Цветовая температура — это параметр, описывающий цвет видимого источника света путем сравнения его с цветом света, излучаемого идеализированным непрозрачным неотражающим телом . Температура идеального излучателя, который наиболее точно соответствует цвету, определяется как цветовая температура исходного источника видимого света. Цветовая температура обычно измеряется в Кельвинах . Шкала цветовой температуры описывает только цвет света, излучаемого источником света, который на самом деле может иметь другую (а часто и гораздо более низкую) температуру.
Цветовая температура находит применение в освещении , фотографии , видеосъемке , издательском деле , производстве , астрофизике и других областях. На практике цветовая температура наиболее значима для источников света, которые в некоторой степени соответствуют цвету какого-либо черного тела, т. е. света в диапазоне от красного до оранжевого, затем желтого, белого и голубовато -белого. Хотя концепция коррелированной цветовой температуры распространяет это определение на любой видимый свет, цветовая температура зеленого или фиолетового света редко является полезной информацией. Цветовую температуру обычно выражают в кельвинах с использованием символа К — единицы абсолютной температуры.
Цветовые температуры выше 5000 К называются «холодными цветами» (голубоватыми), а более низкие цветовые температуры (2700–3000 К) называются «теплыми цветами» (желтоватыми). «Теплый» в этом контексте относится к традиционной классификации цветов, а не к температуре черного тела. Гипотеза оттенка-тепла утверждает, что низкие цветовые температуры будут казаться теплее, а более высокие — холоднее. Спектральный пик теплого света ближе к инфракрасному, и большинство естественных источников теплого света излучают значительное инфракрасное излучение. Тот факт, что «теплое» освещение в этом смысле на самом деле имеет «более холодную» цветовую температуру, часто приводит к путанице. [1]
Цветовая температура электромагнитного излучения , испускаемого идеальным черным телом, определяется как температура его поверхности в кельвинах или, альтернативно, в микрообратных градусах (майред). [3] Это позволяет определить стандарт, по которому сравниваются источники света.
Поскольку горячая поверхность излучает тепловое излучение , но не является идеальным излучателем черного тела, цветовая температура света не является фактической температурой поверхности. Свет лампы накаливания представляет собой тепловое излучение, а лампа напоминает идеальный излучатель черного тела, поэтому ее цветовая температура по существу равна температуре нити накала. Таким образом, относительно низкая температура излучает тусклый красный цвет, а высокая температура излучает почти белый цвет, как у традиционной лампы накаливания. Металлисты умеют судить о температуре раскаленных металлов по их цвету: от темно-красного до оранжево-белого, а затем и до белого (см. Красное каление ).
Многие другие источники света, такие как люминесцентные лампы или светодиоды ( СИД ), излучают свет в основном за счет процессов, отличных от теплового излучения. Это означает, что испускаемое излучение не имеет формы спектра черного тела . Этим источникам присваивается так называемая коррелированная цветовая температура (CCT). CCT — это цветовая температура излучателя черного тела, которая для человеческого восприятия цвета наиболее точно соответствует свету лампы. Поскольку такое приближение не требуется для ламп накаливания, CCT для лампы накаливания — это просто ее неотрегулированная температура, полученная путем сравнения с излучателем черного тела.
Солнце очень похоже на излучатель черного тела. Эффективная температура, определяемая общей мощностью излучения на единицу площади, составляет 5772 К. [4] Цветовая температура солнечного света над атмосферой составляет около 5900 К. [5]
Солнце может казаться с Земли красным, оранжевым, желтым или белым, в зависимости от его положения на небе. Изменение цвета Солнца в течение дня в основном является результатом рассеяния солнечного света, а не изменениями излучения черного тела. Рэлеевское рассеяние солнечного света атмосферой Земли вызывает синий цвет неба, который имеет тенденцию рассеивать синий свет больше, чем красный.
Некоторая часть дневного света ранним утром и ближе к вечеру (« золотые часы» ) имеет более низкую («более теплую») цветовую температуру из-за повышенного рассеяния коротковолнового солнечного света атмосферными частицами – оптического явления , называемого эффектом Тиндаля .
Дневной свет имеет спектр, аналогичный спектру черного тела, с коррелированной цветовой температурой 6500 К ( стандарт просмотра D65 ) или 5500 К (стандарт фотопленки, сбалансированный по дневному свету).
Для цветов, основанных на теории черного тела, синий возникает при более высоких температурах, тогда как красный возникает при более низких температурах. Это противоположность культурным ассоциациям, приписываемым цветам, в которых «красный» означает «горячий», а «синий» — «холодный». [6]
При освещении интерьеров зданий часто важно учитывать цветовую температуру освещения. Более теплый свет (т.е. с более низкой цветовой температурой) часто используется в общественных местах, чтобы способствовать расслаблению, тогда как более холодный свет (с более высокой цветовой температурой) используется для повышения концентрации, например, в школах и офисах. [7]
Регулирование яркости CCT для светодиодной технологии считается сложной задачей, поскольку эффекты бинирования, возраста и температурного дрейфа светодиодов изменяют фактическое выходное значение цвета. Здесь используются системы обратной связи, например, с датчиками цвета, для активного мониторинга и управления цветовым выходом нескольких светодиодов, смешивающих цвета. [8]
В рыбоводстве цветовая температура имеет разные функции и направленность в разных отраслях.
