Понятие основного цвета и сколько их существует в мире
Если попытаться научно объяснить понятие основного цвета или диминирующего и попробовать объяснить причины его выбора то предпочтение не определит уникальность и индивидуальность.
Понятно, что существует множество вещей и мыслей, которые можно было бы собрать в надежде оправдать предпочтения цвета, — но при всем разнообразии избранных вариантов наши выборы почти всегда кажутся одинаковыми.
Исследование, в котором рассматривалось предпочтение цвета в 30 различных странах, показало, что склонность к определенным цветам больше зависит от таких факторов, как пол и возраст, а другие особенности (например, географическое положение) оказывают гораздо меньшее влияние.
Доминирующий или любимый цвет человека
Социологи обнаружили 78%-ную корреляцию после обследования 2000 человек между ответами мужчин и женщин на вопрос: какой любимый цвет?
По совпадению ли, лучшим выбором для обоих полов был любимый цвет синий и зеленый на втором месте.
Поэтому, хотя мы все можем быть разными по отношению друг к другу, если смотреть демографические группы, наши вкусы кажутся предсказуемыми.
В некотором смысле это не должно нас удивлять. Этот призыв также проникает в наш вкус: люди в подавляющем большинстве предпочитают смотреть картины уличных сцен 88% против 5% в помещении. Люди неравнодушны к таким вещам, как озера, реки и океаны (49%) и леса (19%), — а все вместе, это: много-много оттенков синего и зеленого. Так это достаточно, чтобы объяснить предпочтение цвета как вопрос человеческой природы, или есть ли что-то еще, что влияет на то, как люди выбирают свой основной цвет.
Сколько различных цветов существует в мире
Есть больше цветов, чем на первый взгляд.
Наука цвета указывает на это как результат ощущения, который наши глаза улавливают от преломления солнечных лучей.
Принимая это во внимание, мы можем также просто сказать, что цвет — это только то, что мы (люди) можем отличить, и этот подсчет будет вращаться примерно от 1 до 7 миллионов вариантов со значительным изменением в верхнем диапазоне.
И даже так, нет никакого реального способа точно сказать, сколько цветов существует в мире. По очень приблизительной оценке общее количество цветов, которые фактически существуют и которые мы можем количественно отличить (несмотря на то, что мы не можем их увидеть), составляет 100 000 оттенков — такое большое число, что некоторые только что пришли к заключению, что Вселенная предлагает бесконечное количество цветовых оттенков.
Тем не менее, мы говорим об оттенках. Мы даем им названия и связываем вещи с ними, время от времени навязывая мощные убеждения вокруг понятия.
Но на самом деле названия больше указывает на понятия цвета, а не на реальную вещь.
В природе мы почти никогда не сталкиваемся с такими абсолютами в том, как свет взаимодействует с веществом — белый и черный являются в этом смысле одинаковые. Это понятия, вокруг которых мы рассуждаем.
По общему признанию используется конвергенция наук для создания или выделения веществ, близких к абсолютному пониманию чисто белого и чисто черного. Природа или человеческий глаз могут редко соответствовать большому уровню детализации.
Поэтому, оттенки идеально синего или идеально зеленого, по большей части основываются подходом на близости к нашему идеалу синего или зеленого. И мы делаем это, потому что, как и в большинстве других попыток человека понять бесчисленное, используются упрощения основанные на самом очевидном.
Историческое научное объяснение понятия цвета
Исааку Ньютону приписывают создание смещения, которое мы имеем для цветов радуги. 
Он подтолкнул хроматическую теорию к научной парадигме как только описал, как белый свет распадается на различимые цвета после прохождения через призму. Более того, Исаак Ньютон также показал, как можно воссоздать белый свет, пропуская через призму различные длины волн света.
Эта эволюция в восприятии цвета подтолкнула кропотливое начинание к попытке описать понятие цвета и способы взаимодействия друг с другом методологическим образом — так что это не просто основано на эстетике. В свою очередь, распространение знаний о цветах настолько изменило современность, что трудно поверить, что другие люди могут воспринимать то, что их глаза видят по-разному.
Но наше понимание того что может видеть глаз выглядит таким же биологическим, как и социальным процессом: то, что мы называем цветом, в значительной степени зависит от нашего культурного фона.
Было показано, что африканские народы используют совершенно другую классификацию, чем так как делают это западные общества.
Таким образом, понятие цвета при всей его универсальности в человеческом роде в конечном счете скорее субъективно.
Когда люди начали отличать основной цвет
Различие цветов было с тех пор как древние люди функционируют как вид.
