Для сравнения, в живописи и печати цвета получаются в результате смешения путем вычитания цветов (субстрактивного).
При аддитивном смешении цвет получается путем покрытия ЭЛТ люминофором, и сложение цветов делает итоговый цвет ярче. Поэтому, чтобы получился белый, должны присутствовать все три цвета в соответствующей пропорции. Получающиеся в результате цвета производятся путем сложения цветов.
Когда цвета смешиваются путем вычитания, мы используем бумагу или акриловое волокно в качестве вторичного источника света (отраженного), и цвета смешиваются в нашем глазу после того, как они отражаются от поверхности. Если мы смешиваем (путем сложения) все основные цвета, то получаем более темные цвета, а не более яркие. Цвета смешиваются отраженным светом, чей цвет определяется пигментом, который поглощает (вычитает) длину волны его поверхности.
Но вернемся к телевизору. В качестве основных, как уже упоминалось, используются три цвета: красный, зеленый и синий (RGB).
Рис. 2.13. Цветное изображение в телевидении создается при помощи тройных точек из кристаллического люминофора (RGB)
Теория телевидения и многочисленные эксперименты демонстрируют, что с помощью этих трех основных цветов можно передать большинство естественных цветов (но не все).
Очевидно, внутри цветной ЭЛТ имеются три разных люминесцентных слоя, каждый из которых излучает собственный цвет во время электронного облучения.
Три основных люминесцентных слоя имеют различные свойства яркости, то есть равная интенсивность пучка производит неравную яркость. Чтобы компенсировать эти несоответствия основных люминесцентных слоев, все цветные телевизоры и мониторы оснащены специальной матричной схемой, которая умножает каждый цветовой канал на соответствующее корректирующее число.
Это демонстрирует самое известное уравнение яркости цветного ТВ, которое с помощью электроники применяется к трем основным сигналам в ЭЛТ:
L = 0.3R + 0.59G + 0.11B (28)
Рис. 2.14. Теневая маска RGB
Синий люминофор производит больше света, чем другие два, и поэтому, чтобы уменьшить его яркость и уравнять с двумя другими элементами, его надо умножить на 0.11. В этой книге мы не будем слишком углубляться в теорию цветов в телевизоре, поскольку это тема отдельной книги, но читателю важно оценить сложность проблемы и понять, что все цвета в телевизоре получаются путем визуального аддитивного смешения (сложения) трех основных цветов люминофора ЭЛТ: красного, зеленого и синего.
В телевидении и фотографии, когда говорят об источниках света, пользуются термином «цветовая температура».
Цветовая температура — это температура, до которой нагрето воображаемое абсолютно черное тело, излучающее свет вследствие нагрева.
Согласно физической теории, спектр света, произведенного нагреванием, зависит главным образом от температуры тела, а не от материала. Это важнейшее утверждение было доказано Максом Планком, который вывел формулу, объясняющую взаимосвязь между максимальными длинами излучаемых волн и температурой, до которой нагрето тело:
λm = 2896/T (29)
Здесь λm — длина волны, а Т — температура в градусах Кельвина.
Рис. 2.15. Типичный источник света 3200° К с вольфрамовой лампой, используемый при фотосъемках
Из диаграммы на рис. 2.16 видно, что максимальные значения различных температур находятся вне видимого спектра, то есть в инфракрасной области. Для нити накаливания из вольфрама рабочая цветовая температура приблизительно равна 2800° К, и больше чем 3/4 энергии излучается в инфракрасной области в виде теплового излучения. Тепло — это не что иное, как инфракрасный свет. Более высокую температуру для вольфрамовой лампы использовать нельзя, потому что точка плавления вольфрама равна примерно 3500° К. Увеличение температуры выше 2800° К значительно сократит срок службы вольфрамовой лампы. Чтобы минимизировать горение нити, в современных вольфрамовых лампах воздух из лампочки выкачивается.
Рис. 2.16. Спектральная характеристика черного тела при различных температурах
Вольфрамовые лампы годятся для ч/б камер, так как они более чувствительны к инфракрасной части спектра. Цветным камерам нужно обеспечивать компенсацию желтого/красноватого цвета, производимого источником света в 2800° К.
Для более точного тестирования камер очень часто используются источники света с цветовой температурой примерно 3200° К. Их можно приобрести в магазинах, торгующих профессиональной фототехникой. Имеется достаточно простое правило, которое позволит вам посчитать цветовую температуру и световой поток таких источников света:
— вольфрамовая лампа 500 Вт → 3200° К (примерно 27 люменов/Вт)
— вольфрамовая лампа 200 Вт →2980° К (примерно 17.5 люменов/Вт)
— вольфрамовая лампа 75 Вт → 2820° К (примерно 15.4 люмена/Вт)
В фотоаппаратах это компенсируется синими (дополнительный цвет) оптическими фильтрами, помещенными непосредственно на объектив, тогда как в электронных камерах это делается с помощью электроники: информация об основных цветах меняется до определенного процентного соотношения.
Большинство телекамер, которые используются для видеонаблюдения, имеют функцию «автоматический баланс белого» (automatic white balance, AWB). Это означает, что цветовая температура автоматически настраивается при включении телекамеры, когда она «увидит» достаточную область белого цвета. Более совершенные телекамеры умеют перенастраивать баланс белого «на лету».
Для этого не требуется выключения и повторного включения телекамеры. Такая функция обычно называется автоматическим отслеживанием баланса белого (automatic tracking white, ATW), и она особенно полезна в поворотных телекамерах, которые ведут наблюдение за большими площадями, где, например, могут быть зоны, освещенные как вольфрамовыми, так и неоновыми лампами.
Рис. 2.17. Стандартные источники света
Солнце, как естественный источник света, имеет очень высокую физическую температуру, но эквивалентная цветовая температура света, которую мы получаем на поверхности Земли, колеблется в зависимости от времени суток и погодных условий. Это происходит в результате отражения и преломления света в атмосфере. Как видно из рис. 2.19 «Цветовая температура для различных источников света», в ясный полдень цветовая температура достигает более 20000° К, тогда как в облачный день она понижается почти до 6000° К. Именно поэтому фотографии, снятые на закате, кажутся красноватыми.
Чем ниже цветовая температура, тем более красными будут снимки, и чем выше цветовая температура, тем больше будет синего цвета.
Искусственные источники света имеют различные цветовые температуры, в зависимости от источника. Вышеупомянутая формула (29) применима только к тепловым источникам, то есть к источникам света, в которых металл нагрет до высокой температуры. Однако существуют и газовые источники света, в которых происхождение света имеет другой характер. Например, свечение неона или паров ртути возникает под воздействием электромагнитного поля. Атомы возбуждаются энергией, достаточной для того, чтобы вызвать определенные реакции атома, и энергия высвобождается в форме света. Вследствие квантового поведения атомов этот свет имеет дискретный характер. Длины волн будут зависеть от используемого газа. Некоторые стеклянные электронные лампы, в которых используются такие газы, изнутри покрыты флуоресцентным порошком, который способен поглощать некоторые основные волны и затем восстанавливать непрерывный вторичный спектр видимого света.