В цифровой фотографии термин «цветовая температура» иногда относится к переназначению значений цвета для имитации изменений цветовой температуры окружающей среды. Большинство цифровых камер и программного обеспечения для необработанных изображений предоставляют предварительные настройки, имитирующие определенные значения окружающей среды (например, солнечно, облачно, вольфрам и т. д.), в то время как другие допускают явный ввод значений баланса белого в кельвинах. Эти настройки изменяют значения цвета по сине-желтой оси, в то время как некоторое программное обеспечение включает дополнительные элементы управления (иногда называемые «оттенком»), добавляющие пурпурно-зеленую ось, и в некоторой степени произвольны и являются вопросом художественной интерпретации. [12]
Фотоэмульсионная пленка не реагирует на цвет освещения так же, как сетчатка человека или зрительное восприятие. Объект, который кажется наблюдателю белым, может оказаться на фотографии очень синим или оранжевым. Во время печати может потребоваться коррекция цветового баланса, чтобы добиться нейтрального цвета отпечатка . Степень этой коррекции ограничена, поскольку цветная пленка обычно состоит из трех слоев, чувствительных к разным цветам, и при использовании с «неправильным» источником света каждый слой может реагировать непропорционально, создавая странные цветовые оттенки в тенях, хотя средние тона могут были правильно сбалансированы по белому под увеличителем. Источники света с прерывистым спектром, например люминесцентные лампы, также не могут быть полностью исправлены при печати, так как один из слоев может вообще едва зафиксировать изображение.
Фотопленка изготавливается для определенных источников света (чаще всего пленка дневного света и вольфрамовая пленка ) и при правильном использовании создает отпечаток нейтрального цвета. Согласование чувствительности пленки с цветовой температурой источника света — один из способов сбалансировать цвет. Если вольфрамовая пленка используется в помещении с лампами накаливания, то желтовато-оранжевый свет вольфрамовых ламп накаливания на фотографии будет выглядеть белым (3200 К). Цветная негативная пленка почти всегда сбалансирована по дневному свету, поскольку предполагается, что цвет можно регулировать при печати (с ограничениями, см. выше). Цветная прозрачная пленка, являющаяся конечным результатом процесса, должна быть подобрана в соответствии с источником света или должны использоваться фильтры для коррекции цвета.
Для коррекции цветового баланса можно использовать фильтры на объективе камеры или цветные гели на источнике(-ах) света. При съемке с источником голубоватого света (высокая цветовая температура), например, в пасмурный день, в тени, при освещении из окна или при использовании вольфрамовой пленки с белым или синим светом, это исправит желтовато-оранжевый фильтр. Для съемки на пленку для дневного света (калиброванную до 5600 К) при более теплых (низкая цветовая температура) источниках света, таких как закаты, свечи или лампы накаливания , можно использовать голубоватый (например, #80A) фильтр. Более тонкие фильтры необходимы для коррекции разницы, скажем, между вольфрамовыми лампами с температурой 3200 К и 3400 К, или для коррекции слегка синего оттенка некоторых ламп-вспышек, температура которого может составлять 6000 К. [13]
Если имеется более одного источника света с различной цветовой температурой, один из способов сбалансировать цвет — использовать пленку для дневного света и разместить цветокорректирующие гелевые фильтры над каждым источником света.
Фотографы иногда используют измерители цветовой температуры. Обычно они предназначены для считывания только двух областей видимого спектра (красного и синего); в более дорогих — три региона (красный, зеленый и синий). Однако они неэффективны с такими источниками, как люминесцентные или газоразрядные лампы, свет которых различается по цвету и его труднее корректировать. Поскольку этот свет часто имеет зеленоватый оттенок, его можно исправить пурпурным фильтром. Если такие измерители отсутствуют, можно использовать более сложные инструменты колориметрии . [13]
В индустрии настольных издательских систем важно знать цветовую температуру монитора. Программное обеспечение для сопоставления цветов, такое как Apple ColorSync Utility для MacOS, измеряет цветовую температуру монитора, а затем соответствующим образом настраивает его настройки. Это позволяет цвету на экране более точно соответствовать цвету печати. Общие цветовые температуры мониторов, а также соответствующие стандартные источники света в скобках указаны ниже:
D50 — это научное сокращение стандартного источника света : спектр дневного света при соответствующей цветовой температуре 5000 К. Аналогичные определения существуют для D55, D65 и D75. Такие обозначения, как D50 , используются для классификации цветовых температур световых столов и смотровых кабин. При просмотре цветного слайда на световом столе важно правильно сбалансировать свет, чтобы цвета не смещались в сторону красного или синего.