Тем не менее, люди пытались поместить понятие цвета в таксономию с тех пор, как появились порядок и устройство. Одна из самых ранних цветных карт была разработана в 1686 году английским натуралистом по имени Ричард Уоллер. Это была структурированная попытка показать, как цвета замещаются друг другом и как они взаимодействуют.
Работа Уоллера привлекательна и выглядит как большой труд. Но люди выделяют основные цвета гораздо дольше, чем в середины 1600-х. Основные цвета занимают огромное пространство в наших обществах, и хотя распространение хроматической науки (и псевдонауки) только недавно стало вещью в себе, можно утверждать, что мы обязаны нашей самой природе адаптивной черте распознавания оттенков и ассоциирования символов с ними.
Археологические данные палеолита показывают, что искусство и основные цвета были включены примерно в то же время в развитие нашего вида. Современные люди впервые начали использовать цвет, чтобы рисовать приблизительно 50 000 лет назад и, что удивительно, казалось бы, что это было полихроматическим с самого начала. Тем не менее, хотя мы можем гордиться художественными способностями раннего человека, это не следует понимать как уникальную способность и старение человека.
Видение в цветах произошло задолго до людей и большинство других вещей в этом отношении. Около 800 миллионов лет назад, почти одновременно с развитием самого глаза, на ранних живых существах появились фоторецепторные клетки, которые преобразуют свет в нервные сигналы. Хотя на планете Земля существует по меньшей мере десять различных типов глазных систем, считается, что способность отличать основные цвета, развилась от одного общего предка.
И мы, люди, прекрасно справляемся с этими функциями — по крайней мере, как млекопитающие.
У нас может отсутствовать способность видеть ультрафиолет или хорошо видеть в темноте, но большинству млекопитающих не хватает полной глубины цветового восприятия, которое есть у людей.
Использование пигментов в качестве средства окрашивания окружающих нас вещей может быть доисторической практикой. Однако совсем недавно люди начали разрабатывать способы искусственного создания основных цветов, которые когда-то требовали огромных усилий и терпения, чтобы получить этот инструмент в свои руки.
Технологии и цвет
Современная наука и индустрия привели к тому, что цвета стали более обыденными — мы находим их легкодоступными и для их получения или изменения вокруг нас на основе наших цветовых предпочтений требуется мало усилий. В свете современных технологий и науки, мы включили цвета в абсолютно все, что мы делаем.
Интересно, что исследования показывают, что, несмотря на эту хроматическую щедрость, мы все еще довольно скучны, когда речь идет о цветах, которые мы предпочитаем, не демонстрируя настоящей лояльности определенному роду.
Один кластер гипотез вокруг этого намекает на то, что мы приступаем к определенным телесным реакциям, когда подвергаемся определенным цветам (например, физически ослабеваем после того, как подвергаемся розовым оттенкам, более творчески настроены будучи окружены зеленым и умнее, когда вокруг синий цвет ). Если есть истина этих результатов, то следует отметить, что мы более инстинктивные, чем признаемся. Так мы используем цвета по тем же самым причинам, которые делали наши предки: отличать безопасные вещи от опасных.
Попытка количественно подсчитать неисчислимое
Недавние исследования пришли к идее восприятия цветов. Результаты показали, что наши первоначальные реакции инстинктивны, но есть способность реагировать из-за нашего метапознания.
Это означает, что мы реагируем очень быстро, когда цвета неуместны, но при определенных обстоятельствах нам могут нравиться оттенки, которые контрастируют вне уровня восприятия. Это дает нам возможность выбирать любимый цвет в первую очередь.
Сколько всего оттенков
Мы видим мир в цвете, отсюда — особый реализм и притягательность цветной фотографии, тем более, что современные цифровые камеры, снимающие в цвете по умолчанию, делают её предельно доступной. Цветная фотография не только предоставляет нам возможность более полно передать богатство окружающего нас мира, но и налагает на нас большую ответственность, заставляя думать о влиянии цвета на наши снимки.
Сколько существует цветов?
Бесчисленное множество. Человеческий глаз способен воспринимать электромагнитное излучение с длиной волны от 380 ( фиолетовый цвет ) до 740 нм ( красный цвет ).
Этот диапазон может быть разбит на любое количество дискретных цветов, хотя всякое подобное разделение будет достаточно условным. Лично мне удобнее всего мыслить в категориях трёхцветной схемы – RGB.
Цветовая модель R G B подразумевает существование трёх основных цветов – красного ( R ed), зелёного ( G reen) и синего ( B lue), смешение которых в различных пропорциях и порождает всё многообразие цветовых оттенков.
Такой подход обоснован физиологически, поскольку цветочувствительные рецепторы (колбочки) сетчатки человеческого глаза содержат фотоопсины трёх типов: LWS (Long Wavelength Sensitive), MWS (Middle Wavelength Sensitive) и SWS (Short Wavelength Sensitive) – чувствительные соответственно к красному, зелёному и синему цветам.
