Sunday, 6 October 2013

Miksi ruska värikyllästyy auringonpaisteessa?



Alkavaa ruskaa Saarantiella Vantaan Rekolassa.

Ruska alkaa olla parhaimmillaan. Ruskan ihailija tuskin on voinut olla tekemättä havaintoa, että ruskan värit kirkastuvat auringonpaisteessa ja haalistuvat taivaan mennessä pilveen? Mistä ilmiö johtuu?

Jotta ilmiön voisi ymmärtää, on täytyy ensin selvittää hieman valon käyttäytymistä, kun se osuu materiaan. Valolla on kaksi mahdollisuutta toimia. Se voi joko heijastua materian pinnasta tai sitten se voi imeytyä eli absorboitua materiaan.

Tasaisesta pinnasta suurin osa siihen osuvasta valosta heijastuu. Mitä vinommassa kulmassa valo osuu pintaan, sitä suurempi osa siitä heijastuu heijastuslain mukaisesti, eli valon tulokulma ja heijastuskulma ovat yhtä suuret. Tähän perustuu se, että peilistä voimme nähdä itsemme virheettömänä kuvajaisena, toki peilikuvana.

Korjattakoon tässä samassa yhteydessä sanontaan "kiiltävä pinta heijastaa hyvin valoa" liittyvä looginen virhe. Syy ja seuraus ovat siinä väärässä järjestyksessä. Kiilto seuraa valon heijastumisesta, ei ole sen syy. Siis mieluummin vaikka näin: "Tasaisesta pinnasta aiheutuneet heijastukset havaitaan pinnan kiiltona".

 Valkoinen valo heijastuu biljardipallon pinnasta samassa kulmassa ja saman värisenä kuin on siihen osunutkin. Kuvassa sitä esittää vasemmalta tuleva valkoisen valon säde. Osa valosta kuitenkin siroaa materaalille tyypillisenä värinä kaikkiin suuntiin. Niitä tässä esittävät pienet punaiset valonsäteet. Kiiltokulmassa eli heijastuskulmassa silmään nähden tuleva valo peittää alleen värin, kuten tässäkin on nähtävissä. Pallo on väriominaisuuksiltaan ihan samanlainen myös heijastuksen tai kiillon kohdassa.

Osa valosta siis absorboituu materiaan. Jos absorptio on täydellinen, niin esine näyttää valossakin mustalta. Tässä muuten myös sama looginen virhe arkipuheessa. Valoa hyvin "imevä" pinta näyttää mustalta eikä musta pinta imee hyvin valoa. Mustuus on silmän saama havainto ja siis seuraus valon käyttäytymisestä materiassa, ei suinkaan valon käyttäytymisen syy.

Valon absorptio on atomitason ilmiö. En mene siihen tässä sen syvemmin, riittää kun todetaan valon imeytyessään luovuttavansa energiansa materian atomeille. Kaikki valon energia ei kuitenkaan aina jää atomeihin, vaan tietyn aallonpituuden omaavat valonsäteet saattava hypätä takaisin materian atomeista. Ilmiötä kutsutaan sironnaksi. Materian väri riippuu siitä, mitkä valon aallonpituudet siroavat materian atomeista. Punaisen biljardipallon materia on sellaista, että se sirottaa punaisen väriaistimuksen antavia valon aallonpituuksia.

Heijastumisen ja sironnon keskeiset erot ovat siinä, että heijastuminen on pintailmiö, joka ei riipu materiasta ja tapahtuu heijastuslain mukaan tiettyyn suuntaan. Sironta taas on materiaan liittyvä ilmiö ja siinä vapautuva valo siroaa kaikkiin suuntiin. Tästä johtuu se, että kappaleilla ylipäänsä on havaittava muoto ja sen pystyy havaitsemaan, katseli kappaletta mistä suunnasta tahansa.

