Цветное телевидение?.. Это почти просто!

Глава 3 ВО ДВОРЦЕ ОТКРЫТИЙ

_{Синтез цветов с помощью диска Ньютона. Цвет предметов. Субстрактивный и аддитивный методы. Цветовой тон, яркость и насыщенность. Основные цвета. Принцип трехцветного способа получения цветного изображения. Цилиндр Манселла. Это только иллюзия.}

Незнайкин. — Как здесь темно! А я то думал, что этот зал, предназначенный для изучения света, должен быть залит солнцем!

Любознайкин. — Не удивляйся. Точно так же, как заболевший лучше понимает, что такое хорошее здоровье, так и в темноте нагляднее проявляется поведение света. Впрочем, вот и доказательство этой моей идеи. Ты видишь здесь основной опыт разложения света с помощью призмы — об этом опыте более подробно мы поговорим в следующий раз. Здесь солнце заменили вольтовой дугой, которая тоже дает белый свет. Но можно и как бы перевернуть условия опыта. Подойди сюда и посмотри через призму на эту полосу цветов спектра.

Н. — Как я и думал, я вижу белый свет. Собираясь воедино, различные цвета спектра вновь образуют белый свет. В этом случае мы еще раз наблюдаем обратимость физических явлений. Вращайте динамомашину, и она даст электрический ток. Подайте в нее электрический ток, и она превратится в двигатель.

Л. — Включите паяльник в розетку, и он нагреется. Нагрейте жало паяльника, и вы получите на концах его провода переменный ток с частотой 50 гц!

Н. — Не смейся надо мною, Любознайкин! Я прекрасно знаю, что далеко не все явления природы настолько обратимы. Но что это за диск, на котором так красиво расположены все цвета спектра?

Л. — Это диск Ньютона (рис. 7). Если ты нажмешь на кнопку, он начнет вращаться.

Рис. 7. Если достаточно быстро вращать диск Ньютона, то цвета в нашем восприятии накладываются один на другой и создают впечатление белого света.

Н. — Так приступим! Что же получится? Смотри, он стал белым! Ну конечно, как я не догадался! И в этом случае цвета вновь воссоединяются.

Л. — Однако то, что мы сейчас видим, отличается от восстановления белого цвета в призме, где происходит наложение всех составляющих в пространстве, а на диске Ньютона происходит сложение во времени. В последнем эксперименте это явление имеет место благодаря сохранению зрительного ощущения, своеобразной «памяти зрения». Коль скоро мы сейчас находимся в главе, посвященной восприятию, проведем один очень забавный эксперимент. Что ты здесь видишь?

Н. — Квадраты из плотной бумаги разного цвета: белый, красный, зеленый и синий (рис. 8).

Рис. 8. При освещении белым светом (а) глаз видит белый, синий, красный и зеленый квадраты. При освещении красным светом (б), синим светом (в) и зеленым (г) только квадраты, имеющие такую же окраску, сохраняют свой цвет.

Л. — Они освещены белым светом. А теперь нажми на кнопку, помеченную буквой R. Ты видишь, что теперь квадраты освещены красным светом. Для этого перед источником света поставлен красный светофильтр. Он задерживает все световые волны, кроме узкой полоски, расположенной вокруг 700 нм.

Н. — Это то, что в радиотехнике мы называем полосовым фильтром. Итак, при этом освещении белый квадрат стал красным. Красный таким же и остался. Но, черт возьми, почему зеленый и синий квадраты стали черными?

Л. — Очень просто. Предмет имеет зеленую окраску, когда он поглощает все световые волны, кроме зеленых, которые он отражает. В нашем случае красный свет не содержит зеленых лучей. Поэтому наш квадрат не отражает никаких лучей. А отсутствие света на правильном французском языке называется «черным цветом».

Н. — Значит это же самое происходит и с синим квадратом, поглощающим все лучи, за исключением синих, которые он отражает. А в красном освещении, которое не содержит синих лучей, наш квадрат становится черным. Могу ли я из этого сделать вывод, что цвет предметов зависит как от их способности поглощения и отражения, так и от состава падающего на них света?

