Цветовая температура — это параметр, описывающий цвет видимого источника света путем сравнения его с цветом света, излучаемого идеализированным непрозрачным, неотражающим телом . Температура идеального излучателя, которая наиболее точно соответствует цвету, определяется как цветовая температура исходного видимого источника света. Шкала цветовой температуры описывает только цвет света, излучаемого источником света, который на самом деле может иметь другую (и часто гораздо более низкую) температуру. [1] [2]
Цветовая температура применяется в освещении , [3] фотографии , [4] видеосъемке , [5] издательском деле , [6] производстве , [7] астрофизике , [8] и других областях. На практике цветовая температура наиболее значима для источников света, которые в некоторой степени соответствуют цвету некоторого черного тела, то есть свету в диапазоне от красного до оранжевого, желтого, белого и голубовато-белого. Хотя концепция коррелированной цветовой температуры распространяет определение на любой видимый свет, цветовая температура зеленого или фиолетового света редко является полезной информацией. Цветовая температура традиционно выражается в кельвинах , используя символ K, единицу абсолютной температуры.
Цветовые температуры выше 5000 К называются «холодными цветами» (голубоватыми), в то время как более низкие цветовые температуры (2700–3000 К) называются «теплыми цветами» (желтоватыми). «Теплый» в этом контексте относится к традиционной категоризации цветов, а не к температуре черного тела. Гипотеза цветового тона утверждает, что низкие цветовые температуры будут ощущаться теплее, в то время как более высокие цветовые температуры будут ощущаться холоднее. Спектральный пик теплого света ближе к инфракрасному, и большинство естественных источников теплого света испускают значительное инфракрасное излучение. Тот факт, что «теплое» освещение в этом смысле на самом деле имеет «более холодную» цветовую температуру, часто приводит к путанице. [9]
Цветовая температура электромагнитного излучения, испускаемого абсолютно черным телом , определяется как температура его поверхности в градусах Кельвина или, альтернативно, в микрообратных градусах (майредах). [11] Это позволяет определить стандарт, по которому сравниваются источники света.
В той степени, в которой горячая поверхность испускает тепловое излучение , но не является идеальным черным излучателем, цветовая температура света не является фактической температурой поверхности. Свет лампы накаливания является тепловым излучением, а колба приближается к идеальному черному излучателю, поэтому ее цветовая температура по сути является температурой нити накаливания. Таким образом, относительно низкая температура испускает тускло-красный цвет, а высокая температура испускает почти белый цвет традиционной лампы накаливания. Металлисты могут судить о температуре горячих металлов по их цвету, от темно-красного до оранжево-белого и затем белого (см. красное тепло ).
Многие другие источники света, такие как люминесцентные лампы или светодиоды ( LED ), излучают свет в основном за счет процессов, отличных от теплового излучения. Это означает, что испускаемое излучение не следует форме спектра черного тела . Этим источникам присваивается то, что известно как коррелированная цветовая температура (CCT). CCT — это цветовая температура излучателя черного тела, которая для человеческого восприятия цвета наиболее близко соответствует свету от лампы. Поскольку такое приближение не требуется для света накаливания, CCT для лампы накаливания — это просто ее нескорректированная температура, полученная путем сравнения с излучателем черного тела.
Солнце очень близко к черному телу-излучателю. Эффективная температура, определяемая полной мощностью излучения на единицу площади, составляет 5772 К. [ 12] Цветовая температура солнечного света над атмосферой составляет около 5900 К. [13]
Солнце может казаться красным, оранжевым, желтым или белым с Земли в зависимости от его положения на небе. Изменение цвета Солнца в течение дня в основном является результатом рассеивания солнечного света, а не изменениями в излучении черного тела. Рэлеевское рассеяние солнечного света атмосферой Земли обуславливает голубой цвет неба, которое имеет тенденцию рассеивать синий свет больше, чем красный.
Часть дневного света ранним утром и поздним вечером ( золотые часы ) имеет более низкую («теплую») цветовую температуру из-за повышенного рассеяния коротковолнового солнечного света атмосферными частицами — оптическое явление , называемое эффектом Тиндаля .
