Vše o světle - 7. Barva předmětů a vyvážení bílé - Grafika.cz - vše o počítačové grafice

9. března 2007, 00.00 | Již mnohokrát bylo uvedeno, že světlo má svojí barvu danou lidskou interpretací tvaru jeho spektra. Co je to ale barva předmětů a jak to souvisí s vyvážením bílé?

::Vše o světle - 1. Co je to světlo
::Vše o světle - 2. Světlo, oko a mozek
::Vše o světle – 3. Intenzita (jas) světla
::Vše o světle – 4. Barva světla
::Vše o světle - 5. Barevné modely
::Vše o světle - 6. Barevná harmonie a psychologie barev
::Vše o světle – 7. Barva předmětů a vyvážení bílé
::Vše o světle - 8. Kvalita světla
::Vše o světle – 9. Světlo a senzor digitálních fotoaparátů
::Vše o světle – 10. Správa barev (color management)
::Vše o světle - 11. Měření světla a expozice
::Vše o světle - 12. Kontrast
::Vše o světle – 13. Histogram
::Vše o světle – 14. EV hodnota

Světlo s určitým spektrem (tj. barvou) svítí na předmět a tento předmět část světla odrazí a zbytek pohltí. Průhledné předměty část světla propustí a zbytek buď pohltí a nebo také odrazí. V každém případě však předmět změní spektrum světla, které na něj dopadá či skrze něj prochází. Pozorujeme-li toto změněné spektrum (pozorujeme-li tedy předmět v odraženém či jím propuštěném světle), prohlásíme toto předmětem změněné spektrum za jeho typickou barvu.

Barva předmětu je jednak dána vlastnostmi jeho povrchu – jaké vlnové délky (barvu) pohlcuje a jaké a jak odráží, ale také barvou světla, které na něj svítí.

Na barvě předmětů, které samy aktivně světlo nevysílají, se tedy podílejí dva faktory:

1. Spektrum (barva) světla, které předmět osvětluje
2. Vlastnost povrchu předmětu (v případě pozorování v odraženém světle) či vlastnost celé masy předmětu (v případě pozorování průhledem), které spektrum dopadajícího světla změní.

Barva průhledného předmětu je dána opět barvou světla, které na něj svítí, ale také propustností materiálu pro různé vlnové délky. Toto použití je typické pro filtry.
 

Ukázka spektrální propustnosti dvou z mnoha zelených filtrů B+W, a sice typu 060 a 061. Z křivky spektrální propustnosti je vidět, že zatímco zelené složky spektra prochází z 890%, ostatní složky spektra jsou významně pohlcovány. Z křivek je též patrné, že filtr 060 je žlutější a filtr 061 tmavší.

Je bílý papír opravdu bílý?
Dokonale bílý či šedý předmět je potom ten, který odrazí světlo zcela beze změny jeho spektra. Druhá věc je, kolik ho odrazí – zda vše, nebo jen malou část. Podle toho se nám předmět zdá různě světlý – má-li být ale barevně neutrální, nesmí měnit spektrum. Jestliže máme být zcela přesní, tak i barevně neutrální předmět může změnit spektrum světla, ale výhradně tak, aby kvůli sondě lidského oka ve 3 místech spektra oko tuto změnu nepoznalo. Předmět tedy spektrum světla změní, ale oko tuto změnu není schopno registrovat.

Příkladem bílého předmětu může být čistý bílý papír, který odrazí beze změny spektra velkou část dopadajícího světla. Příkladem černého předmětu může být černý samet, který odrazí jen velmi malou část dopadajícího světla, a to vesměs beze změny jeho spektra. Příkladem barevného předmětu může být rajské jablíčko, které kvůli vlastnosti svého povrchu odrazí červené složky spektra a ostatní z velké části pohltí.

Jaká je však denní praxe? Když budete pozorovat bílý papír, bez váhání jeho barvu označíte jako bílou. My ale již víme, že papír není bílý. Papír je bílý proto, že odrazí pro oko beze změny spektrum na něj dopadajícího světla. Bílý papír tak není bílý. Bílý papír má vždy barvu světla, které na něj svítí!

