Что общего у истинного цвета Солнца, видеокамер, человеческого зрения и технологии «хромакей»
Вне киноэкрана люди не левитируют, не обладают суперсилой и микроскопическим зрением. Но кое-что очень маленькое мы все-таки можем видеть каждый день в реальной жизни. С этой удивительной способностью тесно связана технология для создания спецэффектов, а возможно, и температура поверхности нашего Солнца.
Ни один человек на планете не может без увеличительного прибора рассмотреть чешуйки на своих волосах. Все, что меньше десятой доли миллиметра: микробы, молекулы, атомы — существует за пределами нашего зрения. Но есть одно исключение: эволюция наградила людей способностью различать тончайшие оттенки цветов, которые отличаются друг от друга размерами, как у самой маленькой бактерии в мире, не видимой даже в оптический микроскоп! «Измерить» цвет можно, разобравшись в его природе.
Что такое цвет
Во время эпидемии чумы в Европе в XVII веке по крайней мере один ее житель был удовлетворен и спокоен. Ученый, одержимый тайнами мироздания, сбежал от болезни в маленькую родную деревушку, где ничего не мешало ему погружаться в науку.
Будучи студентом Исаак Ньютон завешивал окна в небольшой комнате плотной тканью и оставлял отверстие для тонкого луча света. Белый луч падал на стеклянную призму и превращался в растяжку цвета на стене: красный — желто-зеленый — сине-фиолетовый. Подобный опыт ставили за много веков до Ньютона, но почему-то никто не решался собрать цвета обратно в один пучок. Английский физик сделал это с помощью линзы, получил белый цвет и убедился: свет состоит из всех цветов радуги.
Изображение iStock
Оставим Ньютона в его уютной комнате-лаборатории и перенесемся в наше время, прямо… к бару. Что будет, если не пустить в его стены всех посетителей в желтой и красной одежде, попросить их 15 минут постоять у входа и в это время издалека посмотреть на здание? Оно напомнит гигантский оранжевый мандарин. Примерно по такому же принципу мы видим цветным все, что нас окружает.
На поверхности непрозрачных веществ разноцветные лучики, составляющие белый свет Солнца, домашней лампочки или уличного фонаря, ведут себя по-разному. Предметы, жидкости, растения и животные вокруг нас, как строгий фейс-контроль на входе в заведение, могут не пускать внутрь себя свет определенных цветов. Цветовую сумму отправленных прочь от предмета оттенков мы и воспринимаем как его цвет.
Как цвет связан с электромагнетизмом
Цвет — часть светового луча, сам же свет — это электромагнитные колебания (волны). Одна из главных характеристик волны, представим ее для удобства синусоидальной, — расстояние между ее соседними точками, колеблющимися в одной фазе. Например, длину волны можно определить как промежуток между двумя максимумами волны.
Длины волны всех цветов составляют сотни нанометров (миллиардных долей метра), у близких оттенков они отличаются всего на 1—6 нанометров. Если спросить женщину, сколько оттенков красного она знает, для подсчета может не хватить пальцев на обеих руках. Но знать и распознавать — не одно и то же. Больше всего оттенков и женщины, и мужчины различают у зеленого цвета: в 3—6 раз больше, чем у красного или синего.
Почему нам так нравится зеленый
В 2017 году эксперты из Великобритании попросили 30 тысяч человек из 100 стран выбрать самый эстетически приятный для них цвет. Большинство участников остановились на оттенке Marrs Green — цвете морской волны и похожих на него тонах.
Есть теория, объясняющая особое отношение к зеленому. Раньше люди жили в лесах. Среди листвы нужно было рассмотреть съедобные фрукты и притаившихся в зарослях хищников. Отсюда и натренированное на оттенки зеленого зрение.
Занимательно и другое совпадение, связанное с особенностями Солнца, — практически черного небесного тела. Свечение, которое мы видим, генерируется в атомах вещества внешней газовой оболочки звезды — фотосферы.
