色温度

私たちの心理的な感覚によると、色は暖かくて暑く、寒くてとても寒いです。 実際、すべての色は熱く、非常に高温です。各色には独自の温度があり、非常に高いためです。

熱を発する

私たちを取り巻く世界のあらゆる物体は、絶対零度以上の温度を持っています。つまり、熱放射を発します。 負の温度を持つ氷でさえ、熱放射の源です。 信じがたいですが、そうです。 自然界では、-89°Cの温度は最低ではありませんが、これまでのところ、実験室条件ではさらに低い温度を達成することができます。 現在、宇宙で理論的に可能な最低温度は絶対零度の温度で、-273.15°Cです。 この温度では、物質の分子の動きが停止し、身体は放射（熱、紫外線、さらにはそれ以上）の放射を完全に停止します。 完全な暗闇、生命も熱もありません。 おそらく、色温度はケルビンで測定されることをご存じでしょう。 自宅で省エネ電球を購入した人は、パッケージに2700Kまたは3500Kまたは4500Kの碑文がありました。 これは正確には、電球から放射される光の色温度です。 しかし、なぜそれはケルビンで測定され、ケルビンはどういう意味ですか？ この測定単位は1848年に提案されました。 ウィリアムトムソン（別名ケルビン）であり、国際単位系によって公式に承認されています。 物理学に直接関係する物理学および科学では、熱力学的温度はケルビンだけで測定されます。 温度スケールレポートの開始は、 0ケルビンから始まり、これは摂氏-273.15度を意味します。 つまり、 0K-これは温度の絶対ゼロです 。 温度を摂氏からケルビンに簡単に移すことができます。 これを行うには、単純に273を追加します。たとえば、0°Cは273 K、1°Cは274 Kであり、類推により、人の体温36.6°Cは36.6 + 273.15 = 309.75Kです。 それがすべての結果です。

黒より黒

どこから始まりますか？ それはすべて、光放射を含む最初から始まります。 黒はまったく光がありません。 色の観点から、黒は放射強度が0、彩度が0、色調が0（単に存在しない）であり、これは一般にすべての色が完全に存在しないことです。 オブジェクトが黒く見えるのはなぜですか？ただし、オブジェクトに入射するすべての光をほぼ完全に吸収するためです。 完全に黒体のようなものがあります。 絶対黒体は、それに入射するすべての放射線を吸収し、何も反射しない理想的な物体です。 もちろん、実際にはこれは達成不可能であり、自然界には絶対に黒い体は存在しません。 私たちにとって黒く見えるオブジェクトでさえ、実際には完全に黒ではありません。 ただし、ほぼ完全に黒体のモデルを作成できます。 モデルは内部に中空構造を持つ立方体で、立方体に小さな穴が開けられており、光線が立方体に侵入します。 デザインはバードハウスに似ています。 図1をご覧ください。


図1-完全に黒体のモデル。

多重反射後に穴から入る光は完全に吸収され、外側の穴は完全に黒く見えます。 キューブを黒くペイントしても、穴は黒いキューブよりも黒くなります。 この穴は完全に黒い体になります。 言葉の文字通りの意味では、穴は体ではなく、完全に黒い体を明確に示しています。
すべてのオブジェクトには熱放射があります（これまでのところ、温度は絶対ゼロ、つまり-273.15℃を超えています）が、単一のオブジェクトが理想的な熱放射器ではありません。 いくつかのオブジェクトは熱をより良く放出し、他のオブジェクトはより悪く、そしてすべてこれはさまざまな環境条件に依存します。 したがって、完全に黒体のモデルを適用します。 完全に黒いボディは理想的な放熱器です。 絶対に黒体を加熱すると、完全に黒体の色を見ることができます。また、表示される色は、絶対黒体を加熱する温度によって異なります。 色温度の概念に近づきました。 図2をご覧ください。


