Откуда свет и какая у него температура?
#библиявидеонаблюдения #владодамьяновски #источники света #цветоваятемпература
Весьма часто в видеонаблюдении (как и в телевидении и фотографии) при описании источников света используется термин "цветовая температура". Этот термин относится к температуре поверхности воображаемого идеального чёрного тела, нагретого до температуры, при которой оно испускает световые лучи. Из теории физики известно, что спектр излучения, вызванного нагревом, в большой степени зависит от температуры физического тела и не зависит от материала, из которого оно состоит. Этот очень важный вывод был сделан Максом Планком, который установил соотношение между положением максимума в спектре излучения и температурой нагрева тела:
⋋ = 2896/Т, в этой формуле ⋋ - это длина волны в микрометрах, а Т - температура нагрева в градусах Кельвина. На рисунке видно, что максимумы (пики) излучения при различных температурах находятся вне диапазона видимого света (в ИК диапазоне).
Для ламп накаливания с вольфрамовой нитью (кто-то их ещё использует?) рабочая цветовая температура составляет примерно 3000К, и более трёх четвертей энергии здесь излучается в виде ИК-излучения в виде тепла. Более высокие температуры для ламп такого типа недостижимы, потому что вольфрам плавится при 3500К, уже при превышении 2800К срок службы таких ламп существенно снижается, с этим боролись выкачивая воздух из ламп. Однако, именно такие лампы являются идеальными для освещения при использовании черно-белых камер (технологическое наблюдение например), когда спектр воспринимаемого сенсорами излучения расширен за счёт инфракрасного диапазона. А вот при использовании цветных камер эту зону приходится компенсировать, поскольку, как мы помним, ИК-спектр снижает качество формирования цветной картинки.
Для обеспечения точности при тестировании камер весьма часто указывается цветовая температура 3200К. Такого рода осветительные приборы можно приобрести в магазинах профессиональных фотоаппаратов, однако существуют простые правила, позволяющие определить цветовую температуру источника света и его интенсивность в зависимости от типа:
- лампа накаливания 500Вт ⇒ 3200К, примерно 27лм/Вт
- лампа накаливания 200Вт ⇒ 2980К примерно 17,5лм/Вт
- лампа накаливания 75Вт ⇒ 2820К примерно 15,4лм/Вт
При освещении лампами накаливания изображения, снимаемые фотоаппаратами, приобретают желтоватый оттенок. Чтобы это компенсировать, фотографы производят съёмку через голубые светофильтры. Телевизионные камеры компенсируют желтизну электронным путём, изменяя определённым образом соотношение основных цветов в видеосигнале. В большинстве моделей современных камер видеонаблюдения предусмотрена схема так называемого автоматического баланса белого (automatic white balance - AWB), подстраивающая коэффициенты усиления каналов цветности под цветовую температуру источника освещения. Обычно это происходит при включении камеры и направлении её на крупный объект заведомо белого цвета. В более продвинутых моделях баланс белого может устанавливаться в ходе съёмки, то есть без необходимости выключения и последующего включения камеры - это так называемый автотрекинг белого (automatic tracking white - ATW). такой вид коррекции особенно полезен в поворотных камерах с зумом, ведущих наблюдение за большими участками территории объекта, различные зоны которых могут быть освежены источниками с разной цветовой температурой (накаливание, неоновые, led).
Солнце, как естественный источник света, имеет очень высокую физическую температуру, однако его эквивалентная цветовая температура, наблюдаемая на поверхности Земли, зависит от времени суток и погодных условий (привет вечно туманным Питеру и Лондону). Это происходит вследствие преломления и отражения света в атмосфере. В ясный полдень цветовая температура достигает 20000К, а в облачный день падает до 6000К. По этой же причине фотографии, снятые на закате, имеют красноватый оттенок. Чем ниже цветовая температура, тем больше красного компонента в фотографиях, и, наоборот, чем выше температура источника света, тем синее снимки. Но с этим источником света мы ничего не можем сделать! А ведь есть же ещё и искусственные! А вот они имеют различную цветовую температуру и у нас есть возможность её выбрать. Формула, которую мы рассматривали выше (⋋ = 2896/Т), справедлива только лишь для термических источников, то есть тех, в которых первичным источником излучения является разогретый до высокой температуры металл. Однако существуют и газовые источники света, возникновение излучения в которых имеет иную физическую природу. Неоновые или ртутные лампы вырабатывают свет с использованием электромагнитного поля. Этот вид светового излучения имеет особенный характер, вызванный квантовыми законами поведения атомов. Длина волны будет зависеть от конкретного газа, используемого в светильнике. А последнее время широкое распространение получила светодиодная подсветка, с возможностью регулировки цветовой температуры.
Существует ряд источников света, которые определены как - стандартные источники белого света. Начинается всё с источника А (2800К) - наиболее естественный стандарт, поскольку он описывает лампу накаливания и поэтому большинство стандартов, появившихся позже, опираются на данный тип. Стандартный источник В (4880К) излучает белый свет, подобный солнечному свету в полдень. У источника С температура коррекции составляет 6740К. Международный комитет по свету (есть и такой - CIE) в 1965 году предложил новый стандартный источник света, который призван быть эквивалентом средней цветовой температуры при дневном освещении - источник D с рекомендованной температурой 6500К.
Существует ещё один тип источников света - полностью воображаемый источник с равномерным распределением света в виде отрезка прямой. Данный стандарт используется исключительно в расчётах и фигурирует как источник W. Человеческое зрение достаточно быстро адаптируется к изменениям цветовой температуры, поскольку мозг автоматически компенсирует изменения соотношения цветов, вызванные переменой условий освещения. Фотоэмульсия, ЭЛТ и светочувствительные чипы камер ведут себя по-иному. При съёмке на плёночный фотоаппарат для коррекции цветовой температуры приходится использовать различного рода оптические фильтры. В телекамерах такого рода коррекция производится электронным путём - вручную либо автоматически. И, наконец, как мы упоминали выше, при попытке обеспечить адекватную цветопередачу монитора необходимо учитывать цветовую температуру экрана. Большинство современных мониторов могут быть запрограммированы на эквивалентную цветовую температуру от 5000К (обозначается как D50) до 6500К (обозначается как D65), однако некоторые могут быть настроены и на более высокие значения - например, на 9300К. Этот диапазон цветовых температур характерен для излучения пасмурного неба. Профессиональные фотографы и кино- видео- операторы, от работ которых требуется точная передача цветов, активно используют в своей практике специальные устройства для калибровки мониторов.