Дневной свет имеет спектр, аналогичный спектру абсолютно черного тела с коррелированной цветовой температурой 6500 К ( стандарт просмотра D65 ) или 5500 К (стандарт фотопленки, сбалансированной по дневному свету).
Для цветов, основанных на теории черного тела, синий цвет возникает при более высоких температурах, тогда как красный цвет возникает при более низких температурах. Это противоположно культурным ассоциациям, приписываемым цветам, в которых «красный» — «горячий», а «синий» — «холодный». [14]
Для освещения внутренних помещений зданий часто важно учитывать цветовую температуру освещения. Более теплый (т.е. с более низкой цветовой температурой) свет часто используется в общественных местах для содействия релаксации, в то время как более холодный (с более высокой цветовой температурой) свет используется для повышения концентрации, например, в школах и офисах. [15]
Регулировка CCT для светодиодной технологии считается сложной задачей, поскольку биннинг, старение и температурный дрейф светодиодов изменяют фактическое выходное значение цвета. Здесь используются системы обратной связи, например, с датчиками цвета, для активного мониторинга и управления цветовым выходом нескольких светодиодов смешивания цветов. [16]
В рыбоводстве цветовая температура имеет различные функции и направленность в различных отраслях.
В цифровой фотографии термин цветовая температура иногда относится к перераспределению цветовых значений для имитации изменений в окружающей цветовой температуре. Большинство цифровых камер и программного обеспечения для обработки необработанных изображений предоставляют предустановки, имитирующие определенные окружающие значения (например, солнечно, облачно, вольфрам и т. д.), в то время как другие позволяют явно вводить значения баланса белого в градусах Кельвина. Эти настройки изменяют цветовые значения вдоль оси сине-желтого, в то время как некоторое программное обеспечение включает дополнительные элементы управления (иногда называемые «оттенок»), добавляя ось пурпурного и зеленого, и в некоторой степени являются произвольными и являются вопросом художественной интерпретации. [20]
Фотографическая эмульсионная пленка не реагирует на цвет освещения идентично сетчатке или зрительному восприятию человека. Объект, который кажется наблюдателю белым, может оказаться на фотографии очень синим или оранжевым. Цветовой баланс может потребоваться скорректировать во время печати, чтобы добиться нейтрального цвета отпечатка. Степень этой коррекции ограничена, поскольку цветная пленка обычно имеет три слоя, чувствительных к разным цветам, и при использовании под «неправильным» источником света каждый слой может реагировать непропорционально, давая странные цветовые оттенки в тенях, хотя средние тона могли быть правильно сбалансированы по белому под увеличителем. Источники света с прерывистым спектром, такие как люминесцентные трубки, также не могут быть полностью скорректированы при печати, поскольку один из слоев мог вообще едва записать изображение.
Фотопленка изготавливается для определенных источников света (чаще всего это дневная пленка и вольфрамовая пленка ), и при правильном использовании создает нейтральный цветовой отпечаток. Соответствие чувствительности пленки цветовой температуре источника света является одним из способов сбалансировать цвет. Если вольфрамовая пленка используется в помещении с лампами накаливания, желтовато-оранжевый свет вольфрамовых ламп накаливания будет выглядеть на фотографии как белый (3200 К). Цветная негативная пленка почти всегда сбалансирована для дневного света, поскольку предполагается, что цвет можно отрегулировать при печати (с ограничениями, см. выше). Цветная прозрачная пленка, являющаяся конечным артефактом в процессе, должна быть согласована с источником света или должны использоваться фильтры для коррекции цвета.
Фильтры на объективе камеры или цветные гели на источнике(ах) света могут использоваться для коррекции цветового баланса. При съемке с источником голубоватого света (высокой цветовой температурой), например, в пасмурный день, в тени, при свете из окна или при использовании вольфрамовой пленки с белым или синим светом, желтовато-оранжевый фильтр исправит это. Для съемки с дневной пленкой (откалиброванной до 5600 К) при более теплых (низкой цветовой температуре) источниках света, таких как закаты, свечи или вольфрамовое освещение , можно использовать голубоватый (например, #80A) фильтр. Более тонкие фильтры необходимы для коррекции разницы между, скажем, вольфрамовыми лампами 3200 К и 3400 К или для коррекции слегка голубого оттенка некоторых импульсных ламп, который может быть 6000 К. [21]
Если имеется несколько источников света с разной цветовой температурой, один из способов сбалансировать цвет — использовать пленку дневного света и разместить над каждым источником света гелевые фильтры для цветокоррекции.
