Z notatnika optyka: Jaki kolor jest ciepły

Dlaczego w przypadku barwy w ogóle mówimy o temperaturze? Co to jest Kelwin? Dlaczego kolor mierzymy w Kelwinach? W dzisiejszym odcinku cyklu "Z notatnika optyka" wyjaśniamy istotę "balansu bieli". Zapraszamy do lektury.
Jaki kolor ma przedmiot?
To, jaki kolor ma obraz przedmiotu tworzony na matrycy lub filmie, zależy od dwóch rzeczy: od właściwego koloru tego przedmiotu (czyli od tego jakie kolory światła są przez niego dobrze odbijane) oraz od tego, jakie światło na niego pada. U mnie w ciemni wszystko wygląda jak czerwone lub czarne ;).

Mózg człowieka nauczył się jednak w stopniu rewelacyjnym ustawiać balans bieli i z obrazu na siatkówce wyciągać informację o rzeczywistych kolorach przedmiotów, odrzucając jednocześnie informację o kolorach oświetlenia. Aparat z kolei widzi wszystko takie, jakie jest, więc sam z siebie nie skoryguje zdjęcia tak, aby pokazać kolor samego przedmiotu. No, właściwie, to może - to się nazywa automatycznym balansem bieli, ale aparatom zazwyczaj wychodzi to tak dobrze, że lepiej albo samemu ustawić, albo zrobić w RAWie i poprawić przy jego wywołaniu.

Na czym polega ustawianie balansu bieli
Znakomita większość aparatów pod względem rozpoznawania barw działa tak, jak ludzkie oczy. Połowa pikseli jest czuła tylko na kolor zielony, 1/4 - na niebieski, 1/4 - na czerwony. Jeżeli coś jest żółte, to widzimy to jako żółte na podstawie tego, jak mocno pobudza receptory czułe na zielone i czerwone i jak bardzo nie pobudza receptora czułego na niebieskie. Dzięki temu możemy oko skutecznie oszukać i spowodować, że będzie widziało żółte, gdy wyświetlimy odpowiednią mieszankę zielonego i czerwonego (na tej zasadzie działa m.in. system RGB, na podobnej - choć z nieco innymi odcieniami - wszelkie kolorowe wydruki, zdjęcia itp. itd.)

To, co aparat zapisuje jako RAW, to wartości zmierzonych naświetleń poszczególnych pikseli. W typowym RAWie nie mamy nawet pełnej informacji o kolorze dla każdego piksela, a jedynie wartość odpowiadającą kolorowi, na jaki czuły jest ten piksel (tą informację ma program do wywoływania RAWów). W momencie wywołania RAWa program musi zrobić dwie rzeczy. Po pierwsze, dla każdego piksela musi dosztukować informacje o dwóch pozostałych barwach składowych (co robi, uśredniając wartości z najbliższych pikseli dookoła). Po drugie, pomnożyć wartość każdej składowej przez liczbę, która zależy od całkiem sporej ilości czynników, m.in. wartości tej składowej, czasem miejsca na matrycy, ustawienia korekcji ekspozycji przez użytkownika, czy koloru. Nieco upraszczając, ustawienie balansu bieli sprowadza się do określenia, ile razy liczby, przez które mnożymy składowe czerwoną i niebieską, mają być większe od liczby, przez którą mnożymy składową zieloną. Czyli właściwie dwóch wartości.

A jak się określa barwę światła?

Białe jest czarne
Chyba najczęściej spotykaną informacją na temat tego jak białe jest światło, jest jego temperatura barwowa. Podaje się ją nawet na opakowaniach żarówek i świetlówek przeznaczonych do oświetlenia sobie pokoju. Ta sama temperatura barwowa jest również wykorzystana w aparatach fotograficznych, jako jeden ze sposobów ustawienia balansu bieli. Podawana jest w kelwinach. Co to jest kelwin i co ma wspólnego z temperaturą?

Otóż kelwin jest jednostką temperatury, podobną do stopni Celsjusza. Podobną, bo różnica temperatur wynosząca 1K jest taka sama, jak 1°C, tylko skala Kelwina jest przesunięta: 0°C to 273K.

Fajnie, tylko jak to się ma do białego światła?