Цифровые камеры , веб-графика, DVD-диски и т. д. обычно рассчитаны на цветовую температуру 6500 К. Стандарт sRGB , обычно используемый для изображений в Интернете, предусматривает точку белого дисплея 6500 К.
Нормы телевидения NTSC и PAL требуют, чтобы экран телевизора, соответствующий требованиям, отображал электрически черно-белый сигнал (минимальная цветовая насыщенность) с цветовой температурой 6500 К. На многих телевизорах потребительского класса наблюдается очень заметное отклонение от этого требования . Однако в телевизорах потребительского класса более высокого класса цветовую температуру можно настроить до 6500 К с помощью заранее запрограммированных настроек или пользовательской калибровки. Текущие версии ATSC явно требуют включения данных о цветовой температуре 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 упомянутых стандарта определяют цветовую температуру 6500 К.
Большинство видео- и цифровых фотоаппаратов могут регулировать цветовую температуру, увеличивая объект белого или нейтрального цвета и вручную устанавливая «баланс белого» (сообщая камере, что «этот объект белый»); Затем камера отображает настоящий белый цвет как белый и соответствующим образом настраивает все остальные цвета. Баланс белого особенно необходим в помещении при флуоресцентном освещении 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 условиях освещения.
Операторы видеокамеры могут выполнять балансировку белого для объектов, которые не являются белыми, преуменьшая цвет объекта, используемого для балансировки белого. Например, они могут придать изображению больше тепла, уравновесив белый цвет чем-то светло-голубым, например, выцветшей синей джинсовой тканью; Таким образом, баланс 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 пленки, предварительная вспышка и после съемки цветокоррекция , как путем экспонирования в лабораториях, так и в цифровом формате. Кинематографисты также тесно сотрудничают с художниками-декораторами и группами освещения для достижения желаемых цветовых эффектов. [14]
Для художников большинство пигментов и бумаги имеют холодный или теплый оттенок, поскольку человеческий глаз может обнаружить даже незначительное количество насыщенности. Серый, смешанный с желтым, оранжевым или красным, представляет собой «теплый серый». Зеленый, синий или фиолетовый создают «холодные серые оттенки». Обратите внимание, что это ощущение температуры противоположно чувству реальной температуры; Синий описывается как «более холодный», хотя он соответствует черному телу с более высокой температурой .
Дизайнеры освещения иногда выбирают фильтры по цветовой температуре, обычно для соответствия свету, который теоретически является белым. Поскольку светильники с газоразрядными лампами производят свет со значительно более высокой цветовой температурой, чем вольфрамовые лампы , их совместное использование потенциально может создать резкий контраст, поэтому иногда устанавливаются светильники с газоразрядными лампами , обычно излучающими свет с температурой 6000–7000 К. с фильтрами 3200 K для имитации вольфрамового света. Светильники с функцией смешивания цветов или с несколькими цветами (если включая 3200 К) также способны излучать свет, подобный вольфрамовому. Цветовая температура также может иметь значение при выборе ламп , поскольку каждая из них, вероятно, будет иметь разную цветовую температуру.
Индекс цветопередачи CIE (CRI) — это метод определения того, насколько хорошо освещение источника света восьми образцов образцов сравнивается с освещением, обеспечиваемым эталонным источником. Взятые вместе, CRI и CCT дают численную оценку того, какой эталонный (идеальный) источник света лучше всего приближается к конкретному искусственному свету и в чем разница.
Источники света и осветительные приборы могут быть охарактеризованы их спектральным распределением мощности (SPD). Относительные кривые СПД, предоставленные многими производителями, возможно, были получены с шагом 10 нм или более на их спектрорадиометре . [17] В результате получается более плавное (« более полный спектр ») распределение мощности, чем у лампы на самом деле. Из-за их неравномерного распределения для измерения люминесцентных ламп рекомендуется использовать гораздо более мелкие приращения, а для этого требуется более дорогое оборудование.
В астрономии цветовая температура определяется локальным наклоном SPD на данной длине волны или, на практике, диапазоне длин волн. Учитывая, например, цветовые величины B и V , которые откалиброваны равными для звезды A0V (например, Веги ), цветовая температура звезды определяется температурой, при которой показатель цвета излучателя черного тела соответствует звездному. . Помимо , можно использовать и другие индексы цвета. Цветовая температура (а также коррелированная цветовая температура, определенная выше) может сильно отличаться от эффективной температуры, определяемой потоком излучения поверхности звезды. Например, цветовая температура звезды A0V составляет около 15 000 К по сравнению с эффективной температурой около 9 500 К. [18]
Для большинства приложений в астрономии (например, для размещения звезды на диаграмме HR или для определения температуры модельного потока, соответствующего наблюдаемому спектру) интересующей величиной является эффективная температура . В литературе существуют различные цветоэффективные температурные соотношения. Эти отношения также имеют меньшую зависимость от других звездных параметров, таких как металличность звезды и поверхностная гравитация [19]