Takaisin ruskan pariin. Puiden lehdet ovat enemmän tai vähemmän tasopintoja, jossa valo käyttäytyy edellä kuvaillulla tavalla. Heijastuu ja siroaa. Kun taivas on pilvessä, niin valo tulee lehden pintaan monista suunnista ja vastaavasti heijastuu moniin suuntiin. Heijastuminen on samanlaista valoa kuin mitä valonlähteestä lähtee, joten lehdistä heijastuu auringon valkoista valoa. Se peittää alleen lehdistä siroavaa lehtien värillistä valoa ja siksi lehtien värikylläisyys on pilvisellä säällä jotenkin tuhrittua. Joka suunnasta tulevan valon heijastumista voidaan kutsua hajaheijastumiseksi. Yhtä kaikki se on lehtien ja myös muiden väripintojen haalistumisen syy.

Sen sijaan auringon paistaessa heijastus tapahtuu pääasiassa yhteen suuntaan, joka harvoin on suoraan katsojan silmään. Siroava valo, jota on ihan samalla tapaa paistoi aurinko tai ei, ei joudu nyt kilpailevaan heijastuvan valon kanssa ja on siksi paljon värikylläisempää. Tämäkin pätee kaikille väripinnoille. Suunnattu valo korostaa pinnan väriä, ellei katsoja satu olemaan juuri heijastuskulmassa.

 Sama vaahteranlehti kuvattuna pilvisen taivaan hajavalossa ja kameran päällä olevan salaman valossa. Valotus niin, että alustana ollut paperi on valkoista. Värikylläisyyden ero on selkeästi havaittavissa.

Samalla hieman yleisempääkin värioppia. RGB-väri on sitä värikylläisempi, mitä enemmän siinä on  joko yhtä RGB-pääväriä tai kahta RGB-pääväriä. Punainen (R) on yksi RGB-järjetelmän pääväri. Kuvan oikeapuolen kohdassa 4 R-arvo on 250 ja G- ja B-arvot hyvin pieni. Kohta lehdessä on oikealla kirkkaan punainen, vasemmalla selvästi haalistuneempi.

Keltainen saadaan punaisen ja vihreän yhdistelmänä. Niinpä kohtien 1 ja 2 arvot käyttäytyvät vastaavalla tavalla. Suuremmat R- ja G-arvot antavat kirkkaamman keltaisen oikealla kuin vasemmalla olevat pienemmät R- ja G-arvot.


Puhtaan punaisessa värissä R-arvo on 255, muut nollia. Saturaatio (S) on 100%.


Puhtaan keltaisessa R- ja G-avot ovat 255. Saturaatio edelleen 100%.


Saturaatio pienee ja väri haalistuu, kun puhtaaseen väriin lisätään kahta muuta väriä.


ps. Polarisaatioon liittyen otin kaksi kuvaparia, joista vasemmanpuoleinen on otettu ilman polarisaatiosuodinta ja oikeanpuoleinen sen kanssa. Vain kiiltävälehtisen kasvin pinnoissa on havaittavissa eroa. Polarisaatiosuodatinta käytettäessä lehdet näyttävät lähinnä valottomatan latteilta. Suodattimen käyttö ei minusta ainakaan paranna tätä kuvaa. Suurin ero pihapuiden kuvassa on valotuksessa. Polarisaariosuodattimen kanssa se on 2 EV-arvoa suurempi. 






Takana tilannetta tarkkailevaan kissaan polarisaatiosuotimiella ei näytä olevan vaikutusta.

ps. 4.10.2015

Tuttavani ja tiedetoimittaja kollega Juhani Mänttäri laittoi ottamansa valokuvan FB-ystävilleen. vähän modifioin sitä tavalla, josta näkee, että kuvankäsittelyn keinoin vain värikylläisyyttä lisäämällä kuvaan saa auringonpaisteen tuntua.


Kuva: Juhani Mänttäri

Kuva: Juhani Mänttäri, käsittely: Timo Suvanto

20 comments:

  1. En ymmärrä, miksi Harjun digicamera.net linkkaa tällaisille sivustoille. Ketä valokuvaajaa jaksaa kiinnostaa fysiikka?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Oikeastaan vain niitä, jotka haluavan oppia kuvaamaan.

