3.1 Природа кольору. Системи опису кольору

У комп'ютерній графіці в залежності від виду роботи із зображенням вибираються певні способи подання інформації кольорів. Всі вони засновані на результатах вивчення природи кольору, а їх вибір пов'язаний з характером завдання обробки/створення зображень і відповідним типом графічних пристроїв.

Природа кольору. Системи опису кольору

Питання про природу світла і закони його розповсюдження вивчалися ще грецькими філософами. Роботи Евкліда, Лукреція, Птолемея, арабського вченого Альгазена, пізніше голландського фізика Снелліуса підготували ґрунт для появи корпускулярної концепції Декарта-Ньютона.

В рамках цієї концепції світло представлялося у вигляді найдрібніших світлових частинок – корпускул, що випускаються тілом, яке світиться, і летять з величезною швидкістю.

Поряд з корпускулярною концепцією Декарта-Ньютона виникла і розвивалася альтернативна хвильова теорія, розроблена в роботах Гука, Гюйгенса і Френеля. У цій теорії світло представляло собою хвилю, що поширюється в деякому матеріальному середовищі, назване ефіром.

До середини XIX століття хвильова теорія світла стала загальноприйнятою. Теоретичні дослідження великого англійського вченого Джеймса Кларка Максвелла (1865р) привели до припущення про електромагнітну природу світлових хвиль. Світло виявилося окремим випадком електромагнітних хвиль з довжиною хвилі від λ = 400 нм (фіолетовий) до λ = 760 нм (червоний); одиниця довжини нанометр (нм) дорівнює 10-9 м. Тільки цей інтервал значень λ безпосередньо впливає на око людини.

Однак, існував ряд фізичних явищ, що не піддаються поясненню з позицій теорії Максвелла. Вихід з цих труднощів був знайдений лише на початку XX століття завдяки відкриттям Макса Планка, Альберта Ейнштейна, Нільса Бора, Луї де Бройля і Ервіна Шредінгера. Праці цих учених заклали фундамент квантової фізики, розвиток якої продовжується і в наші дні.

У підсумку, тривалий шлях досліджень привів до сучасних уявлень про двоїсту корпускулярно-хвильову теорію світла.

Колір – це характеристика сприйняття оком електромагнітних хвиль різної довжини, тому саме довжина хвилі визначає для ока видимий колір.

Амплітуда, яка визначає енергію хвилі (пропорційну квадрату амплітуди), відповідає за яскравість кольору. Таким чином, саме поняття кольору є особливістю людського бачення навколишнього середовища.

У 1860 р Ісаак Ньютон довів, що білий колір є складним і містить «чисті» кольори: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий.

Кожен з цих кольорів характеризується своїм заломленням, тобто величиною відхилення напрямку руху світлового променя на межі розділу двох середовищ «повітря» – «вода».

Отже, розкладання сонячного світла за допомогою суцільної скляної призми дає сім основних кольорів. Колір характеризується довжиною світлової хвилі, і світлові хвилі різних довжин сприймаються людським зором як різні кольори.

Якщо спостережуване світло містить видимі довжини хвиль у нерівних кількостях, то воно є хроматичним і сприймається як усереднений колір.

Якщо спостережуване світло містить видимі довжини хвиль у приблизно рівних кількостях, то воно буде ахроматичним, тобто білим. Єдиним атрибутом такого кольору є інтенсивність або кількість. З інтенсивністю можна зіставити скалярну величину, визначаючи чорне як 0, а біле як 1. Тоді середнюсірому кольору буде відповідати значення 0,5.

Під час суб'єктивного опису хроматичного кольору використовують три величини: колірний тон, насиченість і світлота. Тон дозволяє розрізняти кольори червоний, зелений, жовтий і т. ін. Насиченість характеризує чистоту, тобто ступінь ослаблення (розведення) даного кольору білим світлом, і дозволяє відрізняти рожевий колір від червоного, смарагдовий від яскраво зеленого тощо. Іншими словами, за насиченістю роблять висновки про те, наскільки м'яким або різким здається колір.

