Газоразрядные трубки (люминесцентные лампы) используются повсеместно. Раньше мы только работали и учились при таком свете, а сегодня государство позиционирует энергосберегающие лампы как стандарт и для домашнего освещения.

Это прискорбно, потому что многие такие лампы не только пульсируют с частотой полупериода переменного тока (в силу малой инерционности свечения), но и обладают прерывистым спектром, что в совокупности утомляет зрение и не обеспечивает корректной цветопередачи.

Сегодня многие фирмы предлагают фотографам комплекты для предметной съемки на основе энергосберегающих ламп. И можно со 100%-й уверенностью сказать, что используемые там лампы не являются полноспектральными высококачественными источниками света с колориметрической точки зрения.

Почему это важно и зачем вообще я завел речь о спектре?

Многие считают, что если свет источника визуально белый, а серая карта после тыканья пипеткой становится нейтрально серой, то мы имеем точную цветопередачу. Но это заблуждение.

Давайте оттолкнемся от нашего главного, эталонного светила.

В природе существует лишь один естественный источник света, достаточно яркий и неизменный во времени в рамках существования человека как вида, чтобы можно было считать его эталонным — это Солнце.

Вот спектр солнечного света (здесь и далее спектры схематичны):


Смесь раскаленных элементов и ионизированных газов, из которых состоит Солнце и его корона, своим свечением заполняет видимый спектр и даже выходит за его пределы в ультрафиолетовом участке.

С точки зрения колориметрии и цветовосприятия это означает, что предметы любых цветов, лежащих в пределах этого спектра, и освещенные солнечным светом, будут восприниматься как одинаково интенсивные (естественно, в отрыве от особенностей психологии восприятия цвета, которая изначально наделяет одни цвета более темным «характером», а другие — более светлым). Теоретически это обеспечивает спектральную линейность в системе «Солнце — предмет – глаз (камера)».

Это во многом объясняет то, что большинство фотокамер обеспечивает наилучшую цветопередачу при солнечном освещении (и не забываем, что на матрице еще байеровская мозаика фильтров со своими кривыми характеристиками).

Близка к солнечному свету фотовспышка. В их колбах обычно используется газ ксенон, имеющий вот такой спектр:

Спектр линейчатый, но линии достаточно часты и равномерны, чтобы считать его условно непрерывным. Избыток холодной синей части спектра частично отсекается специальным покрытием желтоватого цвета, нанесенным на колбу вспышки. Кстати сказать, качество вспышки можно легко определить именно по качеству этого покрытия и по точности цветовой температуры.

В результате получается почти непрерывный спектр, очень близкий к солнечному. Поэтому вспышку можно также приближенно считать колориметрически корректным источником света.

Лампы накаливания считаются практически стопроцентными по показателю CRI (Color Rendition Index). Вот спектр лампы накаливания:

Он также непрерывен, но в нем преобладает желто-красное излучение и не хватает синего. Цветовая адаптация зрительного аппарата человека позволяет это частично компенсировать, хотя цвета от фиолетовых до зеленых будут восприниматься темнее и теплее, чем они есть в действительности. В фотографии низкая цветовая температура легко компенсируется при обработке пропорциональным сдвигом всех цветов в холодную часть спектра.

Можно использовать и конверсионные светофильтры. Важно, что при этом все равно диапазон воспроизводимых цветов остается непрерывным, как и при солнечном освещении.

Итак, мы рассмотрели три источника, каждый из которых дает условно непрерывный спектр и потому сохраняет отношения, пропорции цветов в целом(хотя они все вместе могут сдвигаться в теплую или холодную сторону). Для таких источников света цветовая температура полностью или почти полностью характеризует оттенок и то, какое влияние они будут оказывать на цветопередачу при просмотре или при фотосъемке.

Соответственно, такой спектральный сдвиг легко компенсируется настройкой баланса белого (а именно — цветовой температуры). Разумеется, это может сделать более заметными фотонные шумы, но данный вопрос лежит уже в совершенно иной области, и сегодня мы об этом не будем говорить.

А теперь давайте посмотрим, к какому свету нас хотят приучить экологи и государство (а также изготовители дешевых наборов постоянного света для фото и видео).

Итак, барабанна дробь! Дешевая энергосберегающая люминесцентная лампа:


Странная картина, не правда ли?