Подобно человеческому глазу цифровой сенсор, снабжённый фильтром Байера (а таких подавляющее большинство), тоже видит мир трёхцветным, формируя целостное цветное изображение из красного, зелёного и синего каналов. Также и матрица компьютерного монитора состоит из красных, зелёных и синих субпикселей.
Модель RGB называют аддитивной, поскольку цвета в ней формируются посредством добавления основных цветов к чёрному цвету. Смешанные в равных долях они образуют ахроматические цвета, т.е. различные оттенки серого. Максимальная интенсивность по всем каналам даёт белый цвет, а нулевая – чёрный, т.е. отсутствие какого бы то ни было цвета.
Замкнув линейный спектр, можно получить цветовой круг, который служит для удобства представления цветовых переходов.
Цвета, лежащие друг против друга на цветовом круге, при взаимном смешении как бы нейтрализуют друг друга, формируя оттенки серого, и называются дополнительными. Дополнительным к красному цвету является голубой (точнее, сине-зелёный или циан), к зелёному – пурпурный (малиновый, маджента), а к синему – жёлтый.
Следует отметить, что при цветной печати изображение получают не с помощью света, а с помощью красок, наносимых на поверхность, способную отражать свет. При этом яркость цветовых оттенков зависит уже не от интенсивности света, падающего на изображение, а от интенсивности отражённого от него света. В связи с этим вместо аддитивного смешения основных цветов, в полиграфии применяется субтрактивное смешение дополнительных цветов, вычитающих из белого света, падающего на бумагу, отдельные спектральные составляющие. Очевидно, что вычитание полного спектра даёт чёрный цвет.
Характеристики цвета и контроль над ними
Основными характеристиками цвета являются: тон (цветовой оттенок), насыщенность и светлота (яркость).
Тон зависит, во-первых, от цвета освещения, а во-вторых, от цвета самого объекта. Иными словами, от того, какой длины световые волны упадут на объект, и от того, какие из них он отразит. Используя настройки баланса белого, мы можем в известных пределах влиять на цветовой баланс снимаемой сцены, чтобы добиться максимального соответствия реальности, либо же, напротив, искусственно сдвинуть цвета в угоду нашему художественному вкусу.
Контроль над светлотой сводится к контролю над количеством и интенсивностью света. Чем больше света, тем светлее цвета, чем меньше света, тем они темнее. Далеко не всегда можно повлиять на характер освещения снимаемой сцены, но количеством света, попадающего на сенсор фотоаппарата, можно и нужно управлять. Яркость фотографии зависит от воли фотографа и определяется преимущественно экспозицией.
Сложнее всего управлять насыщенностью цвета. Чтобы цвета на фотографии вышли насыщенными, они должны быть насыщенными в жизни. Если исходная сцена бесцветна, вы не сможете вытянуть цвета в RAW-конвертере или Фотошопе, разве что раскрасите унылую фотографию вручную. Да, когда цвета красивы, нет ничего плохого в том, чтобы дополнительно подчеркнуть их красоту и интенсивность (в разумных пределах, естественно), но блеклые, скучные цвета невозможно превратить в потрясающие. Их можно немного улучшить, сделать их приемлемыми, но не более того. Задрав Saturation до предела, вы скорее окончательно загубите снимок, нежели превратите его в шедевр. Потратьте лучше ваше время и силы на съёмку новых фотографий, а не на реанимацию старых. Окружающий мир полон красок – нужно только уметь их видеть.
Охота за цветом
Природа самодостаточна в своей красоте, и красота её сияет независимо от того, смотрит на неё кто-либо или нет. Большинство людей никогда не видит действительно красивых цветов в своей повседневной жизни потому, что они попросту не пытаются их увидеть. Им лень поднять голову. Они спят или едят, в то время как небо полыхает красками на рассвете или на закате. Весь день они проводят в душном помещении, зарабатывая себе близорукость, сколиоз и геморрой, а когда они видят необычные для них цвета на фотографиях, они склонны объяснить их манипуляциями с Фотошопом.
Фантастические цвета случаются не часто. Наивно надеяться поймать их, если вы бываете на улице по паре часов в день, да ещё и не в самое фотогеничное время.
Солнечный свет, проходя через атмосферу, частично рассеивается. В первую очередь, рассеиваются лучи с короткой длиной волны, окрашивая небо в синий цвет и превращая его в дополнительный источник освещения. В результате мы, как правило, имеем дело с двумя сортами света: прямым тёплым светом солнца и рассеянным холодным светом неба. Сторона объекта, повёрнутая к солнцу, освещается прямым светом, а теневая сторона – рассеянным. Днём яркость солнечного света настолько высока по сравнению с яркостью неба, что света на фотографии получаются выцветшими и белесыми, а тени – чёрными и безжизненными.
