1. Физические основы цветового оформления

1.1. Основные понятия и определения

Видимый участок спектра включает семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. В действительности же цветов намного больше. Переход от одного цвета к другому происходит непрерывно, вследствие чего получается множество цветовых оттенков. Такой спектр называется непрерывным. На рис. 1.1 число лучей и их цвет после выхода из призмы, а также цвета на других рисунках соответствуют приведенным в табл. 1.1 и для наглядности показаны не непрерывно, а раздельно. На рис. 1.1 пурпурный цвет, отсутствующий в видимом спектре, не показан.

Таблица 1.1. Границы участков спектра для основных, промежуточных и группы пурпурных цветов

^* (нм-наномотр=10⁹м)

При прохождении через призму свет разлагается на большое число цветных лучей, причем преломляемость каждого из лучей различна. Например, луч синего цвета преломляется сильнее, чем красного. Поэтому отклоняющее действие призмы в отношении синего луча больше, чем красного, в результате чего эти лучи имеют различное направление по выходе из призмы.

Если смешать все цвета спектра, например, при помощи дополнительных призм, вновь получим белый свет. Таким образом, белый свет является сложным, состоящим из множества цветных лучей. Однако сами цветные лучи простые и на составные части не разлагаются. Эти лучи являются монохроматическими, т. е. одноцветными.

Рис. 1.1. Видимый участок спектра

Ахроматические и хроматические цвета. Все цвета разделяются на ахроматические и хроматические. В спектре нет черных, серых и белых цветов. Серые цвета могут быть получены смешением черного и белого цветов, взятых в разных пропорциях. Белые, серые и черные цвета называют ахроматическими. Ахроматические цвета различаются между собой лишь по светлоте: одни из них светлые, другие менее светлые, темные, более темные и т. д. К белым цветам, освещенным дневным светом, относятся цвет гипса, свежевыпавшего снега, белой глянцевой бумаги, алебастра и т. д. Наиболее светлый белый цвет имеют сернокислый барий и окись магния в порошке. Свежевыпавший снег темнее их, а загрязненный снег можно назвать уже серым. К черным цветам относятся цвет сажи, черной туши, черного бархата, черной упаковочной бумаги для фотоматериалов и т. д. Самый черный цвет - цвет поверхности черного бархата. Черная фотобумага много светлее черного бархата.

Яркость непрозрачных несамосветящихся тел зависит от общего количества отражаемого ими света. Более темный предмет под интенсивным освещением может оказаться ярче более светлого предмета, освещенного слабо. Но при любой интенсивности освещения более темный предмет остается более темным, если только сравниваемые по цвету предметы находятся в одинаковых условиях освещения. Светлота представляет собой уровень зрительного ощущения, производимого яркостью в зависимости от условий наблюдения. Опыты показывают, что светлота наблюдаемой поверхности нелинейно зависит от ее яркости. Светлоту можно понимать как относительную яркость, характеризуя ее отношением отраженного телом светового потока к потоку, падающему на тело, т. е. коэффициентом отражения. При более интенсивном освещении пропорционально увеличивается как количество света, падающего на тело, так и количество света, отражаемого им. Коэффициент отражения зависит только от свойств поверхности тела, от которой отражается свет и не зависит от того, слабо или интенсивно освещено тело. У ахроматических тел он одинаков для света любых длин волн.

Тела, имеющие ахроматический цвет, различаются по коэффициенту отражения или для прозрачных тел по коэффициенту пропускания светового потока. Эти тела отражают или пропускают свет неизбирательно (неселективно), т. е. в равной степени для всех длин волн видимой области спектра. Если коэффициент отражения поверхности больше 75 - 80%, такая поверхность называется белой, если меньше 4 - 5% - черной. Ахроматических цветов бесчисленное количество, однако глаз человека способен отличать друг от друга лишь ограниченное их число - около 300.

Хроматическими являются все остальные цвета. Существует чрезвычайно много хроматических цветов, каждый из которых имеет в свою очередь множество оттенков.

Цвет является одним из основных и характерных качеств любого объекта, поэтому цветовой характеристике объекта принадлежит важное место. Однако, за исключением специальной литературы, цветовая характеристика объекта часто дается очень приблизительно, с помощью терминов, далеко не однозначно характеризующих цвет.

