Введение. Основы теории цвета и сведения о цвете

Конспект лекционных занятий

Тема лекции №1:

Цвет, свойство света вызывать определенное зрительное ощущение в соответствии со спектральным составом отражаемого или испускаемого излучения. Цвет – это психологическое восприятие света, поступающего в глаз человека, это накопленный человеком опыт. Причиной возникновения цветового ощущения является действие света. Свет разных длин волн l возбуждает разные цветовые ощущения: при l=460 нм – фиолетовое, 470 нм – синее, 480 нм – голубое, 520 нм – зелёное, 580 нм – жёлтое, 600 нм – оранжевое, 640 нм – красное, 700 нм – пурпурное. Однако цвет сложного излучения не определяется однозначно его спектральным составом. Цвета присутствуют во всех областях нашей жизни, их много как в области науки, так и в области искусства и эстетики.

Свет, в узком смысле – электромагнитные волны в интервале частот, воспринимаемых человеческим глазом (7,5×10¹⁴–4,3×10¹⁴ Гц). Длины волн от 760 нм (красный свет) до 380 нм (фиолетовый свет). В широком смысле – то же, что и оптическое излучение. Существуют также излучения, которые человеческий глаз не фиксирует, Это, например, радиоволны, инфракрасное излучение, рентгеновские излучения или космические частицы. Свет – это лишь малая часть всего обширного спектра энергии. Он характеризуется тем, что воспринимается человеческим глазом.

Действие на органы зрения излучений, длины волн которых находятся в диапазоне 400–700 нм, приводит к возникновению зрительных ощущений. Их количественная характеристика называется светлотой, качественная – цветностью. Светлота, безразмерная величина, используемая для количественной оценки различия между зрительными (световыми) ощущениями, вызываемыми 2 смежными одноцветными поверхностями. Физические свойства излучения – мощность и длина волны – тесно связаны со свойствами возбуждаемого им ощущения. С изменением мощности изменяется светлота, а изменением длины волны – цветность.

В связи с ролью цветовых ощущений в жизни и деятельности человека возникла наука о цвете – теория цвета, или цветоведение. Теория цвета изучает круг вопросов, связанных с оптикой и физиологией зрения, психологией восприятия цвета (известно, что цвет воспринимается нашим разумом, наука, эту область, называется психофизикой, в ней сочетаются две научные дисциплины: физика и психология), а также теоретические основы и технику измерения и воспроизведения цветов.

Разделы теории цвета:

– физика цвета – рассматривает свойства света, главным образом распределение светового потока по спектрам испускания и отражения, а также способы получения этих спектров, аппаратуру и приемники излучения;

– физиология (от греч. рhysis – природа и … логия; наука о жизнедеятельности целостного организма и его отдельных частей – клеток, органов, функциональных систем) цвета, её частью являются действие излучений на глаз, причины возникновения светового ощущения, зрительный аппарат и его работа;

– метрология (от греч. metron – мера и … логия; наука о измерениях, методах достижения их единства и требуемой точности) цвета изучает методы измерения цвета. Метрология устанавливает способы численного выражения цветов, основы их классификации, методы установления цветовых допусков.

Физику процесса, физиологию клетки глаза и восприятие окружающей среды изучает наука о зрении.

Закономерности, найденные физикой, физиологией, психологией и метрологией цвета, используются в теории воспроизведения цветного объекта. Она служит основой техники получения цветных изображений в полиграфии, кинематографии и телевидении.

Цветовое ощущение. Неразличимые же по цвету пучки могут иметь как одинаковый состав, так и разный. В первом случае их цвета называются изомерными, во втором – метамерными.

Практика воспроизведения цветных объектов требует получения цвета, зрительно неотличимого от воспроизводимого. При этом не имеет значения, метамерны или изомерны оригинальный цвет и цвет-копия.

Сущность теории цветового зрения состоит в том, что светочувствительные нервные окончания, находящиеся в одной из оболочек глаза и называемые фоторецепторами, реагируют только на излучения видимой части спектра. Все концевые образования чувствительных нервных волокон называются рецепторами (от лат. receptor – принимающий). Они преобразуют энергию раздражителей в возбуждения, воспринимаемые как те или иные ощущения. По отношению к раздражителям различают фоторецепторы (световое ощущение), терморецепторы (тепловое ощущение), хеморецепторы (вкусовое ощущение) и т. д. Глаз содержит три группы рецепторов, из которых одна наиболее чувствительна к интервалу 400–500 нм, другая – 500–600 нм, третья – 600–700 нм. Рецепторы реагируют на излучения в соответствии с их спектральной чувствительностью, и ощущения всех цветов возникают в результате комбинации трех реакций.

Зрительный аппарат. Орган зрения в целом состоит из трех отделов – периферического (собственно глаз), проводникового (зрительный нерв) и центрального (зрительная зона коры головного мозга в затылочной области).