Л. — Это логичный вывод из демонстрируемого здесь опыта.

Н. — Теперь я нажимаю на кнопку В. Какой красивый этот синий свет. Как я и ожидал, красный и зеленый квадраты стали черными, а синий вновь стал синим, а белый… тоже стал синим. Значит, если я правильно понимаю, белый предмет тот, который не поглощает никакого света и отражает все световые волны.

Л. — Разумеется. И точно так же предмет черен, если он поглощает все световые волны и не отражает никакого света.

Н. — Теперь я понимаю, почему космические корабли окрашены с одной стороны в черный, а с другой стороны в белый цвет. Когда космонавты желают согреться, они так ориентируют свою ракету, чтобы к солнцу была обращена черная сторона, которая поглощает солнечные лучи. Когда им становится слишком жарко, они поворачивают к солнцу белую сторону, которая отражает лучи.

Л. — Я вижу, что ты хорошо усвоил всю информацию из научно-фантастических книжек…

Н. — Раздумывая о том, что я только что видел, я прихожу к выводу, что воспринимаемый нами цвет определяется своего рода «вычитанием». Светофильтры ведут себя точно так, как и окрашенные предметы: они отнимают соответствующую часть спектрального состава света. Фильтры достигают этого, задерживая световые волны некоторой длины, а окрашенные поверхности поглощают их.

Л. — Да, в обоих случаях цвет получают субстрактивным методом (методом вычитания). Примером может служить демонстрация цветных диапозитивов, где каждый элемент изображения представляет собой маленький фильтр. В природе мы наблюдаем чаще субстрактивный метод. Однако цвета можно получить также и аддитивным методом (методом сложения). Но тогда мы имеем дело с психофизиологическим явлением; воспринимаемые одновременно световые волны различной длины вызывают ощущение, что они смешиваются в нашем мозгу. Подойди сюда и позабавься, составляя собственноручно различные цвета, накладывая, для этого друг на друга сходящиеся на одном белом экране вые лучи этих трех фонарей (рис. 9).

Рис. 9. Три источника белого света оснащены красным, синим и зеленым фильтрами и регулируемыми диафрагмами, позволяющими дозировать силу проецируемых на белый экран лучей. Полученная таким образом аддитивная смесь позволяет воспроизвести большинство цветов.

Один из фонарей снабжен красным фильтром, второй — синим, а третий — зеленым. И каждый из них оснащен регулируемой диафрагмой, позволяющей дозировать интенсивность падающего на экран света. С помощью этого оборудования ты можешь получить очень большое количество смесей этих трех цветов. Так за дело! Я представляю тебе полную свободу, чтобы ты мог, как тебе заблагорассудится, поэкспериментировать с этим оборудованием.

Н. — Посмотрим сначала, что даст один фонарь. Я полностью закрываю диафрагмы на красном и синем фонарях и постепенно открываю диафрагму зеленого фонаря. Я вижу, как один и тот же чистый зеленый цвет становится все более ярким.

Л. — Ты экспериментируешь с практически чистым цветом, т. е. с излучением волн почти одной длины. Воздействуя на диафрагму, ты увеличиваешь лишь количество падающей на экран световой энергии. Графически спектр этого света можно представить в виде одной вертикальной линии, амплитуда которой изменяется в зависимости от действующего отверстия диафрагмы. Поэтому в нашем восприятии свет сохраняет один и тот же цветовой тон (или, как иногда говорят, «тональность» или «оттенок»), но яркость его изменяется. Запомни хорошенько, Незнайкин, значение двух этих терминов. А теперь начинай смешивать цвета.

Н. — Сначала я установлю диафрагмы всех трех фонарей на одинаковую величину, например на половину максимальной. Но что я вижу? Экран стал белым! Фильтры исчезли?