Otóż modelem idealnego światła białego jest widmo promieniowania czegoś, co się nazywa ciałem doskonale... czarnym. Nie wchodząc za głęboko w fizykę za tym stojącą, jest tak, że każde ciało fizyczne, rozgrzane do jakiejkolwiek temperatury wyższej od zera bezwzględnego, świeci. Co więcej, jeżeli jego powierzchnia jest czarna (bo jak nie jest, to część promieniowania odbija z powrotem do środka, co może zmienić widmo takiego światła), to widmo tego promieniowania jest bardzo ściśle określone i zależy tylko od temperatury ciała i to w dość prosty sposób. Mniej więcej tak:


Jak widać, widmo jest gładkie i ma pojedyncze maksimum. Co więcej - długość fali w jakiej świeci najmocniej (ozn.
λ
MAX - podane w nm) łączy z temperaturą (T, wyrażonej w K) prosty wzór:

λ
MAX=2898000/T

Czyli jak ciało ma 37°C (czyli ok. 310K), to świeci w podczerwieni, z maksimum w 9300nm. No i mamy temperaturę barwową białego światła: światło o danej temperaturze barwowej ma takie widmo, jak promieniowanie "ciała doskonale czarnego" rozgrzanego do tej temperatury.

Tradycyjne źródła światła, takie jak żarówki, żarówki halogenowe i gwiazdy świecą właśnie widmem ciała doskonale czarnego z bardzo dobrym przybliżeniem. Włókno żarówki halogenowej, rozgrzewające się do ok. 3200K, świeci światłem o temperaturze barwowej 3200K, mającym maksimum... nadal w podczerwieni - 900nm (człowiek widzi mniej więcej pomiędzy 400 a 700nm, co pokazuje dlaczego żarówki są słabo wydajnymi źródłami światła - świecą głównie w podczerwieni). Natomiast źródła światła deklarowane jako "światło dzienne", w tym większość świetlówek do fotografii i lamp błyskowych, ma deklarowaną temperaturę barwową w okolicach 6000K. A dlaczego taką?

A jakie jest podstawowe źródło światła dla żywych stworzeń na ziemi? Słońce. A jaką temperaturę ma powierzchnia Słońca? Otóż właśnie ok. 6000K. Słońce świeci zatem najsilniej w ok. 480nm, czyli na niebiesko. I nic dziwnego, że, konstruując źródła sztucznego światła, próbujemy naśladować właśnie Słońce.

Swoją drogą dość zabawne jest to, że intuicja przeciętnego człowieka mówi, że czerwone to gorące, a niebieskie zimne. A okazuje się, że jest dokładnie odwrotnie ;)

Z punktu widzenia aparatu fotograficznego ważne jest to, że ustawianie balansu bieli wg temperatury barwowej światła od razu zakłada, że jego źródło świeci widmem idealnym. Wtedy wystarczy podać tylko jedną liczbę, na podstawie której ustawione zostaną wzajemne czułości wszystkich trzech rodzajów detektorów na matrycy.

Nie wszystko świeci jak Słońce
Problem polega na tym, że nie wszystkie źródła światła świecą, jak coś czarnego rozgrzanego do wysokiej temperatury. Przykładem skrajnym są uliczne światła oparte na lampach sodowych, które świecą prawie wyłącznie na pomarańczowo, w okolicach 589nm. Jeżeli ustawimy balans bieli na temperaturę barwową odpowiadającą maksimum w tej długości fali (czyli na ok. 4900K), to aparat pomyśli, że źródło światła daje najwięcej pomarańczowego, ale też całkiem sporo niebieskiego, czy zielonego. Tymczasem lampa sodowa niebieskiego, ani zielonego nie wysyła praktycznie w ogóle. A więc mówienie o temperaturze barwowej w przypadku takiego światła nie ma sensu. Zresztą próby ustawiania balansu bieli tak, aby światło lampy sodowej wyglądało jak białe właściwie też nie.

Przykładem światła "nie bardzo białego", ale takiego, które da się zwalczyć, jest światło świetlówek. Bez względu na to, co głoszą reklamy, oczy niespecjalnie kochają świetlówki. Co więcej, nie przepadają również za białymi diodami świecącymi (ew. LEDami. Nie mówić o "diodach LED", bo to tak, jakby powiedzieć "diody typu diody świecące"). Mechanizm świecenia świetlówek jest taki: świetlówka świeci w ultrafiolecie, po czym ten ultrafiolet jest przy pomocy luminoforu zamieniany na światło widzialne. Biała dioda świecąca też jest diodą UV pokrytą luminoforem, często nawet bardzo podobnym. Kiedyś dostępne luminofory świeciły głównie na żółto i niebiesko. Bez zieleni i bez czerwonego. Teraz jest już dużo lepiej, ale nawet przy zastosowaniu w miarę nowoczesnego luminoforu widmo świetlówki (takiej mającej dawać chłodno-białe światło) wygląda mniej więcej tak:


Czy komuś to przypomina gładziutkie widmo termiczne z rysunku wyżej?