У наших глаз есть три вида рецепторов цветового зрения (колбочек), каждая разновидность которых наиболее чувствительна, соответственно, к красному, зелёному и синему цветам. Здесь проявляется некая взаимосвязь между цветами радуги, человеческим зрением и цифрой три. Только после того, как сочетания этих трех цветов возбуждают соответствующие колбочки, глаза воспринимают цвет. Этот процесс называется трёхцветным зрением.

При наблюдении детали предмета глаз ориентируется так, чтобы её изображение упало на середину ямки. Такая ориентация обеспечивает наилучшее восприятие. С удалением от средней части центральной ямки растет концентрация палочек и падает количество колбочек, приходящихся на единицу площади сетчатки. Изображение, образующееся на периферической её части, не дает подробной информации об объекте. Оно позволяет лишь ориентироваться в пространстве.

Световая чувствительность палочек и колбочек резко различна. Палочки работают при низких освещенностях и выключаются при высоких. Эти рецепторы обеспечивают так называемое сумеречное зрение, когда освещенности невелики. В полутьме не различаются цвета, плохо видны детали. Это объясняется тем, что палочки располагаются на сетчатке значительно реже, чем колбочки, и разрешающая способность палочкового аппарата намного ниже – чем колбочкового.

Колбочковое зрение называется дневным. При высоких освещенностях, когда начинают действовать колбочки, глаз различает цвета и мелкие детали объектов.

При некоторых средних освещенностях (так называемых промежуточных; освещенность, величина светового потока, падающего на единицу поверхности, измеряется в люксах), когда яркости (характеристика светящихся тел, равная отношению силы света в какой-либо направлении к площади проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную к этому направлению. В системе СИ измеряется в нитах) окружающих предметов находятся в пределах 0,01–10 кд×м^-2, палочки и колбочки работают совместно.

В результате светового возбуждения палочек или колбочек в мозг передаются электрические импульсы, частота которых увеличивается с ростом освещенности сетчатки. Импульсы достигают затылочных долей мозга, где возбуждают световые ощущения, из которых складывается зрительный образ объекта.

Чувствительность глаза. Под чувствительностью системы или приемника излучения подразумевается их свойство реагировать на излучение. Мера этого свойства связана с реакцией приемника на поглощенную световую энергию. Чувствительность фотопленки есть величина, обратная экспозиции, дающей определенное почернение,

(1.1),

где – мощность излучения, вызывающая заранее обусловленный зрительный эффект.

Чувствительность, рассчитанная по формуле (1.1), называется абсолютной. В некоторых случаях бывает достаточным выразить чувствительность глаза долей наибольшего значения абсолютной. Эта доля называется относительной чувствительностью.

Реакции зрительной системы на излучения могут быть разными. В соответствии с этим различают несколько типов чувствительности глаза: световую, спектральную, контрастную, чувствительность к цветовому тону, к насыщенности.

Способность глаза реагировать на возможно малый поток излучения называется световой чувствительностью. Она измеряется как величина, обратная пороговой яркости. Пороговой называется та наименьшая яркость объекта, например светового пятна, при которой оно может быть обнаружено с достаточной вероятностью на абсолютно черном фоне (т.е. В_фона = 0). Вероятность обнаружения зависит не только от яркости объекта, но и от угла зрения, под которым он рассматривается, или, как говорят, от его углового размера. С возрастанием углового размера растет число рецепторов, на которые проецируется пятно. Практически, однако, с увеличением угла зрения более чем на 50⁰ чувствительность глаза перестает изменяться.

Спектральная чувствительность. Монохроматические излучения действуют на глаз по-разному. Его реакция максимальна на среднюю часть спектра.Чувствительность к монохроматическим излучениям, определяемая как относительная, называется спектральной.

Реакция глаза, выражающаяся в возникновении светового ощущения, зависит, во-первых, от потока излучения Ф_l, упавшего на сетчатку, а во-вторых, – от той доли потока, которая воздействует на рецепторы. Эта доля есть спектральная чувствительность к _l. Иногда для обозначения того же понятия применяется термин спектральная эффективность излучения. Произведение к _l Ф _l определяет характеристику потока излучения, связанную с уровнем его светового действия и называемую световым потоком F _l:

F _l = к _l Ф _l (1.2).

Следовательно, абсолютное значение спектральной чувствительности определяется отношением

к_l = F_l: Ф_l.

Глаз имеет наибольшую спектральную чувствительность к излучению l = 555 нм, относительно которой определяются все другие значения этой величины.

При световых измерениях значения к _l в формуле (1.2) принято заменить произведением к ₅₅₅× _l, где _l – относительное значение спектральной чувствительности, называемое относительной спектральной световой эффективностью излучения (видностью): _l = к_l: к ₅₅₅.

Отсюда абсолютная спектральная чувствительность к_l = к ₅₅₅× _l.

