Лекция III. ОСНОВЫ КОМПЬЮТЕРНОЙ ГРАФИКИ
Изучив материал данной главы, студент должен:
знать
• историю научных трудов о цвете;
• спектральный состав видимого излучения;
• систему цветового круга и характеристики цвета;
• методы синтеза цвета (аддитивный и субтрактивный);
• особенности строения различных цветовых пространств;
• способы описания и области применения основных цветовых моделей;
• виды кодирования цветовой информации растровых изображений;
уметь
• различать спектральные, неспектральные и ахроматические цвета;
• определять основные и дополнительные цвета;
• выбирать цветовые модели для решения конкретных практических задач;
владеть
• знанием о природе цвета, влиянии света на цвет и многозначности понятия цвет;
• представлением об особенностях человеческого восприятия цвета;
• сведениями, необходимыми для понимания других материалов раздела.
Понятие цвета, научные представления о цвете, восприятие цвета, спектр, различные цвета и их взаимодействие
Понятие цвета
Цвет – субъективная качественная характеристика электромагнитного излучения оптического диапазона, определяемая на основании физиологического зрительного ощущения и зависящая от ряда физических, физиологических и психологических факторов. В переводе на простой язык цвет – это ощущение, которое испытывает человек при попадании в глаза световых лучей. Световая энергия передается в виде волн. Длина каждой волны определяет ее интенсивность, напрямую связанную с се цветом. Некоторые волны нельзя увидеть человеческим глазом: например, у инфракрасного света длина волн для этого слишком велика, а у рентгеновских лучей – слишком мала. Между ними и находится видимый спектр, который представлен в школьном курсе физики. Цвета в спектре плавно переходят один в другой, но для систематизации все цветовое многообразие разделили на несколько основных цветов.
Впервые непрерывный спектр на семь цветов разбил Исаак Ньютон. Это разбиение условно и во многом случайно. Вероятно, Ньютон находился под впечатлением европейской нумерологии и основывался на аналогии с семью нотами в октаве (так же семь дней недели, семь металлов, семь планет и т.д.), что явилось причиной выделения именно семи цветов. Круг цветов Ньютона показан на рис. 7.1.
Рис. 7.1. Круг цветов Ньютона из книги "Оптика" (1704), показывающий взаимосвязь между цветами и музыкальными нотами
Цвета спектра от красного до фиолетового разделены нотами, начиная с ре (D). Круг составляет полную октаву. Ньютон расположил красный и фиолетовый концы спектра рядом друг с другом, подчеркивая, что из смешения красного и фиолетового цветов образуется пурпурный.
Для справки
История научных представлений о цвете. Первые объяснения спектра видимого излучения дали Исаак Ньютон в книге "Оптика" и Иоганн Гете в работе "Теория цветов", однако еще до них Роджер Бэкон наблюдал оптический спектр в стакане с водой. Лишь спустя четыре века после этого Ньютон открыл дисперсию света в призмах. Ньютон первый использовал слово спектр (лат. spectrum – видение, появление) в печати в 1671 г., описывая свои оптические опыты. Он сделал наблюдение, что, когда луч света падает на поверхность стеклянной призмы под углом к поверхности, часть света отражается, а часть проходит через стекло, образуя разноцветные полосы. Ученый предположил, что свет состоит из потока частиц (корпускул) разных цветов и что частицы разного цвета движутся с различной скоростью в прозрачной среде. По его предположению, красный свет двигался быстрее, чем фиолетовый, поэтому и красный луч отклонялся на призме не так сильно, как фиолетовый. Из-за этого и возникал видимый спектр цветов.
Ньютон разделил свет на семь цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, индиго и фиолетовый. Число семь он выбрал из убеждения (происходящего от древнегреческих софистов), что существует связь между цветами, музыкальными нотами, объектами Солнечной системы и днями недели. Человеческий глаз относительно слабо воспринимает частоты цвета индиго, поэтому некоторые люди не могут отличить его от голубого или фиолетового цвета. Поэтому после Ньютона часто предлагалось считать индиго не самостоятельным цветом, а лишь оттенком фиолетового или голубого (однако он до сих пор включен в спектр в западной традиции). В русской традиции индиго соответствует синему цвету.
Гете, в отличие от Ньютона, считал, что спектр возникает при наложении разных составных частей света. Наблюдая за широкими лучами света, он обнаружил, что при проходе через призму на краях луча проявляются красно-желтые и голубые края, между которыми свет остается белым, а спектр появляется, если приблизить эти края достаточно близко друг к другу.
Длины волн, соответствующие различным цветам видимого излучения, были впервые представлены в 1801 г. Томасом Юнгом. Они получены путем перевода в длины воли параметров колец Ньютона, измеренных самим ученым. Эти кольца Ньютон получал пропусканием через линзу, лежащую на ровной поверхности, разложенного призмой в спектр света, повторяя эксперимент для каждого из цветов. В 1821 г. Йозеф Фраунгофер положил начало измерению длин волн спектральных линий, получив их от видимого излучения Солнца с помощью дифракционной решетки[1], действие которой основано на явлении дифракции волн[2].
Фраунгофер измерил углы дифракции теодолитомё[3] и вычислил длины волн.
Таким образом, еще в начале XIX в. стало возможным измерять длины волн видимого излучения с точностью до нескольких нанометров. В XIX в., после открытия ультрафиолетового и инфракрасного излучений, понимание видимого спектра стало более точным.