図2-加熱温度に応じた完全に黒い物体の色。

a）完全に黒い体があり、まったく見えません。 温度0ケルビン（摂氏-273.15度）-絶対ゼロ、放射の完全な欠如。
b）「ヘビーデューティーフレーム」をオンにして、完全に黒い体を加熱し始めます。 加熱による体温は273Kに上昇しました。
c）もう少し時間が経過し、すでに完全に黒い体のかすかな赤い輝きが見えます。 温度は800K（527°C）に上昇しました。
d）温度は1300K（1027°C）に上昇し、体は明るい赤色を獲得しました。 一部の金属を加熱すると、同じグロー色を見ることができます。
d）体は2000K（1727°C）まで暖まりました。これは、グローのオレンジ色に対応します。 火の中の熱い石炭は同じ色で、いくつかの金属は加熱するとロウソクの炎になります。
e）温度はすでに2500K（2227°C）です。 この温度の輝きは黄色になります。 そのような体に触れることは非常に危険です！
g）白色-5500K（5227°C）、正午の太陽の輝きと同じ色。
h）グローの青色は9000K（8727°C）です。 現実には、炎で加熱してこのような温度を得るのは不可能です。 しかし、このような温度のしきい値は熱核反応炉、原子爆発でかなり達成可能であり、宇宙の星の温度は数万から数十万ケルビンに達することがあります。 たとえば、LEDライト、天体、またはその他の光源で、同じ青い光の陰影しか見ることができません。 晴天時の空の色はほぼ同じ色ですが、上記のすべてを要約すると、色温度を明確に定義できます。 色温度とは、問題の放射線と同じ色調の放射線を放出する完全に黒い物体の温度です。 簡単に言えば、5000Kの温度は、5000Kに加熱されたときに完全に黒い物体が取得する色です。 オレンジ色の色温度は2000Kです。これは、オレンジ色の輝きを得るために、完全に黒い物体を2000Kの温度に加熱する必要があることを意味します。
しかし、赤熱体の輝きの色は、常にその温度に対応するとは限りません。 キッチンのガスストーブの炎が青青色である場合、これは炎の温度が9000K（8727°C）を超えていることを意味しません。 液体状態の溶鉄は、温度に対応するオレンジ黄色の色相を持ち、これは約2000K（1727°C）です。

色とその温度

実際にどのように見えるかを想像するために、図3のキセノン自動車用ランプと図4の蛍光灯のいくつかの光源の色温度を考慮してください。


図3-キセノン自動車用ランプの色温度。



図4-蛍光灯の色温度。

ウィキペディアで、一般的な光源の色温度の数値を見つけました。
800 K-白熱体の目に見える暗赤色の輝きの始まり。
1500-2000 K-ろうそくの炎の光;
2200 K-白熱灯40 W;
2800 K-100 W白熱灯（真空ランプ）;
3000 K-200 W白熱灯、ハロゲンランプ;
3200〜3250 K-典型的な撮影ランプ。
3400 K-地平線の太陽;
4200 K-蛍光灯（暖白色光）;
4300–4500 K —朝の太陽と昼食時の昼食。
4500-5000 K-キセノンアークランプ、電気アーク;
5000 K-正午の太陽;
5500〜5600 K-フラッシュ。
5600-7000 K-蛍光灯;
6200 K-日光に近い;
6500 K-昼間の白色光の標準的な光源、昼間の日光に近い; 6500-7500 K-曇り;
7500 K-晴天、澄んだ青い空からの散乱の大部分。
7500〜8500 K-トワイライト。
9500 K-日の出前の北側の青い雲一つない空。
10000 K-リーフ水族館で使用される「無限温度」の光源（アクチニウムの青の色合い）。
15,000 K-冬の澄んだ青い空。
20,000 K-極緯度の青い空。
色温度は光源の特性です 。 私たちが見るどんな色にも色温度があり、それが何色であるかは関係ありません：赤、ラズベリー、黄色、紫、紫、緑、白。
絶対黒体の熱放射を研究する分野の作品は、量子物理学の創始者であるマックスプランクに属します。 1931年、国際照明委員会（CIE、しばしばCIEとして書かれている）のVIIIセッションで、XYZカラーモデルが提案されました。 このモデルはカラーチャートです。 XYZモデルを図5に示します。

図5-XYZカラーチャート。

XとYの数値は、チャート上の色座標を決定します。 Z座標は色の明るさを決定します。ダイアグラムは2次元形式で表示されるため、この場合は関係ありません。 しかし、この図で最も興味深いのは、図の色の色温度を特徴付けるプランク曲線です。 図6を詳しく見てみましょう。



図6-プランク曲線

この図のプランク曲線はわずかにトリミングされ、「わずかに」逆さまになっていますが、これは無視できます。 色の色温度を調べるには、関心のあるポイント（色セクション）に垂直な線を続ける必要があります。 垂直線は、 変位などの特性を表します -緑またはマゼンタへの色偏差の程度。 RAWコンバーターで作業した人は、Tint（Tint）などのパラメーターを知っています-これがオフセットです。 図7は、Nikon Capture NXやAdobe CameraRAWなどのRAWコンバーターの色温度調整パネルを示しています。


図7-さまざまなコンバーターの色温度を調整するためのパネル。

色温度が単一の色だけでなく、全体としてどのように決定されるかを見てみましょう。 たとえば、晴れた日の午後の田園風景を考えてみましょう。 写真の実務経験がある人は、晴れた正午の色温度が約5500Kであることを知っています。 しかし、この数字がどこから来たのか知っている人はほとんどいません。 5500Kは、 シーン全体の色温度、つまり問題の画像全体（画像、周囲の空間、表面積）です。 当然、画像は個々の色で構成され、各色には独自の色温度があります。 何が起こるか：青空（12000K）、日陰の木々の葉（6000K）、牧草地の草（2000K）、さまざまな種類の植生（3200K-4200K）。 その結果、画像全体の色温度は、これらすべての領域の平均値、つまり5500Kに等しくなります。 図8はこれを示しています。