Чувствительность (световая, спектральная, контрастная и др.) зрительной системы не постоянна, а зависит от ряда факторов, из которых существенное значение имеет уровень освещенности.

Процесс приспосабливания глаза к изменению условий освещения вообще называется адаптацией (лат. adapto – приспосабливаю). Цветовая адаптация состоит в том, что под влиянием предшествующего светового освещения цветовое восприятие изменяется. Если, например, облучить сетчатку насыщенным красным, то белое поле в течение времени адаптации видится зелёным. Процесс увеличения чувствительности при переходе от большой яркости к малой называется темновой адаптацией, если глаз приспосабливается к большой яркости, – световой адаптацией.

Зрительный процесс в условиях изменяющейся чувствительности называется неустановившимся. В момент окончания адаптации чувствительность глаза становится постоянной, зрительный процесс при этом носит название установившегося.

Свойства зрительной системы сохранять состояние покоя или работы в течение некоторого времени после начала или прекращения светового сигнала называется зрительной инерцией.

Частота, обеспечивающая непрерывное зрительное восприятие прерывистых сигналов, называется критической частотой мелькания.

Вследствие инерции зрения зрительный образ сохраняются в сознании некоторое время после того, как прекратилось действие света. Этот образ называется последовательным.

На зрительной инерции основана кинематография. Когда частота кадров равна или превышает критическую частоту мелькания, последовательные образы каждого из кадров сливаются в единое впечатление.

Вследствие зрительной инерции после прекращения освещения сохраняется не только ощущение светлоты, но и цветности.

Основы теории цветового зрения. Общие сведения. Характер цветового ощущения находится в связи с распределением чувствительности рецепторов глаза по спектру. Их спектральные свойства изучалась многими исследователями, начиная с Максвелла и Кенига, работы которых выполнены в 19-м веке, и Айвса (1912 г.), Н.Т. и В.Ф. Федоровыми, Е.Н. Юстовой (1950 г.), Томсона и Райта (1953 г.).

Характер цветового ощущения зависит как от суммарной реакции цветочувствительных рецепторов, так и от соотношения реакций каждого из типов рецепторов. Суммарная реакция определяет светлоту, а соотношение ее долей – цветность.

Белый, серый и черный цвета называются ахроматическими. Эти цвета не различаются качественно. Разница в зрительных ощущениях при действии на глаз ахроматических излучений зависит только от уровня раздражения рецепторов. Поэтому ахроматические цвета могут быть заданы одной психологической величиной – светлотой.

Если рецепторы разных типов раздражены неодинаково, возникает ощущение хроматического цвета. Для его описания нужны уже две величины – светлота и цветность. Качественная характеристика зрительного ощущения, определяемая как цветность, двумерна: складывается из насыщенности и цветового тона. В тех случаях, когда все рецепторы раздражены почти одинаково, цвет близок к ахроматическому: качество цвета едва выражено. Чем больше перевес в раздражении рецепторов одного или двух типов, тем сильнее ощущается качество цвета, его хроматичность. Степень отличия хроматического цвета от ахроматического называется насыщенностью.

Когда говорят «насыщенный красный» или «малонасыщенный зеленый», то кроме насыщенности, упоминается цветовой тон цвета. Это то его свойство, которое подразумевают в обыденной жизни, когда называют цвет предмета. Цветовой тон – это характеристика цвета, определяющая его сходство с известным цветом (небо, зелени, песка и т.д.) и выражаемая словами: «синий, зелёный, желтый и т.д.».

При действии на глаз смеси излучений реакции рецепторов на каждый из ее компонентов складываются, о цвете смеси можно судить по кривым спектральной чувствительности рецепторов.

Из теории цветового зрения вытекает и представление о дополнительных цветах, т.е. цветах излучений, смесь которых имеет белый цвет. К световому пучку, раздражающему все рецепторы в разной степени, всегда можно подобрать другой, дополняющий раздражения до равных и, следовательно, дополняющий цвет первого пучка до белого.

Основная литература: 1[3-25]

Контрольные вопросы:

1 Сущность понятия «цвет»

2 Сущность понятия «свет»

3 Светлота и цветность

4 Теория цвета

5 Разделы теории цвета: физика, физиология и метрология цвета

6Изомерный и метамерный составы

7 Сущность теории цветового зрения

8 Рецепторы

9 Виды раздражителей: фоторецепторы, терморецепторы, хеморецепторы

10 Трёхцветное, сумеречное и дневное зрение

11 Чувствительность системы или приемника излучения

12 Чувствительность (абсолютная, относительная, световая, спектральная, контрастная)

13 Спектральная эффективность излучения

14 Зрительный процесс неустановившимся и установившегося

15 Зрительная инерция

16 Критическая частота мелькания

17 Ахроматические цвета

18 Цветовой тон.

Дата добавления: 2014-12-08