Словесное определение того или иного цвета не является достаточно точным и объективным. Так, говорят "красная гвоздика", "красная крыша", "красные ботинки" и т. д. В данном случае одним и тем же наименованием цвета "красный" характеризуются цвета, значительно отличающиеся друг от друга. Такое же положение с термином "белый". Обычно называют белым цвет неба, солнца, электрической лампы накаливания разной мощности, любой из осветительных люминесцентных ламп, стеариновой свечи и т. д. Между тем легко доказать, что цветности этих излучений далеко не одинаковы. Очевидно, для определения цвета необходимо установить какие-то физические характеристики, объективную систему параметров, однозначно характеризующих цвет. Ниже будет изложено несколько систем определения цвета.

Если световая энергия сосредоточена в очень узкой области длин волн или, например, на одной длине волны, то при ее восприятии возникает ощущение спектрального (монохроматического) цвета. Вследствие этого все спектральные цвета могут быть охарактеризованы доминирующей длиной волны их излучения, соответствующей определенному цвету, которая называется цветовым тоном λ.

Для объективной оценки цвета используется система наименований в зависимости от цветового тона. Естественной шкалой цветовых тонов является спектр дневного света, в котором всегда сохраняется одна и та же последовательность цветов (табл. 1.1).

Так как в реальном спектре существует непрерывный переход одного цвета в другой, то число цветов неопределенно велико. Поэтому разделение видимой области спектра на цветовые участки условно. Надо отметить, что длина волны, характеризующая цветовой тон цвета, отнюдь еще не указывает на то, что спектральный состав этого цвета одинаков со спектральным составом любого другого, цветовой тон которого определяется той же длиной волны. Длина волны, характеризующая цветовой тон, ничего не говорит о спектральном составе этого цвета, она говорит только о том, что оттенок этого цвета точно такой же, как у спектрального цвета данной световой волны. В табл. 1.2 сравниваются по цветовому тону наиболее характерные краски [17], составленные на основе наилучших отечественных пигментов¹.

¹ (Пигментами называются красящие вещества, т. е. порошки, растираемые с различными связующими в пасты и в таком виде представляющие уже красочные составы или краски. Разведенные до рабочего состояния каким-либо разбавителем, они становятся красками, готовыми к употреблению.)

Все спектральные цвета являются чистыми. Разбавление какого-нибудь спектрального цвета ахроматическим дает такой цвет, цветовой тон которого будет тот же, что и у спектрального, а чистота P другая. Под чистотой цвета понимают степень разбавления спектрального цвета белым или, другими словами, чистота цвета представляет собой относительную величину спектральной составляющей в том или ином цвете. В спектральных цветах нет примеси белого. Чем больше спектральный цвет будет разбавлен белым, тем менее чистым он станет. В конце концов смесь спектрального и белого цветов не будет отличаться от белого цвета, т. е. чистота ее будет равна нулю. Примером цветов одинакового цветового тона и разной чистоты может служить в различной степени выгоревшая на солнце цветная материя или окрашенная бумага.

Таблица 1.2. Цветовой тон различных красок

Таким образом, спектральные цвета имеют чистоту, равную единице, а ахроматические - равную нулю. Если, например, говорят, что зеленый цвет имеет цветовой тон λ=530 нм и чистоту P=0,7, это значит, что данный цвет состоит из 70% чистого спектрального цвета с длиной волны 530 нм и 30% белого цвета.

Следует иметь в виду возможность различного понимания "чистоты" цвета. Дело в том, что согласно формальному определению все спектральные цвета обладают максимально возможной чистотой цвета P, равной 100%. Однако с точки зрения субъективного восприятия (а оно в познании цвета должно играть решающую роль) различные спектральные чистые цвета представляются неодинаково насыщенными, неодинаково контрастирующими с белым цветом. Например, желтый цвет (λ=575 нм) представляется наиболее близким к белому, т. е. менее всего насыщенным, и, наоборот, фиолетовый цвет (λ=440 нм) воспринимается как сильно насыщенный, т. е. наиболее контрастный относительно белого. К белому цвету надо добавить совсем немного фиолетового, чтобы уже стало заметным первое пороговое отличие этой смеси от исходного белого цвета. Между тем желтого цвета требуется для этой цели в сотни раз больше. Этим и можно численно характеризовать в относительной мере насыщенность того или иного цвета.