Чтобы краски приобрели насыщенность, свет от солнца и от неба должен быть сбалансирован, т.е. максимально различен по тону, но, при этом, близок по интенсивности. Это возможно только при низком положении солнца над горизонтом. Чем ниже солнце, тем толще слой воздуха, через который должны пройти его лучи, а значит, тем больше лучей рассеивается в атмосфере. Таким образом, прямой солнечный свет делается менее интенсивным (поскольку большая часть лучей рассеивается по дороге к Земле) и более тёплым (поскольку до Земли доходят преимущественно красные, длинноволновые лучи). Перед закатом, когда тёплый прямой и холодный рассеянный свет дополняют и оттеняют друг друга, контраст сцены смягчается, а насыщенность цветов возрастает. Освещённые последними лучами солнца предметы окрашиваются в золотисто-красные тона, а холодные, синеватые тени подчёркивают фактуру и рельеф.
Пик цвета длится считанные минуты, если не секунды, и приходится на время близкое к восходу или заходу солнца. Часто вас будет ожидать разочарование, но терпение и упорство всегда вознаграждаются. Практически невозможно предсказать, когда именно случится кульминация, а потому необходимо быть на месте заранее, хотя бы за полчаса до заката, и оставаться там не менее получаса после того, как солнце скроется за горизонтом. Делайте серии снимков с тем, что бы потом выбрать лучший – благо пиксели бесплатны.
Закаты снимать комфортнее, чем восходы, поскольку вам не нужно вставать до рассвета, добираться до цели в темноте и щёлкать зубами от утреннего холода, возясь с оборудованием. Однако восходы могут быть не менее красивы, а иногда и более фотогеничны, чем закаты. И уж во всяком случае, фотографов, которым не лень вставать затемно, куда меньше, тех, что любят поваляться в постели до обеда.
Не забывайте и про режимное время. Сумерки, когда небо ещё не успело погаснуть, а искусственные огни только разгораются, дают вам возможность запечатлеть великолепные, невиданные днём цвета городских пейзажей. Низкий уровень светового контраста позволяет достичь контраста цветового. Чёрные тени и белесые, выбитые света не имеют цвета. Высококонтрастные изображения почти ахроматичны. Чтобы цвета были насыщенными, свет не должен быть слишком резким.
Я не хочу сказать, что контраст – это что-то плохое. Напротив, контрастные фотографии смотрятся живо и реалистично, но области изображения, имеющие интенсивный и значимый для данной сцены цвет, не должны содержать выраженных яркостных модуляций. Например, общий контраст многих закатных пейзажей очень высок, вплоть до того, что объекты переднего плана превращаются в чёрные силуэты (если экспозиция выставлена по небу), но локальный контраст непосредственно закатного неба сравнительно низок, оно не содержит ни чёрного, ни белого цвета, и потому разнообразие и насыщенность цветовых оттенков полностью сохраняются.
Будьте внимательны с экспозицией. Автоматика часто ошибается при сложном освещении, а передержка в цифровой фотографии недопустима, поскольку она убивает и цвет и фактуру, вытянуть же засвеченные участки снимка без потери качества далеко не всегда удаётся. Небольшая недодержка для снимков с очень яркими цветами обычно вполне приемлема.
Цвет создаёт настроение
Цветовая гамма изображения сильнейшим образом влияет на его восприятие зрителем. Известно, что цвета можно разделить на тёплые (красный, жёлтый, оранжевый) и холодные (синий, фиолетовый, зелёный). Это разделение довольно таки условно, поскольку существует множество пограничных оттенков. Желтовато-зелёный цвет молодой листвы, через которую просвечивают лучи солнца, определённо тёплый. Зеленовато-жёлтый цвет лимона воспринимается как более холодный. Пурпурный с синевой цвет на закате может создавать ощущение, как холода, так и теплоты в зависимости от ситуации. Да и психологические стереотипы цветовосприятия у разных людей различны – для кого-то мороз – красный нос, а для кого-то – синий.
Тем не менее, общие закономерности прослеживаются. Ярко-красный, жёлтый, оранжевый цвета бодрят, создают возбуждение, а иногда и нервозность; тёмно-красный, бордовый, коричневый, тёмно-зелёный спокойны и даже где-то тяжеловесны; бежевый, голубой, различные пастельные оттенки несут ощущение лёгкости и безмятежности; глубокий синий цвет, фиолетовый, сине-зелёный дышат холодом, покоем и, использованные умело, могут действовать на человека как умиротворяющим, так и угнетающим образом.