Л. — Совсем нет, дорогой друг. Но интенсивность источников света сейчас отрегулирована так, что при одинаковом отверстии диафрагмы аддитивная смесь дает точное впечатление белого света. В этом нет ничего удивительного, ибо ты знаешь, что то, что мы воспринимаем как белый свет, на самом деле представляет собой смесь различных цветов. И совершенно нет необходимости смешивать все краски спектра видимого излучения: как мы видим, для получения белого света достаточно трех цветов. И сама природа как бы подсказывает нам трехцветный способ — как мы видели, сетчатка глаза содержит светочувствительные элементы, приспособленные для восприятия одного из трех основных цветов: красного, зеленого и синего.

Н. — Что касается белого, согласен. Но как обстоит дело с другими цветами? Что, и* тоже получают простым смешением трех основных цветов?

Л. — Попробуй и увидишь.

Н. — Хорошо. Посмотрим, что даст усиление красного света. Я открываю немного побольше диафрагму красного фонаря, и вот освещенная поверхность из белой становится бледно-розовой. Я еще больше открываю диафрагму красного фонаря; мой розовый цвет становится более интенсивным и постепенно переходит в красный, который, однако, даже при полностью открытой диафрагме красного фонаря остается довольно бледным.

Л. — Это естественно, так как рассматриваемый красный цвет представляет своеобразную смесь с белым, полученным в результате сложения синего, зеленого и части красного лучей.

Н. — А! Мне пришла в голову одна идея! Чтобы увеличить интенсивность красного, нужно одновременно снизить интенсивность синего и зеленого. Посмотри, Любознайкин, посмотри, красный становится интенсивнее! А теперь, когда зеленый и синий фонари полностью закрыты, красный цвет стал очень красивым.

Л. — Да, теперь твой цвет стал «насыщенным». Термином насыщенность обозначают восприятие степени чистоты цвета. В твоем эксперименте цветовой тон не изменяется. Это всегда красный. Он лишь в большей или меньшей дозе входит составной частью в белый. Такое же повышение насыщенности можно наблюдать, если в стакан с водой вливать по капле красные чернила. Сначала вода будет розоветь, затем станет бледно-красной, а когда количество влитых чернил значительно превысит первоначальный объем воды, ты получишь действительно красную жидкость.

Н. — Такой же эксперимент, несомненно, можно производить с чернилами фиолетового, синего, зеленого и вообще любого цвета. Значит, если я правильно понимаю, насыщенность не зависит от цветового тона.

Л. — Для каждого цветового тона можно получить полную гамму насыщенности от 0 до 100 % (рис. 10).

Рис. 10. Изменяя соотношение между белой и окрашенной поверхностью, получают шкалу насыщенности от 0 до 100 %.

Н. — Но я предполагаю, что насыщенность зависит от яркости. Чем сильнее свет, тем бледнее становится цвет.

Л. — Дорогой друг, ты ошибаешься. Возьми свой стакан с водой, в которую влиты чернила. Смотришь ли ты через этот стакан на 40-ваттную или 150-ваттную электрическую лампу, насыщенность идентична. Точно так же ты можешь взять полоску бумаги и с одного конца очень редко поставить маленькие цветные точки и постепенно увеличивать их густоту, чтобы на другом конце бумажной полоски точки почти сливались, образуя сплошь закрашенную поверхность. При рассматривании с некоторого расстояния такая полоска представляет собой прекрасную шкалу насыщенности. Разглядывай ее при свете свечи или на солнце, величина насыщенности не изменяется, хотя яркость изменяется в чудовищных пределах.

Н. — Понял. Теперь я хотел бы подвести итог всему сказанному тобой о восприятии цветов, чтобы посмотреть, все ли правильно уложилось в моем мозгу. Три фактора характеризуют для нас цвет: цветовой тон, яркость и насыщенность. Цветовой тон зависит от преобладающей длины волны в воздействующем на наш глаз спектре световых лучей. Яркость определяется мощностью этих лучей. И насыщенность зависит от спектрального состава совокупности воспринимаемых лучей. Можно сказать и иначе — насыщенность характеризует степень разбавленности цветового тона белым цветом.