Мы ощущаем глазом не всякое раздражение (стимул), а лишь то, интенсивность которого не меньше определенной величины, носящей название абсолютного порога ощущения. В тех случаях, когда имеет место некоторое первоначальное раздражение, мы ощущаем его изменение лишь тогда, когда оно достигает определенной величины, составляющей некоторую долю первоначального раздражения. Эта относительная величина называется порогом различения или разностным порогом.

Степень отличия хроматического цвета от ахроматического, т. е. насыщенность, может быть выражена количеством порогов различения, содержащихся между двумя взятыми цветами. Чем более насыщенным является хроматический цвет по сравнению с равным с ним по светлоте ахроматическим, тем больше порогов между ними различает глаз. Однако измерение насыщенности этим методом весьма неудобно и сложно. Поэтому в цветоведении принято измерять не насыщенность, а чистоту цвета. Понятия чистоты цвета и его насыщенности в известной мере различны. В опознавании цвета решающее значение имеет насыщенность, а не чистота.

Аналогично сказанному ранее о яркости и светлоте можно говорить о цветовом тоне и насыщенности, когда это касается излучения, и о цветовой тональности и цветовой насыщенности, когда речь идет о зрительном ощущении. Понятие различия и сходства излучений по цветовому тону и насыщенности аналогично понятию различия и сходства зрительных ощущений по цветовой тональности и цветовой насыщенности.

Цветовой тон и чистота цвета носят название цветности. Но цветность, являясь качественной характеристикой цвета, не определяет его количественной стороны. Два цвета с одинаковой цветностью могут иметь различную яркость.

Изменение яркости цвета характеризует пропорциональное изменение мощности всех составляющих излучений. При уменьшении яркости светового пучка до нуля мы ощущаем его цвет как черный. Черный цвет не является окрашенным светом, он соответствует отсутствию света. В случае изменения яркости светового пучка при постоянном его составе несколько меняется его цвет. Следует отметить, что иногда такие изменения ускользают от нашего внимания по причинам психологического порядка: если известно, что данный цвет красный, мы сохраняем за ним это название, даже если его интенсивность и уменьшается.

Когда мы сравниваем два цвета одного и того же цветового тона, то более яркий цвет кажется светлее, а менее яркий - темнее. Два цвета считаются одинаковыми, если они имеют одинаковые цветность и яркость. Поэтому для точного определения цвета с качественной и количественной стороны необходимо иметь три числовые характеристики: цветовой тон λ, чистоту P и яркость L.

Светлоту хроматических цветов, так же как светлоту ахроматических, характеризуют коэффициентом отражения. Но хроматические тела обладают избирательным отражением и поглощением. Следовательно, коэффициент отражения у хроматических тел различен для света различной длины волны (этим и объясняется наличие у них цветового тона). Светлота хроматических тел определяется из сравнения их коэффициентов с коэффициентами тех ахроматических тел, которые равны с ними по светлоте, т. е. не кажутся ни темнее, ни светлее их. Примерные коэффициенты отражения некоторых цветных поверхностей приведены в табл. 1.3.

Таблица 1.3. Коэффициенты отражения некоторых цветных поверхностей

Указанные характеристики - цветовой тон, чистота и яркость - дают нам возможность заменить нечеткое словесное описание цвета точными цифрами. Например, светло-розовый цвет - это красный цвет небольшой чистоты и поэтому он характеризуется данными: λ=640 нм; P=0,1; L=2 нт. Однако экспериментальное определение этих величин требует дорогостоящей аппаратуры, а сами измерения их длительны и нелегки.

Система выражения цвета через цветовой тон и чистоту может быть наглядно представлена в виде цветового круга (рис. 1.2) - простейшего цветового графика, на котором удобно проследить некоторые закономерности смешения цветов, но нельзя проводить какие-либо вычисления.

Хроматический, непрерывно изменяющийся, спектральный ряд оказывается разомкнутым на своих концах - красном и фиолетовом. Смешивая крайние спектральные цвета видимого спектра (красный и фиолетовый), можно получить переходные между ними промежуточные цвета, которые называются пурпурными. Добавив пурпурные цвета к спектральным и расположив те и другие (спектральные в естественной последовательности и пурпурные, по окружности), получим цветовой круг.

