Яркость и светлота

Как уже отмечалось ранее, при действии света на глаз возникает раздражение сетчатки. От сетчатки возбуждение передается в зрительный нерв и далее в мозг, вызывая ощущение света. Свойство зрительного ощущения, согласно которому предметы кажутся испускающими больше или меньше света, называется светлотой. Как мы уже знаем, на сетчатку попадают только определенные доли всей световой энергии, испускаемой предметами в окружающее пространство. Они выражаются величинами яркостей. Таким образом, интенсивность светового раздражения определяется величинами яркостей, а интенсивность светового ощущения — величинами светлот. Чем больше яркость, тем больше светлота. Поэтому можно сказать, что светлота есть мера ощущения яркости.

В повседневной жизни между понятиями яркости и светлоты часто не делают отчетливого различия, но при изучении зрительного восприятия света их необходимо четко различать. Яркость — объективная величина, ее можно измерить соответствующим прибором (как вы уже догадались, он называется яркометром). Светлота — величина субъективная, как и все ощущения. Например, лист белой бумаги на солнечном свету летом имеет яркость порядка 30000нт, а при свете настольной лампы — порядка 10–30нт. Однако никто не скажет, что один и тот же лист бумаги в одном случае более светлый, чем в другом. В числе ряда особенностей зрительного восприятия здесь проявляется его способность отделять характеристику освещения от характеристики освещаемого предмета. Это явление относится к разряду психологических, и, в частности, связано с памятью.

Из сказанного следует, что светлота не может быть непосредственно измерена и выражена абсолютными числами. Однако возможна количественная оценка, выражаемая словами: больше, меньше, равно, намного больше или меньше, едва различается. Причем этим выражениям можно вполне определенно сопоставить разности измеряемых яркостей. Таким образом можно изучить зависимость ощущения от раздражения.

В середине прошлого века немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891) ставил опыты для того, чтобы найти зависимость между величинами раздражения и ощущения. В 1851г. Вебер открыл закон, общий для всех органов чувств: и данная величина раздражения (яркость света, вес, сила звука, и др.) является мерой замечаемости его изменения.

Говоря проще, мерой чувственно воспринимаемых различий является не минимальная величина разности двух раздражений при данном уровне раздражения, а относительная величина, которая остается неизменной при изменении раздражения.

∆P/P = const

Позднее, в 1858г., Густав Фехнер (1801–1887, немецкий физик и врач) проводил опыты по зрительному различению яркостей. Он установил, что в случае яркостей отношение DP/P постоянно в большом практически используемом диапазоне яркостей. Фехнер вывел математическую формулу зависимости изменения величины ощущения от изменения величины яркости.

∆S = k ∆lgP

Так выглядит закон Вебера–Фехнера (k~100).

Эта формула имеет важное значение. Она, в частности, объясняет, почему надо пользоваться величинами оптических плотностей, а не соответствующими им величинами коэффициентов пропускания и отражения. Действительно, если построить шкалу яркостей, оптические плотности которой составляют равномерный ряд, то она будет восприниматься как равномерная шкала светлот.

Выше мы рассматривали разницу двух яркостей абстрагируясь от их окружения, неявно предполагая, что разница между ними много меньше их значений. При рассмотрении реальных образов это не так — мы имеем некоторый диапазон яркостей и некоторый средний уровень яркости — и наше восприятие изменится.

Было установлено, что в натуральном объекте с максимальной яркостью 6000нт, интервалом яркостей 2.3 (200:1) и уровнем адаптации глаза 1500нт человеческий глаз может различить 100 уровней яркости. Эти показатели соответствуют ландшафту при среднем уровне освещения его дневным светом. В объекте с максимальной яркостью 40нт, интервалом яркостей 1.6 (40:1) и уровнем адоптации 10нт глаз может различить около 70 уровней яркости. Эти показатели соответствуют фотоотпечатку на бумаге выше упомянутого ландшафта и рассматриваемого при среднем искусственном освещении.

Цветовой тон и насыщенность

Вторым параметром, характеризующем зрительное восприятие излучения, является цвет. Если мы возьмем ряд спектральных цветов и перечислим их по порядку, то получим следующий ряд: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Свойство зрительного ощущения, обозначаемое этими словами, называют цветовым тоном.