Problem fotografa polega na tym, że ludzki mózg w ustawianiu balansu bieli jest dużo lepszy od aparatów cyfrowych. Na przykład, gdy piszę ten tekst patrzę na ekran komputera świecący powiedzmy a'la światło dzienne, który stoi na biurku oświetlonym żarówką. Dla moich oczu wszystko wygląda naturalnie. No, to polecam wszystkim chętnym rozrywkę: zrobić zdjęcie czegoś takiego i próbować ustawić balans bieli tak (jeden, dla całego zdjęcia), żeby ani ekran komputera nie wyglądał dziwnie niebiesko, ani biurko dziwnie pomarańczowo. NIE da się i kropka.

Piszę o tym dlatego, że chcę pokazać, że światło, które jest wystarczająco dobrze "białe" dla oczu niekoniecznie jest dobre dla aparatu. W szczególności coraz bardziej popularne świetlówki kompaktowe do oświetlania mieszkań wszystkie mają zadeklarowaną "temperaturę barwową". Jakkolwiek ich producenci twierdzą, że one są dobre i dają pięęęęęękne, ciepło-białe światło ( jak... żarówki, trochę jak z margaryną, która smakuje, jak masło), to z punktu widzenia aparatu one w ogóle nie powinny mieć podanej temperatury barwowej, bo nie świecą odpowiednim widmem. Dużo lepsze są pod tym względem specjalne świetlówki fotograficzne, choć kosztują zupełnie inaczej, a i tak nie są idealne.

Robić w RAWie
Jedną z zalet robienia zdjęć w RAWach jest to, że można sobie poradzić z takimi problemami. Jeżeli wywołujemy RAW, to odpowiednim suwakiem ustawiamy temperaturę barwową, a tak naprawdę - balans pomiędzy czerwonym, a niebieskim (przy założeniu, że zielonego jest tyle ile w promieniowaniu termicznym). Ale mamy jeszcze drugi suwak, którym ustawiamy OSOBNO balans pomiędzy kolorem zielonym, a dwoma pozostałymi, żeby skompensować fakt, że światło nie świeci promieniowaniem termicznym. To nam pomaga w większości sytuacji, w których wszystkie źródła światła (oświetlające to, co mamy na zdjęciu) są takie same. Co niestety nie zawsze jest prawdą.
Komentarze
Polecane artykuły
Życie fotograficzne i uczuciowe - historia Tadeusza Rolke
20 Maj 2019
Świadek minionego stulecia - powstaniec warszawski, przymusowy robotnik, stalinowski więzień i... bon vivant. Od kilkudziesięciu lat nie rozstaje się z aparatem, inspirując kolejne pokolenia artystów. Właśnie kończy 90 lat. Życie i twórczość kultowego fotografa przybliża autorka wywiadu rzeki z Tadeuszem Rolke, Małgorzata Purzyńska.
0
Nie żyje Bogdan Konopka - wybitny przedstawicieli nurtu „fotografii elementarnej“, autor pierwszej Kolekcji Wrzesińskiej
20 Maj 2019
W wieku 66 lat zmarł Bogdan Konopka - jeden z najważniejszych przedstawicieli nurtu „fotografii elementarnej“, odznaczony brązowym medalem „Zasłużony Kulturze Gloria Artis”.
0
Young Poland 2019 - oto najlepsze zdjęcia młodych polskich fotografów z konkursu Grand Press Photo
17 Maj 2019
Young Poland to specjalna sekcja konkursu GPP, kierowana do twórców, którzy nie ukończyli jeszcze 26 roku życia. Zobaczcie, jakie zdjęcie podbiły w tym roku serca jurorów.
2
Poznaliśmy laureatów Grand Press Photo 2019. Zobacz najlepsze polskie zdjęcia prasowe minionego roku
16 Maj 2019
Tegoroczna edycja najważniejszego polskiego konkursu fotografii prasowej Grand Press Photo dobiegła końca. Oto najlepsze zdjęcia polskich fotoreporterów.
8