В видимом спектре глаз человека может различить около 130, а в цветовом круге около 150 переходов по цветовому тону (на пурпурные цвета приходится около 20 порогов различения). На рис. 1.2 цветовой круг условно разделен на девять цветов - восемь чистых спектральных и один пурпурный. В центре круга помещается белый цвет. Вдоль каждого радиуса, соединяющего центр с окружностью, располагаются точки, соответствующие цветам одинакового тона (постоянная λ) с чистотой от 0 до 100%. Чем ближе к центру круга, тем больше в цвете, которому точка соответствует, белого и меньше чистого цвета. Наоборот, по мере приближения к окружности цвет приобретает большую чистоту P и, наконец, на окружности переходит в чистый цвет.

Рис. 1.2. Цветовой круг

Пурпурные цвета не являются спектральными, поэтому они не имеют своих значений длин волн λ. Их цветовой тон определяется длиной волны того цвета, который лежит на противоположном конце диаметра цветового круга, но написанной со "штрихом" наверху либо со знаком минус. Цветовой тон пурпурных цветов заключается в пределах от 493′ до 567′ нм или от - 493 до - 567 нм. Таким образом, на таком круге окажутся все возможные сочетания λ, и P. Самые числа λ и P принимают вид полярных координат с полюсом (началом) в центре круга. Величина P дает расстояние от центра, а λ определяет направление радиуса, но только не в угловой мере, а в виде длины волны.

Насыщенность краски. Для оценки красочного состава вводят понятие насыщенность краски M, которая определяется процентным содержанием чистого пигмента в красочном составе. Насыщенность краски следует отличать от чистоты и насыщенности цвета, которые определяют ощущение чистоты цвета.

В зависимости от процентного содержания (по массе) чистого пигмента в красочном составе насыщенность краски M может быть большой, средней и малой:

Количество цвета. Цвет действует на зрение в зависимости от величины произведения площади окрашенной поверхности на его насыщенность. Это свойство называется количеством цвета Q, которое показывает меру ощущения цвета как функцию, зависящую от цветовой тональности и насыщенности цветов объекта и фона, от соотношений их яркостей и угловых размеров.

Количество цвета рассчитывается [18]

где M - насыщенность цвета, %; W - функция, учитывающая изменение насыщенности цвета в зависимости от изменения его светлоты, оцениваемой коэффициентом отражения ρ в процентах

W=25√-17

K_L - относительная величина одновременного контраста между яркостью наблюдаемого цветового объекта L_o и фона L_ф; K_w - относительная величина, учитывающая соотношение угловых размеров цветового объекта w_o и фона соф, на котором цветовой объект рассматривается.

Рассчитанное по этой формуле количество цвета считается: большим при Q>400, средним при 200<Q<400 и малым при Q<200. При одном и том же коэффициенте отражения и прочих равных условиях разные цвета и краски могут обладать различным количеством цвета. Данные о количестве цвета в зависимости от коэффициента отражения поверхности ρ и насыщенности краски M приведены в табл. 1.4 [19].

Таблица 1.4. Количество цвета в зависимости от коэффициента отражения и насыщенности краски

Примечания (к табл. 1.4). 1. Границы насыщенности красок в таблице указаны для стандартного источника белого света C при коэффициенте отражения белил 90%.

2. Данные таблицы приведены для максимальных значений количества цвета, соответствующих рассмотрению цветового объекта на черном фоне (L_ср=0) при отношении угловых размеров объекта и фона 1:2 или случаю, когда объект занимает все поле зрения.

3. Для определения количества цвета Q образцов, не указанных в таблице или рассматриваемых в условиях, не соответствующих примечанию 2, их следует визуально сравнивать с образцами приложения Ш СН181 - 70 [19].

При прочих равных условиях (цветовом контрасте, адаптации) большим количеством цвета обладают цветные поверхности, характеризующиеся большим телесным углом, а также цветовые объекты, рассматриваемые на темном фоне. Уменьшая насыщенность цвета окружающих поверхностей, повышая их яркость и изменяя размеры телесного угла, под которым рассматривается цветной объект, можно получить одинаковое количество цвета.

