько человек воспроизвести с помощью комплекта акварельных красок один и тот же образец цвета, полученные результаты всегда будут разными.

В 1666 г. Исаак Ньютон впервые с помощью трехгранной призмы разложил белый солнечный свет на цветовой спектр. В переводе с латинского – слово спектр означает видение. Этот спектр состоит из семи простых цветов. Явление разложения света на простые цвета назвали дисперсией (рис.3).

Рисунок 3 – Дисперсия белого света

Дисперсия света, наконец-то, смогла объяснить образование таких природных явления как радуга, круги вокруг солнца и луны во время мороза, образование ложных солнц. Они объясняются тем, что на сферических каплях или кристаллах льда происходит разложение света в виде цветных дуг.

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. 4.

Рисунок 4 – Световые потоки по длинам волн

В видимой области спектра электромагнитных колебаний условно принято выделять следующие диапазоны: красный, оранжевый, желтый,

зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Последовательность расположения цветов можно запомнить по фразе:

«Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан».

У этих диапазонов нет четких границ, цвета плавно переходят один в другой.

Вывод:

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 470–500 нм, – виден голубой, а длина волны 400 нм соответствует фиолетовому. Это явление лежит в основе цветоощущения в целом.

Экспериментально доказано, что фиксация колбочками присутствия равномерной смеси волн сразу всех длин видимого спектра воспринимается мозгом как белый цвет.

Отсутствие волн из всех частей видимого спектра будет интерпретировано как черный цвет (отсутствие света).

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.

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

Вопрос 2 Основные характеристики цвета

Для удобства обозначения цветов принято деление спектра оптического излучения на три зоны:

• длинноволновую – от красного до оранжевого;

• средневолновую – от оранжевого до голубого;

• коротковолновую – от голубого до фиолетового.

Это деление оправдывается качественными различиями между цветами, входящими в различные области спектра. Каждый цвет спектра характеризуется своей длиной волны (рис.4), т.е. он может быть точно задан длиной волны или частотой колебаний. Самые короткие волны – фиолетовые, самые длинные – красные. Световые волны сами по себе не имеют цвета. Цвет возникает лишь при восприятии этих волн зрительным аппаратом человека.

С двух сторон от видимой части спектра находятся ультрафиолетовые и инфракрасные области, которые не воспринимаются человеческим глазом, но могут улавливаться специальным оборудованием (рис 5).

Рисунок 5 – Ультрафиолетовые и инфракразные зоны

С помощью инфракрасного излучения работают камеры ночного видения, а ультрафиолетовое излучение хоть и невидимо человеческому глазу, но может нанести зрению значительный вред. Скорость распространения всех видов волн электромагнитных колебаний равна приближенно 300 000 км/с.

2.1. Для однозначности определения (спецификации) цвета часто используется система психофизических характеристик. К ним относятся следующие характеристики:

• цветовой тон,

• светлота;

• насыщенность.

Цветовой тон – качество цвета, позволяющее дать ему название

(например, красный, синий и т.д.) (рис.6).

Рисунок 6 – Цветовой тон

Интересно, что нетренированный глаз при ярком дневном освещении различает до 180 цветовых тонов, а развитый человеческий глаз способен различать около 360 оттенков цвета.

Ахроматические цвета не имеют цветового тона.

2.2.Светлота – это степень приближения цветов к белому.

Рисунок – 7 Примеры светлоты цвета

В спектральных цветах самым светлым является желтый цвет, самым темным – фиолетовый. В пределах одного цветового тона степень светлоты зависит от применения белого.

Светлота – степень, присущая как хроматическим, так и ахроматическим цветам.

Оттенки одного цвета различной светлоты называют монохромными.

2.3 Насыщенность – это степень выраженности цветового тона.

Так, если чистый спектральный цвет, например голубой, принять за 100%, то при смешении 70% голубого и 30% серого насыщенность полученной смеси будет равна 70%. От насыщенности зависит степень восприятия цвета (рис.8).

Рисунок 8 – Насыщенность цвета

Наиболее насыщены цвета спектра, причем самый насыщенный из них фиолетовый, а менее всего насыщен желтый.

Ахроматические цвета можно назвать цветами нулевой насыщенности.

Натренированный человеческий глаз может различить около 25 оттенков цвета по насыщенности, от 65 оттенков – по светлоте при высокой освещенности и до 20 – при пониженной.

1. Собственные и несобственные качества цвета.

Цветовой тон, светлота, насыщенность называют собственными качествами цвета (рис.9).

Рисунок 9 – Собственные качества цвета

Собственные качества цвета – это те качества, которые ему объективно присущи.

Несобственные качества цветам объективно не присущи, а возникают вследствие эмоциональной реакции при их восприятии. Мы говорим, что цвета бывают теплые и холодные, легкие и тяжелые, глухие и звонкие, выступающие и отступающие, мягкие и жесткие.

Контрольные вопросы

1. Какие элементы необходимы для синтеза цвета?

2. Что такое свет?

3. Что такое цвет?

4. Кто первым провел эксперимент по разложению белого цвета?

5. Перечислите состав белого света.

6. Что относится к собственным качествам цвета?

7. Что такое цветовой тон?

8. Что такое светлота?

9. Как можно изменить светлоту цвета?

10. Что такое контрастность?

11. Как можно изменить контрастность цвета?

12. Приведите пример несобственных качеств цвета.