Фотографы иногда используют измерители цветовой температуры. Они обычно предназначены для считывания только двух областей вдоль видимого спектра (красной и синей); более дорогие считывают три области (красную, зеленую и синюю). Однако они неэффективны с такими источниками, как флуоресцентные или газоразрядные лампы, свет которых меняется по цвету и его может быть сложнее исправить. Поскольку этот свет часто зеленоватый, пурпурный фильтр может его исправить. Более сложные инструменты колориметрии могут быть использованы, если такие измерители отсутствуют. [21]
В индустрии настольных издательских систем важно знать цветовую температуру монитора. Программное обеспечение для подбора цвета, например, ColorSync Utility от Apple для MacOS, измеряет цветовую температуру монитора, а затем соответствующим образом корректирует его настройки. Это позволяет цветам на экране более точно соответствовать цветам печати. Обычные цветовые температуры мониторов, а также соответствующие стандартные источники света в скобках, следующие:
D50 — это научное сокращение для стандартного источника света : спектр дневного света при коррелированной цветовой температуре 5000 К. Аналогичные определения существуют для D55, D65 и D75. Такие обозначения, как D50, используются для классификации цветовых температур световых столов и просмотровых кабин. При просмотре цветного слайда на световом столе важно, чтобы свет был правильно сбалансирован, чтобы цвета не смещались в сторону красного или синего.
Цифровые камеры , веб-графика, DVD и т. д. обычно рассчитаны на цветовую температуру 6500 К. Стандарт sRGB, обычно используемый для изображений в Интернете, предусматривает отображение белой точки с цветовой температурой 6500 К.
Microsoft Windows до Windows 11 использует sRGB в качестве цветового пространства дисплея по умолчанию и 6500 K в качестве цветовой температуры дисплея по умолчанию; это может быть переопределено драйвером графического процессора. Windows 11 22H2 поддерживает функцию автоматического управления цветом (ACM), которая дополнительно оптимизирована для OLED -мониторов путем считывания данных EDID . [22]
Стандарты NTSC и PAL TV требуют, чтобы соответствующий экран телевизора отображал электрически черно-белый сигнал (минимальная цветовая насыщенность) при цветовой температуре 6500 К. На многих телевизорах потребительского класса наблюдается весьма заметное отклонение от этого требования. Однако телевизоры потребительского класса более высокого класса могут иметь цветовую температуру, отрегулированную до 6500 К, используя предварительно запрограммированную настройку или пользовательскую калибровку. Текущие версии ATSC явно требуют включения данных цветовой температуры в поток данных, но старые версии ATSC позволяли опускать эти данные. В этом случае текущие версии ATSC ссылаются на стандарты колориметрии по умолчанию в зависимости от формата. Оба указанных стандарта указывают цветовую температуру 6500 К.
Большинство видеокамер и цифровых фотокамер могут настраивать цветовую температуру, приближая белый или нейтральный объект и вручную устанавливая «баланс белого» (сообщая камере, что «этот объект белый»); затем камера показывает настоящий белый цвет как белый и соответствующим образом настраивает все остальные цвета. Баланс белого необходим, особенно при съемке в помещении с флуоресцентным освещением и при перемещении камеры из одной ситуации освещения в другую. Большинство камер также имеют функцию автоматического баланса белого, которая пытается определить цвет света и соответствующим образом скорректировать его. Хотя эти настройки когда-то были ненадежными, в современных цифровых камерах они значительно улучшены и обеспечивают точный баланс белого в самых разных ситуациях освещения.
Однако в стандартах NTSC-J и NTSC-C рекомендуется цветовая температура 9300 K. Телевизоры и проекторы, продаваемые в Японии, Южной Корее, Китае, Гонконге, Тайване и Филиппинах, обычно используют 9300 K в качестве настроек по умолчанию. Но из соображений совместимости компьютерные мониторы , продаваемые в этих странах/регионах, обычно используют 6500 K в качестве настроек по умолчанию; эти настройки цветовой температуры обычно настраиваются в экранном меню.