Цветовая композиция
Цвет – столь же весомый элемент композиции, как и линия, форма, фактура, объём и пр. Насыщенные, яркие цвета в первую очередь привлекут к себе взгляд зрителя. Используйте это, чтобы акцентировать внимание на ключевых элементах снимка. И напротив, избегайте ярких цветовых пятен на периферии кадра, поскольку они будут нарушать гармонию и уводить взгляд от смыслового центра.
Объекты тёплых цветов кажутся расположенными ближе, чем они есть на самом деле, и привлекают внимание в большей степени, нежели объекты холодных оттенков. Цветовой контраст может быть не менее драматичным, чем контраст тональный. Ярко-жёлтая осенняя листва на фоне тёмно-синего неба делает снимок практически трёхмерным.
Контрастные цвета, лежащие на противоположных сторонах цветового круга, создают напряжение, повышают драматизм, динамику композиции. Близкие друг к другу цвета, единая цветовая гамма дают ощущение спокойствия, уравновешенности.
Не всегда следует стремиться к многообразию красок – излишняя пестрота утомляет глаз. Зачастую наиболее гармоничны снимки, содержащие один, много два доминирующих цвета, в то время как дополнительные, более яркие цвета включены в общую картину лишь в виде малых пятен, служащих опорными точками для взгляда. В простоте сила композиции.
Чёрно-белая фотография
Цветная и чёрно-белая фотография – это два совершенно различных способа запечатления окружающей действительности. Ни одна из них не может считаться совершеннее или примитивнее другой. Они по-разному отражают мир и требуют от фотографа принципиально разного видения мира.
Тот факт, что ваша камера по умолчанию снимает в цвете, отнюдь не избавляет вас от необходимости о цвете задумываться. Цвет должен быть значим и обоснован. Если цвет не важен для снимка, то, возможно, от него стоит избавиться. Спросите себя: улучшит ли цвет фотографию? Если нет – он её ухудшит.
Однако я должен предостеречь вас и от другой крайности. Не следует бездумно конвертировать все снимки в ч/б, в надежде, что от этого они станут более душевными и элитарными. Если ваши снимки кажутся вам недостаточно “творческими”, то творческая обработка им не поможет. А уж если вы используете ч/б чтобы замаскировать дефекты освещения или ошибки баланса белого, то разумнее было бы заняться прежде улучшением не фотографий, а фотографа.
В цвете проще получить приятную фотографию, но гораздо сложнее получить фотографию потрясающую, поскольку мы привыкли к цветному миру, и нужно что-то действительно необычное, чтобы удивить нас. Чёрно-белая фотография более абстрактна, она допускает более смелые манипуляции, как при съёмке, так и при обработке, но требует высокого мастерства композиции, а также умения видеть и использовать тональные отношения.
Лично мне ближе цветная фотография. Тем не менее, для некоторых сюжетов, например, для пасмурных зимних пейзажей, ахроматическая палитра более чем уместна. Такие снимки выглядят сильнее и, я бы даже сказал, монументальнее, когда цвет отброшен, как незначимый и отвлекающий фактор.
Редкая сцена одинаково хорошо выглядит в цвете и в ч/б, но и такие случаи бывают. Чтобы иметь свободу выбора, я рекомендую всегда снимать в цвете, а уж затем, если вам понадобится монохромное изображение, использовать для конвертации в ч/б графический редактор.
Спасибо за внимание!
Post scriptum
Если статья оказалась для вас полезной и познавательной, вы можете любезно поддержать проект, внеся вклад в его развитие. Если же статья вам не понравилась, но у вас есть мысли о том, как сделать её лучше, ваша критика будет принята с не меньшей благодарностью.
Не забывайте о том, что данная статья является объектом авторского права. Перепечатка и цитирование допустимы при наличии действующей ссылки на первоисточник, причём используемый текст не должен ни коим образом искажаться или модифицироваться.
Восемь цветов радуги: о цвете с точки зрения математики
Больше пяти лет мы публикуем на Хабре статьи на различные темы компьютерного зрения. Чаще всего они связаны с распознаванием документов, потому что нам всегда очень не терпится поделиться с вами всем крутым и новым, что мы сделали в Smart IDReader. Хотя мы честно стараемся изложить наши знания в «универсальном» ключе, чтобы вы, наши читатели Хабра, могли легко их использовать в своих проектах и стартапах. Сегодня мы решили пойти дальше и представить широкой аудитории фундаментальный математически стройный материал на тему цвета, изложенный простыми словами.