Л. — Я в восторге от того, с какой ясностью ты сформулировал эти определения. Можешь ли ты теперь сказать мне, чему соответствуют эти факторы, если изобразить графически спектр лучей?

Н. — Цветовой тон определяется местом вершины кривой (рис. 11). Яркость соответствует высоте этой кривой. А что касается насыщенности, то можно ли сказать, что она характеризуется большей или меньшей «избирательностью» этой кривой?

Рис. 11. Кривые, характеризующие немонохроматические цвета.

_{а — цвета различаются по тону;}

_{б — цвета различаются по яркости;}

_{в — цвета различаются по насыщенности;}

_{г — цвета различаются одновременно по тону, яркости и насыщенности.}

Л. — Твоему способу выражать свои мысли не хватает изящества, но он прекрасно доказывает, что ты все правильно понял. Действительно, у насыщенных цветов кривая узкая и острая, как у избирательных контуров. Малая насыщенность характеризуется растянутой и уплощенной кривой, похожей на кривую контура с большим затуханием.

Н. — Любознайкин! Мне пришла в голову потрясающая идея…

Л. — Обычно я скептически отношусь к подобным вещам. Но сегодня ты проявляешь необыкновенную живость ума, и поэтому без стеснения поделись со мной своей гениальной идеей.

Н. — Не смейся, Любознайкин! Это очень серьезно. Я думаю об аналогии между восприятием звука и света. Так как для звука мы тоже пользуемся тремя характеристиками: высота (которая зависит от основной частоты), интенсивность, или «громкость», звука (которая зависит от мощности или амплитуды колебаний) и тембр, определяемый количеством и относительной мощностью гармоник. Я предлагаю тебе подвести итог.

Л. — Прими поздравления, Незнайкин! Твой спектакль «Цветомузыка» мне очень понравился. Я надеюсь, что в один прекрасный день твоя таблица будет повешена здесь в коридоре, соединяющем залы акустики и оптики. А пока продолжим наши эксперименты со сложением цветов. Закрой полностью диафрагму синего фонаря и смешай красный и зеленый лучи.

Н. — У меня получился желтый цвет. Как это происходит?

Л. — В этом нет ничего удивительного. Когда мы воспринимаем желтый свет, лучи воздействуют в основном на колбочки нашей сетчатки, чувствительные к красному и зеленому цветам, так как нет специальных колбочек для восприятия желтого цвета Сейчас ты производишь такой же эффект, выдавая этим же колбочкам соответствующие порции красных и зеленых лучей.

Н. — Понял. Теперь с помощью диафрагмы я изменяю соотношение зеленого и красного и получаю все промежуточные цвета спектра, включая оранжевый.

Л. — А теперь убери красный и смешай зеленый и синий лучи И в этом случае путем изменения дозировки ты получишь все промежуточные цвета, включая цветовой тон, который называют английским термином «циан» (сине-зеленый), которому, как я уже говорил, я предпочитаю термин «бирюзовый».

Н. — А теперь я убираю зеленый и смешиваю красный и синий лучи. На этот раз получаем разные оттенки пурпурного цвета. Этих цветовых тонов в спектре нет. Они, как ты уже дал мне понять, не соответствуют определенной длине волны. Воспринимаемый цвет является результатом возбуждения колбочек, чувствительных к красному и синему цветам.

Л. — Если ты будешь продолжать в таком темпе, то тебя оставят здесь во Дворце открытий в качестве лектора-демонстратора. С помощью трех фонарей с фильтрами трех основных цветов и регулируемой диафрагмы ты можешь воспроизводить бесконечное разнообразие цветов.

Н. — Я бы даже сказал «бесконечность в кубе», так как для каждого из бесконечного количества цветовых тонов может быть бесконечное количество значений напыщенности. А для каждой такой бесконечности в квадрате имеется бесконечное число градаций яркости. Для изображения этой «бесконечности в кубе» необходимо воспользоваться пространственным изображением с тремя осями координат (рис. 12).