Операторы видеокамер могут балансировать белый цвет для объектов, которые не являются белыми, принижая цвет объекта, используемого для балансировки белого. Например, они могут привнести больше тепла в изображение, балансируя белый цвет на чем-то светло-голубом, например, на выцветшей синей джинсовой ткани; таким образом балансировка белого может заменить фильтр или осветительный гель, когда они недоступны.
Кинематографисты не «балансируют белый» так же, как операторы видеокамер; они используют такие методы, как фильтры, выбор кинопленки, предварительная вспышка и, после съемки, цветокоррекция , как путем экспозиции в лабораториях, так и в цифровом виде. Кинематографисты также тесно сотрудничают с художниками-декораторами и осветительными бригадами для достижения желаемых цветовых эффектов. [23]
Для художников большинство пигментов и бумаг имеют холодный или теплый оттенок, так как человеческий глаз может обнаружить даже незначительное количество насыщенности. Серый, смешанный с желтым, оранжевым или красным, является «теплым серым». Зеленый, синий или фиолетовый создают «холодные серые». Это ощущение температуры является обратным по отношению к реальной температуре; более синий описывается как «более холодный», хотя он соответствует более высокотемпературному черному телу .
Дизайнеры освещения иногда выбирают фильтры по цветовой температуре, обычно для соответствия свету, который теоретически является белым. Поскольку светильники, использующие разрядные лампы, производят свет со значительно более высокой цветовой температурой, чем вольфрамовые лампы , использование их в сочетании может потенциально создать резкий контраст, поэтому иногда светильники с HID-лампами , обычно производящими свет 6000–7000 К, оснащаются фильтрами 3200 К для имитации вольфрамового света. Светильники с функциями смешивания цветов или с несколькими цветами (если они включают 3200 К) также способны производить свет, подобный вольфрамовому. Цветовая температура также может быть фактором при выборе ламп , поскольку каждая из них, вероятно, будет иметь различную цветовую температуру.
Индекс цветопередачи CIE (CRI) — это метод определения того, насколько хорошо освещение источника света восьми образцовых пятен сравнивается с освещением, обеспечиваемым эталонным источником. Приведенные вместе, CRI и CCT дают численную оценку того, какой эталонный (идеальный) источник света лучше всего приближается к конкретному искусственному освещению, и в чем разница.
Источники света и осветительные приборы могут быть охарактеризованы их спектральным распределением мощности (SPD). Относительные кривые SPD, предоставляемые многими производителями, могли быть получены с использованием приращений в 10 нм или более на их спектрорадиометре . [26] Результатом является то, что может показаться более гладким (« более полным спектром ») распределением мощности, чем на самом деле имеет лампа. Из-за их остроконечного распределения, для проведения измерений флуоресцентных ламп рекомендуются гораздо более мелкие приращения, и это требует более дорогого оборудования.
В астрономии цветовая температура определяется локальным наклоном SPD на заданной длине волны или, на практике, диапазоном длин волн. Например, если для звезды A0V (например, Веги ) заданы цветовые величины B и V , которые откалиброваны так, чтобы быть равными , то цветовая температура звезды определяется температурой, при которой цветовой индекс черного тела-излучателя соответствует звездному. Помимо , могут использоваться и другие цветовые индексы. Цветовая температура (а также коррелированная цветовая температура, определенная выше) может значительно отличаться от эффективной температуры, заданной потоком излучения поверхности звезды. Например, цветовая температура звезды A0V составляет около 15000 К по сравнению с эффективной температурой около 9500 К. [27]
Для большинства приложений в астрономии (например, для размещения звезды на диаграмме HR или для определения температуры модельного потока, соответствующего наблюдаемому спектру) эффективная температура является величиной, представляющей интерес. Различные соотношения цвета и эффективной температуры существуют в литературе. Эти соотношения также имеют меньшую зависимость от других звездных параметров, таких как звездная металличность и поверхностная гравитация [28]