図8-晴れた日に撮影されたシーンの色温度の計算。

次の例を図9に示します。


図9-日没時に撮影されたシーンの色温度の計算。

写真は赤い花のつぼみを示しています。これは小麦の割りから育つようです。 写真は、太陽が日没になった22:30の夏に撮影されました。 この画像は多数の黄色とオレンジ色の色調に支配されていますが、背景には約8500Kの色温度の青みがありますが、5500Kの温度のほぼ純粋な白色もあります。 この画像では最も基本的な5色のみを取り、それらをカラーチャートと比較して、シーン全体の平均色温度を計算しました。 もちろんこれはおおよそのことですが、真実に対応しています。 この画像には272816色があり、各色には独自の色温度があります。すべての色の平均を手動で計算すると、数か月で計算よりもさらに正確な値を得ることができます。 また、計算用のプログラムを作成して、より迅速に回答を得ることができます。 先に進んでください：図10。


図10-他の光源の色温度の計算

ショープログラムのプレゼンターは、色温度の計算に負担をかけないことを決定し、照明の2つのソースのみを作成しました。白緑の明るい光を発するスポットライトと赤の光で輝くスポットライトで、全体が煙で薄められました。前面に。 煙は透明であるため、スポットライトの赤色光を簡単に通過し、それ自体が赤色に変わります。図によると、赤色の温度は900Kです。 2番目のサーチライトの温度は5700Kです。 それらの間の平均は3300Kです。画像の残りの部分は無視できます-それらはほとんど黒であり、白熱体の可視放射は約800K（赤）で始まるため、この色は図のPlanck曲線にさえ該当しません。 純粋に理論的には、暗い色の温度を想定して計算することもできますが、同じ5700Kと比較してその値は無視できます。
そして図11の最後の画像。


図11-夕方に撮影されたシーンの色温度の計算。

写真は日没後の夏の夜に撮影されました。 空の色温度は、図の青い色調の領域にあり、プランク曲線によれば、約17000Kの温度に対応しています。 緑の沿岸植生の色温度は約5000Kで、藻のある砂の色温度は約3200Kです。 これらすべての温度の平均値は約8400Kです。

ホワイトバランス

ビデオや写真に関わる愛好家や専門家は、ホワイトバランスの設定に特に精通しています。 それぞれのメニューでは、最も単純な石鹸皿カメラでも、このパラメーターを構成することができます。 ホワイトバランス設定のアイコンは、図12に示すように表示されます。


図12-カメラ（ビデオカメラ）のホワイトバランスを調整するモード。

色温度が5500Kの光源 （これは日光、フラッシュ、その他の人工照明）を使用し、 対象のオブジェクト自体が 白色 （可視光のすべての放射を反射する）の場合、 オブジェクトの白色が得られることをすぐに言う必要があります。 それ以外の場合、白は白に近い場合があります。 図13を見てください。これは、最近調査したXYZカラーチャートと同じものを示しており、チャートの中央に白い点が十字でマークされています。



図13-ホワイトポイント。

マークされたポイントの色温度は5500Kで、真の白色として-スペクトルのすべての色の合計です。 その座標はx = 0.33およびy = 0.33です。 この点は、等エネルギー点と呼ばれます。 ポイントは白です。 当然、光源の色温度が2700Kの場合、ここと次に白色点はありません。どのような白色を話せますか？ 白い花は決してありません！ この場合の白はまぶしさだけです。 そのような場合の例を図14に示します。


図14-異なる色温度。

ホワイトバランスは、画像全体の色温度の設定です。 正しくインストールされていれば、表示される画像と一致する色が得られます。 結果の画像が不自然な青とシアンの色調に支配されている場合、色は「十分に暖かくない」ため、シーンの色温度が低く設定されているため、上げる必要があります。 画像全体に赤い色調が広がっている場合-色が「過熱」し、温度が高く設定されているため、下げる必要があります。 この例は図15です。


図15-色温度の正しい設定と誤った設定の例

シーン全体の色温度は、特定の画像のすべての色の 平均温度として計算されるため、混合光源または色が大幅に異なる色の場合、カメラは平均温度を計算しますが、これは常に正しいとは限りません。
そのような誤った計算の一例を図16に示します。


図16-色温度の設定における避けられない不正確さ

カメラは、人間の視覚と同じように、個々の画像要素の明るさや色温度を大幅に区別することはできません。 したがって、画像を撮影中に見たものとほぼ同じにするには、視覚に応じて手動で調整する必要があります。

この記事は、色温度の概念にまだ精通しておらず、さらに詳しく知りたい人を対象としています。 この記事には、複雑な数式や一部の物理用語の正確な定義は含まれていません。 あなたがコメントに書いたあなたのコメントのおかげで、私は記事のいくつかのパラグラフを少し修正しました。 不正確な点についておforび申し上げます。