Світлота відображає уявлення про інтенсивність як про фактор, що не залежить від колірного тону і насиченості.

На рис. 3.1. схематично зображено око людини. Фоторецептори, розміщені на поверхні сітківки, відіграють роль приймачів світла.

Кришталик – це своєрідна лінза, яка формує зображення, а райдужна оболонка ока виконує роль діафрагми, регулюючої кількість світла, яке пропускається в середину ока. Чутливість клітини ока неоднаково реагує на хвилі різної довжини.

Інтенсивність світла – це міра енергії світла, яка впливає на око, а яскравість – це міра сприйняття оком цього впливу.

Палички і колбочки мають узагальнену назву фоторецептори. Палички – це високочутливі елементи, працюють в умовах слабкого освітлення. Існує тільки один тип паличок. Вони не розпізнають довжину хвилі і тому не розрізняють кольори.

Колбочки ж, навпаки, розрізняють кольори і поділяються на три типи, кожен з яких чутливий до певного діапазону довжин хвиль (довгі, середні або  короткі). Чутливість їх також різна.

На цьому спостереженні основана трикомпонентна теорія світла, а саме, що в центральній частині сітківки ока знаходяться три типи чутливих до кольору колбочок. Перший сприймає зелений колір, другий – червоний, а третій – синій колір. Відносна чутливість ока максимальна для зеленого кольору і мінімальна для синього.

Якщо на всі три типи колбочок впливає однаковий рівень енергетичної яскравості, то світло здається білим. Відчуття білого кольору можна отримати, змішуючи будь-які три кольори. Такі кольори називають основними. Людське око здатне розрізняти близько 350 000 різних кольорів.

На рис. 3.2 представлені криві чутливості колбочок для всіх трьох видів. 

Із рисунка видно, що найбільшу чутливість мають колбочки, які сприймають кольори зеленого спектра, трохи слабкіші – "червоні" колбочки і набагато слабкіші – "сині".

Деякі предмети ми бачимо тому, що вони випромінюють світло, а інші – тому, що вони відображають або заломлюють світло. Випромінюване світло – це світло, що випускається активним джерелом (лампа, монітор).

Відбиване світло – це світло, відбите поверхнею (світло, падаючи на поверхню, частково поглинається, частково відбивається). Колір поверхні характеризується довжиною хвилі відбитого світла. Коли предмети не випромінюють світло, то їх природний колір – це колір відбитого ними світла при білому освітленні. Ахроматичне відбите або заломлене світло сприймається відтінками сірого в залежності від своєї інтенсивності.

У підсумку, сприйняття кольору залежить від наступних факторів:

• • • довжини світлової хвилі; фізичних властивостей поверхні, що відбиває світло;

    • індивідуального сприйняття людиною перших двох факторів.

Виходячи з того, що колір сприймається в результаті випромінювання і віддзеркалення, розроблено дві системи опису кольорів: адитивна і субтрактивна.

В адитивних колірних моделях при об'єднанні всіх основних кольорів максимальної інтенсивності виходить білий колір (для моделі RGB, розглянутої в наступному параграфі, це змішання дає ефект полуденного освітлення при суцільній хмарності), мінімальної інтенсивності – чорний.

Під час адитивного відтворення кольору, яке використовується, наприклад, в кольоровому телебаченні, є три джерела світла – червоного, зеленого і синього кольору, які проектуються на одну ділянку поверхні, де і відтворюється заданий колір.

Субтрактивні колірні моделі пов'язані з віддзеркаленням світла. Під час падіння білого світла на поверхню відображаються промені певних ділянок спектра залежно від оптичних властивостей поверхонь (або оптичної щільності барвників), які поглинають промені спектру, не присутні в їх кольорі.

Теоретично в таких моделях під час змішування всіх кольорів максимальної інтенсивності повинен спостерігатися чорний колір, мінімальної інтенсивності (відсутність усіх кольорів) – білий колір.

У разі субтрактивного відтворення кольору, на якому засновані кольорова фотографія і поліграфія, білий світ набуває потрібний колір, проходячи послідовно через блакитний, пурпурний і жовтий фільтри.