Рис. 12. Аддитивная смесь первичных цветов. Этот рисунок (который имеется во всех книгах о цвете) показывает, какое впечатление производит одновременное восприятие двух или трех первичных цветов. Следовательно, здесь наблюдается психофизиологическое явление, вызываемое лучами света с различной длиной волны.

Л. — Ты вполне прав. Но пока до этого мы еще не дошли. Сейчас для нас самое важное сделать вывод из проделанного эксперимента о том, что с помощью соответствующей дозировки трех основных цветов, какими являются красный, синий и зеленый, можно воспроизвести любую, как ты называешь, цветовую «бесконечность в кубе». Это принцип «трехцветки», который используется в различных областях техники для воспроизведения цветных изображений.

Н. — Но скажи мне, Любознайкин, что это за странный прозрачный цилиндр, в котором видны все цвета?

Л. — Это как раз и есть один из разнообразных способов пространственного изображения того, что ты называешь «бесконечностью в кубе» цветов. По фамилии физика, который изобрел этот остроумный способ разделения цветов, прибор называется цилиндром Манселла (рис. 13).

Рис. 13. В цилиндре Манселла изображены все возможные цвета; яркость изменяется по высоте, насыщенность — по радиусу и цветовой тон — в зависимости от угла.

Разрежем цилиндр по горизонтали (эта модель на самом деле разрезана на пластинки, как колбаса на кружочки). Что ты видишь на этом круге? По периметру ты видишь всю гамму цветов: от красного через оранжевый, зеленый, синий, фиолетовый до различных оттенков пурпурного. Эти цвета имеют 100 %-ную насыщенность. А теперь посмотри по радиусу. По мере удаления от периметра насыщенность убывает и в центре становится равной нулю; это означает, что в центре окраска серая. На этом этаже — ломтике цилиндра все цветовые тона имеют одинаковую яркость. Чем выше поднимаемся мы по цилиндру, тем большей становится яркость, а в основании цилиндра она равна нулю, т, е. основание просто-напросто черное.

Н. — Изумительно! Здесь мы имеем все комбинации цветовых толов, насыщенности и яркости. Мой куб парадоксально воплощен в цилиндре!.. Я констатирую, что если разрезать цилиндр по плоскости, проходящей через его ось и ограниченной этой осью, то мы получим на этой плоскости для одного цветового тона все возможные насыщенности и яркости.

Л. — Это совершенно верно. А что мы увидим на цилиндрической поверхности, образованной на той же оси, но меньшим радиусом?

Н. — Мы увидим все возможные цветовые тона различной яркости, но идентичной насыщенности.

Л. — Браво! В дополнение к этому я хочу обратить твое внимание на то, что ось цилиндра Манселла представляет собой всю шкалу серых тонов, идущую от черного внизу до белого наверху.

Н. — Какое богатство в таком небольшом объеме! И ты говоришь, что благодаря трехцветному принципу соответствующей дозировкой трех основных цветов можно получить все это разнообразие красок.

Л. — На этом принципе основана цветная фотография и, как ты позднее узнаешь, цветное телевидение. В цветном телевидении в качестве трех первичных составляющих используются красный, зеленый и синий цвета с точно фиксированной длиной волны.

Прежде чем уйти из этого зала, тебе, Незнайкин, было бы полезно провести несколько минут в отделе «Оптических иллюзий». Посмотри, например, на этот яркий красный свет, а теперь скажи, какого цвета этот квадрат?

Н. — Он сине-зеленоватый.

Л. — Нет, он белый. Но твои чувствительные к красному цвету колбочки устали от воздействовавшего на них яркого света. Поэтому их способность к восприятию цвета на некоторое время снизилась, и твой глаз больше реагирует на синее и зеленое излучение белого квадрата. По этой же причине эти два квадрата строго одинакового желтого цвета кажутся тебе очень разными, а дело просто-напросто в том, что один из них на черном фоне, а другой на белом фоне, где он кажется почти каштановым.

Н. — Теперь-то я понимаю глубокий смысл выражения: «Не верь глазам своим»…