Перечисленные выше названия цветовых тонов сложились исторически до того, как начали изучать и систематизировать цвета. Они условны и недостаточно точно определены. Из спектра можно выделить значительно больше различающихся по цветовому тону излучений. Например: красно–оранжевый, оранжево–желтый, желто–зеленый, сине–зеленый, сине–фиолетовый. Для определенности обозначения цветового тона указывают длину волны. Исключение составляет только один тон, которого нет в спектре, а именно пурпурный. Пурпурный цвет получается смешением крайних спектральных цветов — фиолетового и красного. Цветовой тон пурпурных цветов указывается длинами волн излучений зеленых цветов, дополнительных к данным пурпурным.

Если взять излучение какого–нибудь цветового тона и смешать его с белым в различных пропорциях, то мы получим новые различные цвета. Однако, все они будут одного цветового тона. Их отличие принято характеризовать чистотой цвета, т.е. отношением яркости спектрального излучения к яркости смеси.

Чистота цвета является объективной величиной, т.к. она выражается через объективные величины яркостей. Свойство зрительного восприятия, позволяющее оценивать пропорцию чистого хроматического цвета в полном цветовом ощущении, называется насыщенностью цвета. Подобно тому как ощущение яркости мы называем светлотой, насыщенность цвета можно считать ощущением его чистоты.

Также как и в случае со светлотой, человеческий глаз различает ограниченное количество цветов. Результаты соответствующих исследований приведены в таблице ниже.

Величины пороговых разностей для длин волн и количества спектральных цветов, различающихся по цветовому тону.

Границы участков длин волн в спектре λ, нм Величины участков длин волн ∆λ, нм Средняя величина пороговой разности длин волн на участках ∆λпор.ср., нм Число цветов, различающихся по цветовому тону на данном участке n=∆λ/∆λпор.ср.
700 1
700—678 22 22 1
678—665 13 13 1
665—659 6 6 1
659.0—649.5 9.5 5.17 1.8
649.5—620.0 29.5 3.09 9.6
620.0—595.9 24.1 2.08 11.6
595.9—575.2 20.7 1.23 17
575.2—549.1 26.1 2.04 12.8
549.1—521.4 27.7 3.04 9
521.4—505.4 16 2 8
505.4—483.2 22.2 1.25 17.8
483.2—475.0 8.2 1.6 5.1
475.0—427.0 48 2.07 23.2
427.0—405.8 21.2 3.05 7
Число цветов, различающихся по цветовому тону в целом по всему спектру: 130

Мы видим, что в общей сложности человеческий глаз может различить 130 спектральных цветов, обычно к этой цифре добавляют еще 20 пурпурных тонов. Таким образом, можно считать, что глаз в состоянии различать не более 150 цветовых тонов.

Если в смеси белого цвета с данным спектральным цветом изменять соотношение их количеств, т.е. чистоту цвета смеси, поддерживая яркость смеси постоянной, то можно определить минимальные разности чистоты, различаемые глазом. При данном спектральном цвете и постоянной яркости эти величины будут разностями по насыщенности.

Число пороговых различий чистоты цвета (числа ступеней насыщенности между белым и чистым спектральным) в зависимости от цветового тона (длины волны).

Из графика видно, что минимальные числа ступеней насыщенности (около 4) наблюдаются для желтых цветов, максимальное — для красных (около 25) и синих (около 22).

Общее число цветов

Из приведенных данных видно, что число цветов, которые может "видеть" глаз, не является бесконечно большим, хотя число возможных спектральных составов излучений, действующих на глаз и вызывающих ощущение цвета, бесконечно.

Числа порогов показывают, сколько цветов можно видеть, изменяя одну из трех указанных выше характеристик излучения. Но по ним можно рассчитать число цветов, которые можно видеть при одновременном изменении всех трех характеристик во всех их комбинациях, т.е. вообще возможное число цветов.

Произведя подсчет мы получим около 210000 возможных цветов.

Но такой расчет весьма не точен и недостаточно строг. Вспомним, что при малых яркостях число ступеней цветового тона и насыщенности значительно меньше, чем при некотором оптимальном уровне яркостей. При яркостях меньше 1нт мы вообще не различаем цветностей, а различаем излучения только по светлоте. Кроме того, ступени светлоты были определены для белого света при определенном уровне адаптации глаза. Произведя коррекцию наших расчетов мы получим, что общее число различаемых глазом цветов равно, примерно, одному или нескольким десяткам тысяч.


Таким образом, мы установили три объективные характеристики цвета: яркость, цветовой тон (выраженный длиной волны) и чистоту цвета, а также три субъективные характеристики: светлоту, цветовой тон (выражаемый словами красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый и т.п.) и насыщенность цвета. Каждая из трех характеристик независима от двух других. Кроме того, мы установили верхнюю границу для числа различаемых человеческим глазом цветов. Это является хорошей базой для систематизации цветов.

Далее