Bílý papír není bílý. Má vždy barvu světla, které na něj svítí.

Přesto každý z vás – v širokém rozsahu barvy světla (od červeného přes skutečně bílé až po modrou (vzpomeňte třeba na diskotéky či bary, kde se často úmyslně svítí různě barevnými světly – řekne, že papír je bílý. Důvodem je, že lidský mozek na základě své mnohaleté zkušenosti zná barvu mnoha předmětů a na základě této zkušenosti opraví signál z očí tak, aby předměty stále zachovávaly svojí barvu bez ohledu na barvu světla, kterým na ně svítíme. A proč to tak dělá? Je to praktické pro přežití. Díky "stabilní" barvě předmětů se dá lépe orientovat, poznávat, přežít.

Na základě známé barvy předmětů provede mozek korekci signálu z očí tak, aby předměty zachovávaly svojí barvu. Mozek tedy eliminuje barvu osvětlujícího světla – provádí vyvážení jeho barvy (korekci) na bílou.

Vyvážení bílé
Vstoupíte-li např. do žárovkami osvícené místnosti (žárovky produkují velmi červené světlo) a pozorujete-li bílý papír, papír bude červený. Mozek ale ví, že má být bílý, a během několika vteřin potlačí červenou složku barvy. Tím červený nádech vyrovná. Po těchto několika vteřinách již vše uvidíte ve správných barvách, tedy červený nádech bude potlačen a bílé předměty budou opět bílé. Mozek tedy provedl vyvážení bílé – upravil signály z oka tak, že předměty mají opět svoji známou barvu.

Ukázka velmi špatně vyvážené bílé – fotoaparát (mozek) na žárovku, realita světla venku během zamračeného dne. Obrázek je tak zcela nepřirozený a nepoužitelný.

Jako etalony barvy, určené k vyvážení bílé, může mozek použít mnoho předmětů, jejichž barvu důvěrně zná. Například již zmíněný bílý papír, barvu lidské pleti (tzv. pleťovku, na jejíž správnou barvu jsme obzvláště citliví), barvu zdí, listů atd. Vždy se najde něco, čeho se mozek může jako známého předmětu chytit. Jen opravdu výjimečně se stane, že si mozek neví rady!

Co je to bílé světlo
Logicky tedy vzniká otázka, co je skutečná barva předmětů, neboli kdy je barva světla opravdu bílá? Za bílou v lidském slova smyslu lze považovat takové světlo, které dráždí všechny tři druhy barvocitlivých receptorů oka stejně. Ve světle jsou tedy z hlediska oka rovnoměrně zastoupeny všechny složky spektra a mozek tedy nemusí nijak vyvažovat bílou. Bílá je tak velmi subjektivní záležitost (jako vše související s viděním), a proto byly vytvořeny standardy pro bílou.

Jedním ze široce rozšířených standardů pro bílou je tzv. standard D65. Je použit v barevném prostoru sRGB a dále třeba v televizorech. Odpovídá přibližně dennímu světlu v Evropě a vyjádřeno teplotou odpovídá 6500K. Protože v oku nejsou všechny 3 druhy receptorů stejně citlivé, spektrum bílé není zcela rovné, ale složitá křivka.

Spektrum standardizovaného bílého světla D65 odpovídá polednímu, mírně zamračenému dni v Evropě a má odpovídající teplotu 6500K.

Barva typických světel
Světla, se kterými je možné se v přírodě a ve fotografické praxi potkat, mají poměrně velký rozsah barev. Od červených (studených) zdrojů, jako jsou svíčky, oheň a žárovky, přes zelené (zářivky) až po silně modré, typicky produkované modrou oblohou zejména na horách. Rozsah vyvážení bílé je tak poměrně značný, a pokud je bílá na fotografii špatně vyvážena, dochází k výraznému posunu barev. Barevný posun je tak významný, že je velmi obtížné, ba často nemožné, opravit špatné vyvážení bílé později v PC.