Излучаемый свет кажется белым, потому что действительно при сложении цветных полос в спектре получится белый. Но представьте себе, что мы освещаем таким светом фотографируемую сцену — получится, что многие цвета в ней вообще не будут освещены, банально «выпадут». Между прочим, именно этим обусловлено то, что под люминесцентными лампами так заметны дефекты кожи на портретах — просто как бы теряются промежуточные участки градиентов, яркие линии спектра «высвечивают» узкие области оттенков, а провалы затемняют такие же узкие области.

Возьмем энергосберегайку подороже:


В целом ситуация лучше, но все равно спектр имеет почти глухие провалы, где цвет будет искажен, а переходы потеряют пластичность.

Причем эти провалы невозможно исправить настройкой баланса белого, здесь даже профилирование толком не поможет.

Понятно, что для качественной съемки такие источники света использовать нельзя. И что-то мне подсказывает, что и для глаз они как минимум некомфортны.

Впрочем, есть очень качественные и очень дорогие люминесцентные лампы, которые имеют ровный спектр и высокий показатель CRI и используются например как эталонное освещение в полиграфии. Качественные лампы ставят и в качестве подсветки в дорогих мониторах. Но это скорее исключение, чем правило.

Еще одним серьезным недостатком люминесцентных ламп является то, что они имеют низкую инерционность свечения и при этом питаются переменным током, а значит в большей или меньшей степени «моргают» с частотой полупериода осветительной сети. Во-первых, это вредно для глаз. Во-вторых, это создает два неприятных эффекта. Первый из них — строб при видеосъемке, когда частота развертки матрицы приближается к частоте сети, и на изображении появляются бегущие полосы или мерцание. Второе явление — это «прыгающий» баланс белого между соседними кадрами, обусловленный тем, что выдержка может быть короче, чем период пульсации и захватывать момент угасания свечения, при котором цветовая температура сильно отличается от исходной.

Недавно в широкой продаже появился и еще один очень перспективный вариант — светодиодные лампы:


Спектр у них почти сплошной, хотя есть небольшой провал, но в целом вполне адекватно.

Многое зависит от производителя, но в целом этот вид источников света представляется очень перспективным, особенно учитывая малую потребляемую мощность и, как следствие, возможность экономичного питания от батарей на выезде.

Серьезным преимуществом светодиодных ламп является то, что, в отличие от люминесцентных, они работают от постоянного тока в силу своего принципа действия и потому не пульсируют полупериодом переменного тока, а значит свет их постоянен и подходит для видеосъемки без эффекта строба, а также нет проблемы с различным балансом белого от кадра к кадру, как у люминесцентных ламп.

Дополнительно

Ответы, на возможно возникшие вопросы:

1. Понятия «цвет», «свет», «спектр», «цвет света» и «спектр цвета»

2. О приборах KinoFlo и источниках эталонного освещения для полиграфических нужд

3. Лампа накаливания VS люминесцентные панели в кинопроизводстве

4. Опять про Солнце

5. О мерцании малогабаритных и «длинных» ламп

6. О том, почему возникает разбаланс экспозиции и ББ в серии кадров или даже в рамках одного кадра при съемке с люминесцентными лампами

7. Провалы в спектре — это действительно плохо

8. О белых светодиодах, люминесцентных лампах и метамеризме

9. О трех цветах, матрице и глазе

1. Понятия «цвет», «свет», «спектр», «цвет света» и «спектр света» — разные, хотя и связаны между собой. Если есть сомнения в своей подкованности по части терминологии, то перед прочтением статьи (и в целом для общего развития) имеет смысл почитать об этих понятиях в википедии. В данном случае она неплохой и проверенный источник. Спорить не надо, надо либо знать, либо внимать 🙂

2. Да, имеются приборы наподобие KinoFlo, а также стандартизованные источники эталонного освещения для полиграфических нужд. Они действительно имеют хороший спектр, близкий к непрерывному, стабильную цветовую температуру и визуально не мерцают. Но их стоимость очень велика, а в рамках статьи я говорю о недорогих источниках, которыми оборудуют дешевые комплекты постоянного света для предметки и т.п.

3. Да, лампа накаливания (особенно галогеновая) действительно является источником с непрерывным спектром, который сохраняет СООТНОШЕНИЯ цветов без провалов, хотя и имеет низкую цветовую температуру, что при правильном подходе с фильтрами не является проблемой.