Она подогревается снизу термоядерными реакциями. Тепло делает электроны внутри атомов фотосферы более «подвижными», и ядрам становится все сложнее их удержать. Электроны вылетают из атомов, но на вакантное место тут же приходят другие. Подобные перемещения электронов и сопровождаются испусканием видимого света.
Чем больше температура звезды, тем больше энергии у электронов и других элементарных частиц. Эту энергию они могут потратить, например, в процессах генерации рентгеновского излучения, также имеющего электромагнитную природу.
Совокупность всех электромагнитных волн, рожденных звездой, называется спектром ее излучения. Это гладкая кривая с заметным максимумом, положение которого зависит только от температуры поверхности звезды. Температура поверхности Солнца — 5778 градусов по Кельвину, а максимум спектра излучения приходится на видимый свет, конкретно — на зеленый цвет. Это значит, что больше всего лучей, идущих на Землю от нашей родной звезды, — зеленые. Возможно, именно поэтому мы так хорошо различаем оттенки этого цвета.
Слабость к зеленому питают не только люди
Создатели цифровых камер учли избирательность человеческого зрения к зеленым тонам и решили добавить больше рецепторов этого цвета в свое изобретение. Но как это сделать, если преобразование отраженного от предметов света в электрический сигнал основано на физическом процессе, никак не связанном с цветом?
Этот процесс — фотоэффект: видимый свет падает на поверхность светочувствительных элементов камеры и выбивает электроны из их атомов. Элементам неважно, красный или пурпурный на них попал свет. Главное — его количество. Чем больше света — тем больше электронов вылетит из вещества светочувствительного элемента, и выше будет электрический сигнал, который можно оцифровать и превратить в уровни яркости пикселей изображения.
Красочными цифровые снимки и видео получаются благодаря цветным фильтрам, пропускающим через себя свет только определенной длины волны — цвета. Фильтры ставят на каждый светочувствительный элемент. В случае с RGB-системой смешивания оттенков нужно три вида фильтров: красный, зеленый и синий. Смешивая эти цвета, можно получить миллионы тонов. Остается только выбрать схему расположения фильтров.
Наиболее распространена модель Байера (см. рисунок): зеленые фильтры расположены в шахматном порядке, а красные и синие устанавливаются между зелеными. Цвет каждого пикселя изображения складывается из сигнала четырех чувствительных элементов. Зеленых сенсоров в каждой точке изображения в 2 раза больше, чем красных и синих, как раз из-за чувствительности человека к этому цвету.
Любовь современных камер к зеленому дает меньше шумов при съемке фона такого же цвета, а значит, его легко удалить из кадра и заменить любыми декорациями — без потерь в качестве картинки. Зеленый будто самой природой создан для технологии «хромакей» — замены одного слоя изображения на другой, — но изначально фоновое полотно было другого цвета.
Почему хромакей позеленел
Когда кино снимали на пленку, полотно за актерами фантастических фильмов было синим. В ряде случаев этот цвет используется и сейчас. Он не содержится в тоне человеческой кожи, и его можно легко удалить со всех участков картинки, не оставив проплешин — участков без цвета — на лице и теле героя. Использование синего фона накладывало ряд ограничений. Костюмеры заменяли модные и ставшие популярными по всему миру джинсы брюками и юбками других цветов, голубоглазые актеры носили цветные линзы.
Но в 1978 в Голливуд «прилетел» Супермен и заодно со спасением мира в кино решил реальные проблемы костюмеров, актеров и даже монтажеров. Трюки в легендарном фильме пришлось снимать на зеленом фоне из-за традиционного и привычного любителям комиксов лазурного облачения Супермена. Если бы экран был синим, вместе с удалением фона пришлось бы полностью «раздеть» персонажа.
Вынужденный эксперимент с фоном в «Супермене» обернулся долгожданным переворотом в индустрии, а словосочетание green screen (англ. — зеленый экран) превратилось в нарицательное. Удалять фон стало проще — зеленый сильнее контрастирует с главным цветом кожи, чем синий, и цифровые камеры к нему более чувствительны из-за копирования цветовосприятия человека. Так природа в очередной раз оказалась хитрее и изобретательнее нас даже в таком технологичном деле, как создание кино.