Teplota v K	Typický zdroj světla
1200-1500	Svíčka
2500-3200	Běžná žárovka (40-200W)
3000-4000	Východ a západ slunce
4000-5000	Zářivka
5000-6000	Sluneční světlo (slunný den), fotografický blesk
6000-7000	Zamračený a mlhavý den
7000-8000	Fotografie ve stínu slunce
8000-11000	Modré nebe bez slunce (hory)

Typické barevné teploty běžných zdrojů světla.

 

Takto nějak by člověk viděl barvy jednotlivých zdrojů světla, kdyby byl mozek nakalibrován na sluneční světlo 5500K a dále by již bílou nekorigoval.

V dobách filmové fotografie bylo možné vyvažovat bílou výběrem vhodného filmu. Existovaly tak filmy na denní světlo, filmy na zářivkové světlo i filmy určené pro umělé světlo žárovek. Přesné korekce se potom prováděly pomocí barevných filtrů nasazených na objektiv a korigujících barvu světla ještě před dopadem na film. Digitální fotoaparáty mají sice stále jeden senzor citlivý na barevné složky stále stejně, ale následnou úpravou barevných signálů je možné vyvažovat bílou, a to i pro každý snímek jinak podobně, jako to dělá lidské oko. A to je velká výhoda oproti filmu.

Mired a kalkulace s ním
I když digitální fotoaparáty dokáží vyvažovat bílou v širokém rozsahu, tak fakt, že to dělají až následnou úpravou RGB hodnot získaných ze senzoru, nutně vede k částečné ztrátě kvality. Jako příklad uveďme fotografii ve světle žárovek. Vyvážení bílé tady znamená potlačení červené složky spektra a zesílení modré složky spektra. A zesílení částečně odpovídá vysoké ISO citlivosti, ale v tomto případě jen pro modrý barevný kanál. Logicky tak bude v modré hodně šumu a málo kresby, zatímco červeným světlem silně exponovaný červený kanál bude mít tendenci k přepalům.

Proto se při požadavku na vysokou kvalitu fotografií i u digitálních fotoaparátů dají použít barevné filtry. Ty vyrovnají složky spektra použitého světla ještě před senzorem, který má potom svoje RGB kanály "drážděny" rovnoměrně.

Pro zjištění správného typu filtru (správné barvy filtru) se s výhodou používají právě jednotky Mired. Mired jsme již uvedly jako 1.000.000 / Teplota světla v Kelvinech a používají se proto, že je lze jednoduše sčítat a odčítat.

Svítíte-li žárovkami o barevné teplotě 2800K (350 Mired), tak modrý filtr, který  posouvá barvu o -150 Mired (záporné hodnoty značí posun do modrých barev), ji změní na 200 Mired, což odpovídá 5000K. Naopak je-li světlo velmi modré (10000K = 100 Mired), červený filtr o hodnotě 100 Mired posune barvu světla na 200 Mired, tedy opět 5000K.

Příklad korekčních filtrů firmy B+W. Modré jsou určeny pro korekci červených zdrojů světla, červené naopak na korekci modrého nádechu.

Podvodní fotografie
Voda pohlcuje červené složky spektra, a tak v určité hloubce zůstane přítomna jen modrá složka viditelného spektra. To velmi dobře znají podvodní fotografové, protože to znemožňuje kvalitní barevnou, zejména podmořskou fotografii. Ani vyvážení bílé již nepomůže, protože úbytek červených složek spektra je tak masivní, že je nelze obnovit ani jejich zesilováním, nehledě na úbytek celkového množství světla. Proto je kvalitní podmořská fotografie téměř nemožná bez použití blesku či silných lamp. Ty dodají chybějící složky spektra, a barvy jsou potom v lidském slova smyslu opět normální.

S rostoucí hloubkou voda pohlcuje stále více spektra směrem od červených Složek, a proto se voda jeví nejprve zeleno-modrá, později jen modrá. Současně klesá celkové množství světla až do úplné tmy.
 

Podobné podmořské snímky, zejména s červenými objekty, vyžadují silné dodatečné zdroje světla, což samozřejmě problém velmi komplikuje.