Определение цвета
Одним из самых удачных определений цвета можно считать определение Шрёдингера: цвет – это общее свойство света различного спектрального состава вызывать одинаковое зрительное ощущение. Важным в этом определении является понимание цвета не как некоторого абсолютного свойства света, а как феномена, зависящего от наблюдателя: если два луча света вызывают у наблюдателя одинаковые ощущения, то и цвет одинаковый, а иначе – разный.
Однако и это определение нельзя назвать совсем удачным. Ведь его можно использовать только в колориметрических условиях, то есть специально придуманных для того, чтобы человек мог выступать в качестве измерительного прибора. К примеру, вы смотрите в окуляр, и вам равномерно освещают глаз светом какого-то спектрального состава. Во всех же более сложных ситуациях, например, когда вы просто смотрите вокруг и видите красную рубашку или зеленый лужок, оказывается, что просто исследовать ощущения наблюдателя и строить на этом основании теорию цвета не получается.
Мы знаем из курса физики благодаря Ньютону, что в белом свете существует радуга. Её проявляет дисперсия преломления света в призме или на взвеси, которая возникает в воздухе при грибном дожде. Происходит это следующим образом: призма направляет свет разных длин волн в разных направлениях, и мы видим почти монохроматическое (т. е. единственной длины волны) излучение по каждому из направлений. Перебирая разные направления, мы видим свет разной длины волны, что вызывает у нас ощущение перехода от фиолетового цвета через синий, желтый и далее в красный. Каждому из цветов радуги прямо соответствует определенная длина волны, но это не значит, что отдельные длины волн можно приписать всем вообще цветам.
Как работает сенсор
Поскольку цвет зависит от восприятия наблюдателя, давайте разберемся, что такое сенсор. Сенсор – это тот орган, который поставляет наблюдателю исчерпывающую зрительную информацию. Для человека это глаз, а для робота – RGB-камера. Цветовой сенсор характеризуется набором светочувствительных элементов различных типов. В глазу, в условиях яркого света, активны три типа колбочек: «синие», «красные» и «зеленые», каждый из которых имеет свою спектральную чувствительность. Спектральная чувствительность – функция величины отклика на один квант, то есть на одну порцию света определенной длины волны. К примеру, «синяя» колбочка наиболее чувствительна к длине волн в районе 450 нанометров. Можно считать, что при падении излучения любого спектра на маленькую площадку сетчатки глаза, с этой области сетчатки идет три сигнала, три неотрицательных величины, которые показывают, насколько на этой площадке возбудились в среднем «синие», «красные» и «зеленые» колбочки. Таким образом, сетчатка человека или светочувствительная матрица камеры проецирует спектральный сигнал в трехмерное цветовое пространство, координаты в котором обозначаются , и . Началом координат («нулем») в нем будет отсутствие излучения – ситуация, когда ни один из трех видов рецепторов не возбудился.
Цветность
Расстояние от нуля в цветовом пространстве называется яркостью, это мощностная характеристика. Если мы возьмем источник света и будем увеличивать его мощность, соответствующая ему точка в цветовом пространстве RGB будет удаляться от нуля по прямой, проходящей через начало координат. Главная диагональ, то есть те значения троек, в которых цветовые компоненты равны – это ахроматическая ось, на ней лежат серые цвета.
Для дальнейшего разбора «уберем» из цвета яркость. Для этого центрально спроецируем (с центром проекции в нуле) всё цветовое пространство на любую плоскость, не проходящую через ноль. Все точки цветового пространства, отличающиеся только яркостью, спроецируются в одну и ту же точку плоскости. Мы получим плоскость цветности, а пару координат на этой плоскости будем называть цветностью, то есть той частью цвета, которая не связана с мощностью излучения.
Сколько цветов в радуге?
Рассмотрим теперь всевозможные цвета, воспринимаемые человеческим глазом, и зададимся вопросом: как будет выглядеть это множество, если спроецировать его на плоскость цветности?
Для этого пробежим сначала все значения длин волн видимого спектра (от 380 до 700 нанометров) и нанесем соответствующие им точки (чистые спектральные цвета) на плоскость цветности. Мы получим изогнутую кривую (см. рисунок в самом начале статьи), называемую спектральным локусом.
Математикам будет интересно заметить, что в RGB-пространстве спектральный локус представляет собой замкнутую каплевидную кривую с единственным изломом в начале координат, которая при центральном проецировании с центром в том же самом начале координат превращается в незамкнутую кривую на плоскости цветности.