Количество цвета объектов и красок можно определить следующими способами:

визуальным сопоставлением с аттестованными эталонами на ахроматическом фоне с соответствующими коэффициентами отражения. Аттестованными эталонами цвета непрозрачных материалов могут служить образцы Атласа цветов ВНИИ метрологии им. Д. И. Менделеева [20], Альбома колеров опорной шкалы образцов цвета (приложение III CH181 - 70) [19];

числом порогов цветоразличения. Методика и примеры расчета количества цвета по порогам цветоразличения приведены в п. 2.4.

При рассматривании цветов поверхностей или объектов возможны следующие случаи их цветового ощущения: изолированный цвет, когда цвет поверхности или объекта рассматривается на черном фоне; неизолированный цвет, когда цвет поверхности или объекта рассматривается на фоне, отличном от черного, т. е. на фоне другого цвета или другой светлоты. В этом случае происходит изменение видимости цветового тона, светлоты и насыщенности одних объектов под влиянием других, находящихся в поле зрения при одновременном их восприятии. Объект, вызывающий подобные изменения, называется индуцирующим полем, а объект, свойства которого изменяются, - тестовым полем.

Восприятие цвета поверхности или объекта в большой степени зависит от состояния цветовой адаптации, т. е. установившегося состояния глаза, свойства которого изменяются при попадании в поле зрения наблюдателя различных цветов. Изменением цветовой адаптации называют переход от одного состояния адаптации к другому. Изменение зрительного восприятия цветового объекта только под влиянием изменения цветовой адаптации называют адаптационным сдвигом. Он определяет различие зрительных восприятий цветового объекта наблюдения.

Черное тело и цветовая температура. Поверхность, которая полностью поглощает все падающие на нее излучения независимо от длины волны, направления падения и поляризации излучения, называется черной. Очевидно, что коэффициент отражения такой поверхности будет равен нулю для лучей любого участка спектра. Можно представить себе замкнутую полость (рис. 1.3.) из какого-либо материала, нагретого до высокой температуры, а следовательно, испускающего свет. Внутри такой полости свет переходит от одной стенки к другой, поглощаясь последними. При постоянной температуре стенок внутренние участки полости поглощают и излучают постоянное количество энергии. Если в такой замкнутой полости проделать маленькое отверстие, то количество выходящего через него света будет равно количеству света, получаемому любым другим подобным участком внутренней поверхности. Если снаружи через это отверстие в полость входит свет, он многократно отражается и поглощается внутри этой полости. При отсутствии разницы между входящим и выходящим светом количество испускаемого света не увеличивается. Тело, которое полностью поглощает падающее на него излучение, называется черным телом, а излучение, испускаемое маленьким отверстием в его оболочке, - излучением черного тела.

Рис. 1.3. Схема черного тела: Ф - световой поток, прошедший в черное тело; Ф₁, Ф₂, Ф₃ - отраженные световые потоки

Распределение энергии светового потока, выходящего через узкое отверстие черного тела, можно вычислить на основании теоретических рассуждений, которые хорошо подтверждаются экспериментом. Расчеты показывают, что указанное распределение энергии зависит только от температуры окружающих стенок (рис. 1.4.). Для удобства сравнения и расположения кривых на рисунке относительная энергия, соответствующая длине волны 560 нм, принята одинаковой для всех кривых. Различное распределение энергии, излучаемой телом, воспринимается глазом в виде разных цветов, поэтому его удобно оценивать цветовой температурой излучения черного тела.

Рис. 1.4. Кривые относительного распределения энергии в спектре ламп накаливания и черного тела (ЧТ) в зависимости от цветовой температуры

Цветовой температурой называют температуру черного тела, при которой его излучение имеет ту же цветность, что и рассматриваемое излечение при заданной температуре. Если цветовая температура источника света (исследуемого излучения) равна, например 6500 K¹, нагрето до такой температуры. Это означает лишь то, что данный источник излучает свет той же цветности, что и черное тело при указанной температуре. Черное тело, будучи нагретым, обладает сплошным спектром излучения, а цветность последнего однозначно определяется цветовой температурой.

¹ (Температура по Кельвину K равна температуре по Цельсию плюс 273°С.)

Способ характеристики цветности излучения при помощи цветовой температуры, строго говоря, неприменим к излучениям, имеющим избирательный характер, но практически используется и в этих случаях, например для характеристики цветности излучения люминесцентных ламп.