Цветное кино уже почти сто лет снимают с лампами накаливания и добиваются прекрасных результатов. Люминесцентки компактнее, не греются и в целом дешевле в производстве и обслуживании. Поэтому сегодня их часто используют в проектах с небольшими бюджетами, но это не говорит о том, что результат лучше.

4. Солнце приводится как практический эталон с точки зрения непрерывности спектра. Однако в зависимости от облачности и толщины среза атмосферы, через которую солнечный свет проходит, его цветовая температура может меняться в широких пределах. Спектр при этом сохраняет непрерывность, соотношения цветов остаются неизменными и в фотографии поддаются коррекции фильтрами и программно.

5. Да, малогабаритные энергосберегающие лампы оснащены электронным стартером, который, в отличие от электромагнитного, работает на значительно более высоких частотах (от 20 кГЦ и выше), что с запасом покрывает инерционность свечения и делает свет практически постоянным. Однако «длинные» люминесцентные лампы все еще оснащаются электромагнитным балластом и продолжают мерцать как ни в чем не бывало.

6. О том, почему возникает разбаланс экспозиции и ББ в серии кадров или даже в рамках одного кадра при съемке с люминесцентными лампами.

Здесь два варианта — механический и электронный.

Затвор движется по кадру допустим слева направо, при этом левая часть экспонируется, когда лампа еще горит ярко, а к правой конечной фазе движения шторки лампа уже успевает угаснуть. Это имеет место, когда выдержка короче полупериода мерцания. Также срабатывание затвора на короткой выдержке может попадать как в пик, так и в провал свечения, что дает разницу между соседними кадрами в серии.

Также период загорания-угасания лампы может совпадать по времени с протяженностью прогрессивного считывания матрицы сверху вниз, таким образом, что по мере движения считываемой полосы пикселей лампа угасает и меняет цвет.

На втором принципе возникает и явление строба или полос при видеосъемке.

На более длинных выдержках в отрезок времени экспонирования укладывается один или несколько полных циклов мерцания лампы, поэтому явление не наблюдается.

7. Провалы в спектре — это действительно плохо. Они не только искажают восприятие отдельных цветов, но и портят пластику, тональные переходы.

Но можете себе представить например портрет, где на лице от светов до теней цвета по оттенку меняются от красных и до желтых, и в этом диапазоне напрочь выпадают какие-то участки. Пример еще проще — посмотрите на себя в зеркало под дешевой люминесцентной лампой — и увидите, насколько сильно вылезают всякие красные пятна, сосудистая сетка, синяки под глазами и дефекты кожи. И сравните с тем, как это выглядит на солнце или под лампой накаливания. Виной тому именно разбаланс оттенков по освещенности.

8. О белых светодиодах, люминесцентных лампах и метамеризме.

Есть два способа получения визуально белого света на светодиодах: два, три или четыре светящие «головки» в одном корпусе (например RGB), либо УФ головка с покрытием люминофором. В люминесцентных лампах также используется аналогичный люминофор. В первом случае у нас три области, между ними провалы, во втором и третьем случае у нас спектр, который тоже может иметь провалы. В силу метамеризма (читать вики) в определенных условиях определенные цвета под светодиодами двух типов и под люминесцентными лампами могут восприниматься одинаково. Однако другие цвета и в других условиях могут под тремя типами источников выглядеть совершенно по-разному. Если цвет попадает в провал спектра одного источника и в пик другого, то в первом случае он будет восприниматься интенсивным, а во втором случае — тусклым и темным.

Поэтому освещение тем лучше по цветопередаче, чем полнее и равномернее его спектр.

9. На матрице камеры и в человеческом глазу датчики разные. В камере имеются трихроматические фильтры, каждый из которых обладает полосой пропускания определенной ненулевой ширины. За счет частичного взаимного накладывания полос пропускания фильтров байера формируется относительно непрерывная спектральная чувствительность матрицы в заданном диапазоне.

Глаз имеет иной механизм восприятия цвета. На сетчатке имеются рецепторы трех типов: воспринимающие яркостную составляющую и два типа цветоразностных рецепторов, которые в совокупности определяют скажем бирюзовый цвет как «сильно яркий, скорее синий, чем желтый и скорее зеленый, чем красный».

Поэтому два утверждения о том, что «матрица читает всего три цвета» и что «глаз работает как матрица» — в корне неверны.