Поскольку сенсор обеспечивает линейную проекцию всевозможных спектров в видимом диапазоне в цветовое пространство, то любые достижимые комбинации (R, G, B) могут быть получены как выпуклая комбинация («смесь») тех реакций, которые порождаются чистыми цветами. Это касается и проекций на плоскость цветности. Таким образом, физически достижимы цвета, лежащие в выпуклой оболочке спектрального локуса. А, поскольку спектральный локус человека не имеет вогнутостей, то он дополняется до выпуклой оболочки одним единственным отрезком, соединяющим его концы. Получившуюся фигуру принято называть цветовым треугольником, хотя, как мы видим, угла у этого «треугольника» на самом деле всего два, а вместо третьего – закругление в районе 520 нанометров. Итак, цветности всех видимых человеком цветов составляют цветовой треугольник – выпуклую криволинейную фигуру с двумя вершинами.
Рассмотрим теперь точку пересечения ахроматической оси в RGB-пространстве с плоскостью цветности. Эта точка будет называться нейтральной и соответствовать белому цвету. Каждое направление от нейтральной точки до границы цветового треугольника задает цветовой тон. Цвет точки на границе называется насыщенным цветом данного тона, а все точки между нейтральной и насыщенной могут быть получены как смесь этого насыщенного цвета с белым в разных пропорциях.
Как видно из рисунка, большинство насыщенных цветов – это чистые спектральные цвета, то есть точки спектрального локуса, соответствующие монохромному излучению разных цветов радуги от 380 до 700 нанометров. Однако на прямолинейном отрезке границы цветового треугольника от 700 до 380 нанометров мы видим насыщенные цвета, которым не соответствует ни один чистый цвет спектра. Это пурпурные цвета, называемые неспектральными. Пурпурным цветам нельзя поставить в соответствие никакую одну длину волны, но они могут быть получены как реакция сенсора на смесь волн красного и фиолетового диапазонов.
Можно ли увидеть пурпурный цвет в радуге? Мы уже разобрались, что в одиночной радуге его нет. Но иногда на небе бывает видны двойные радуги различной природы. Среди них – отраженная радуга над поверхностью воды при очень низком солнце. В такой радуге после фиолетового цвета опять идет красный, оранжевый и так далее. А на стыке красного и фиолетового можно увидеть их смесь – пурпурный цвет. Получается, что в отраженной радуге может быть восемь цветов!
Как увидеть несуществующие цвета
У тех, кто внимательно следил за рассуждениями, может возникнуть вопрос: а что с той частью плоскости цветности, которая находится вне цветового треугольника? У этих точек могут быть даже вполне положительные координаты . Это – цвета? Может ли человек увидеть цвет, не вызываемый никакими спектральными излучениями, попавшими в его глаз? Трудно сказать, но возможно – да. К примеру, когда на голову падает кирпич, и возникают «птички» и «звёздочки», то вполне вероятно, что часть цветов, которые он при этом видит, физически недостижимы. Все потому, что в момент механического воздействия на нейроны головного мозга сигналы в них имеют достаточно случайный характер, и при этом может возникнуть такая комбинация сигналов, которая никогда не возникает в результате воздействия излучений на глаз человека. Аналогично можно предположить, что человек может видеть несуществующие цвета во сне.
Стандартный наблюдатель
Как было замечено выше, цветовое пространство зависит от наблюдателя. Если сенсоры двух наблюдателей дают разные отклики на излучение одинакового спектра, то и построенное ими цветовые пространства (а также – и цветовые треугольники) получатся разными. Поэтому для численных экспериментов был зафиксирован стандартный наблюдатель, кривые чувствительности рецепторов которого, как считается, хорошо моделируют человеческую биохимию и восприятие.
Также у стандартного наблюдателя кривые чувствительности нормированы так, что если возбудить все три типа светочувствительных элементов источником, который имеет одинаковую спектральную яркость на каждую из длин волн, то , и реакции сенсора будут равны между собой. Это означает, что белый дневной свет (который как раз содержит все длины волн с примерно одинаковой спектральной яркостью) попадает на ахроматическую ось цветового пространства.
О чем знает каждая девушка
Важными следствиями того, что цветовое восприятие человека трехмерно, а спектральный мир бесконечномерный, являются метамерия излучения и метамерия окрасок.
Рассмотрим два разных белых света – дневной и люминесцентный. В отличие от дневного, мощность люминесцентного света не распределена по всему спектру, а сосредоточена в нескольких узких его участках. Однако эти участки подобраны так, чтобы отклики «синих», «красных» и «зеленых» колбочек были равны между собой, т. е. так, чтобы наблюдатель воспринимал свет как белый.
Таким образом, мы видим, что и там, и там наблюдатель фиксирует белый цвет, хотя исходные спектры при этом не имеют ничего общего – это и называется метамерией. Именно понятие метамерии скрыто в определении Шрёдингера: зафиксировав сенсор, мы факторизуем пространство спектров таким образом, что какие-то спектры начинают характеризоваться одной и той же реакцией сенсора (и, соответственно, мы говорим, что они имеют одинаковый цвет), а какие-то – разной (мы говорим, что их цвет различается). Различить «два белых света» тем не менее можно – пропустив люминесцентный свет через призму, мы увидим «рваную» радугу.
На этом чудеса не заканчиваются. Могут существовать две окраски (обязательно с разными спектральными характеристиками), которые, отражая дневной свет, будут приводить к одинаковой реакции сенсора, а отражая люминесцентный – к разной. Или, наоборот. Т. е. для одних и тех же окрасок при одном освещении будет возникать метамерия, а при другом – нет. И в этом нет никакой психологии, лишь математика. И речь идет о вполне жизненных ситуациях. Наверное, каждая девушка знает, что не стоит подбирать купленные отдельно юбку и кофточку при люминесцентном освещении, в надежде, что они подойдут друг другу при естественном, хотя и не знает, почему.
Все это уже слегка запутывает, но мы еще не добрались до самого страшного.
Так что же такое цвет?
Главная путаница в том, что мы называем цветом три разные вещи.
Во-первых, мы называем цветом ощущение окраски. Когда мы ищем рубашку в темном шкафу, мы говорим «я вижу красную рубашку», а не «я вижу черную рубашку», хотя, по сути, в темноте отраженное от рубашки излучение настолько слабо, что выглядит скорее черным. Красный цвет в данном случае – это характеристика красителя, нанесенного на ткань рубашки. Математически окраска может быть задана как спектральная характеристика – функция отражающей способности в зависимости от длины волны.
Во-вторых, цветом можно назвать ощущение освещенности, создаваемой источником света. Например, мы различаем, когда у человека зеленый цвет лица, а когда на лицо просто падает зеленый свет. Освещенность задается спектральной функцией интенсивности излучения в зависимости от длины волны.
И в-третьих, есть цвет в колориметрическом значении, то есть ощущение того излучения, которое «прилетело» к нам в глаз. Поскольку мы всегда наблюдаем отраженный свет, то это излучение источника света, отразившегося от наблюдаемого предмета и при этом изменившегося. Его спектральная функция по законам физики есть произведение спектральных функций освещенности и окраски:
где — спектральная функция попадающего в глаз излучения, — спектральная функция источника света, – спектральная характеристика окраски объекта.
Цветовая константность
У человека известен механизм цветовой константности – способность зрительной системы оценивать окраски при различном освещении. Это эволюционно важный навык: к примеру, обезьяне надо знать, покраснел ли фрукт или это свет заката упал на него. Для решения этой задачи зрительная система человека, получая даже разные сигналы от сенсоров, может тем не менее счесть две окраски одинаковыми, но по-разному освещенными. Это феномен более высокого порядка, чем метамерия. Он относится к области высшей нервной деятельности и до сих пор в достаточной степени не изучен.
Как мы говорили, можно считать, что от каждой точки поля зрения в мозг поступает 3 числа – реакции «синих», «красных» и «зеленых» рецепторов-колбочек. Их значения задаются как интеграл по длине волны:
где – вектор реакции сенсора , – вектор-функция чувствительностей «колбочек» трех типов.
Вычисление такого интеграла происходит физически, когда свет отражается от предмета, а затем электрохимически, когда свет вызывает отклик рецепторов сетчатки, в результате чего образуются три числа, характеризующие цвет.
Для определения окраски объекта зрительная система человека решает обратную задачу: для каждой точки изображения из этих трех чисел и, возможно, известных системе собственных характеристик, извлекается информация о спектральных распределениях отражающей способности и яркости освещения.
Эти две функции входят под интеграл как произведение, поэтому задача их определения выглядит форменным издевательством. Тем не менее, можно утверждать, что цветовая константность у человека работает. Разработка же алгоритмов цветовой константности для технического зрения является актуальной научной задачей.
Куда применить эти знания?
У нас в Smart Engines серьезная экспертиза не только в распознавании документов и проверки подлинности. Мы постоянно участвуем в заказных проектах на различные темы компьютерного зрения. Так, описанная в статье теория цвета применялась в рентгеновской области для того, чтобы сортировать алмазную руду в Якутии. Излучение, проходящее через породу, регистрировалось двумя детекторами, чувствительными к разным диапазонам длин волн. Оказалось, что все алмазы имеют одну и ту же цветность, отличную от цветности пустой руды. Такое «окрашивание» позволило легко выявлять алмазы, неотличимые от руды другими способами.
Статья подготовлена по материалам публичной лекции Дмитрия Николаева, к.ф.-м.н., технического директора ООО «Смарт Энджинс Сервис» под редакцией к.ф.-м.н. Сергея Гладилина.