      Delete
    2. Olin joskus tekemässä kysymyksiä Fotokaupan liiton vuoden fotomyyjäkilpailuun. Yksi kysymys koski nimenomaan värijärjestelmiä, en muista enää sen tarkemmin. Eräs kilpailija motkotti, että mitä fotomyyjä tekee tällaisella tiedolla. Vastasin siihen, että ei mitään, jos aikoo pysyä koko elämänsä fotokaupan myyjänä.

      Nyt filmien pussiin laittamiseen erikoistuneet fotoliikkeet ovat menneen ajan erikoisuuksia. Ainoastaan palvelevat fotokaupat, kuten vaikka Topshot, ovat säilyneet hengissä. Niiden henkilökunta tietää valokuvauksesta muutakin kuin sen, mihin pussiin pannaan värinegat ja mihin diat.

      Delete
    3. Niin..... Kun valokuvaamisessa on kyse heijastuvan valon rekisteröinnistä tavalla tai toisella, tuntuu aika luonnolliselta, että valokuvaaja haluaa olla auttavasti perillä valon heijastumisen tekniikasta. Eivät tietysti kaikki - kuten sanottu, vain ne, jotka haluavat kehittyä puuhassaan.

      Delete
  2. Minua ainakin. Kiitos havannoivasta artikkelista!

    ReplyDelete
  3. Sama juttu, minua ainakin kiinnostaa.
    Ja miksi täällä asiasta valitat? Valita Harjulle.

    ReplyDelete
  4. Valokuvauksessa ollaan jo siirrytty värilliseen aikaan. Siksi kiinnostaa.

    ReplyDelete
  5. Tulkitsenko oikein, että polarisaatiosuotimen läpi lehdet näyttää yhtä värikkäältä sekä auringonpaisteessa että pilvisellä säällä kun heijastukset poistuu?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Kokeileva kait tietäisi. Kuten edellä todettiin, pilvisellä säällä niitä heijastuksia on monista suunnista, ja polarisaatuiosuodin poistaisi (asennostaan riippuen) niistä vain osan. Luultavasti värit näyttävät paremmilta suodinta käyttäen, mutta ei ihan niin hyviltä kuin aurinkoisella säällä.

      Delete
  6. Tarpeellinen artikkeli, tämä auttaa ymmärtämään, miten värejä pitää säätää kuvankäsittelyohjelmassa haluttaessa juuri tiettyä vaikutelmaa. Tämä osaaminen olisi ollut erityisesti tarpeen noin 30 vuotta sitten, jolloin itse tein kotona värisuurennoksia.Teorian osaamattomuus johti välttäviin tuloksiin ja samalla harrastuksen hiipumiseen. Kiitos hyvästä ja tarpeellisesta artikkelista.

    ReplyDelete
  7. Pieni täydennys ehkä.

    Edellä todettiin, että "Tasaisesta pinnasta suurin osa siihen osuvasta valosta heijastuu". Pinnan tasaisuudella ei sinänsä ole mitään merkitystä heijastavuuden kannalta, koska heijastuminen on molekyylien ja atomien kokoluokassa tapahtuvaa. Tasainen pinta tietysti suuntaa heijastuvan (suunnatun) valon heijastuslain mukaan, mutta niin tekee epätasainenkin - niitä suuntia vaan on paljon.

    Heijastuneen valon osuus riippuu kahdesta seikasta: tulokulmasta ja väliaineiden taitekertoimien erosta. Jos taitekertoimilla ei ole eroa, ei tasaisestakaan pinnasta heijastu mitään. Esim. veteen upotettu muoviesine, jonka taitekeroin on sama kuin veden, ei erotu mitenkään.

    "Kiiltävien" aineiden (metalli kromi jne) suuri heijastavuus liittyy osin siihen, että niitten taitekerroin on suuri, ja suuri osa pintaan tulevasta valosta heijastuu (osa kyllä menee pinnan läpi ja absorpoituu niittenkin tapauksessa).

    ReplyDelete
  8. Siteeraan Teknofokuksen sivuilla olevaa artikkelia. Sivuilla on muuten runsaasti syvällisempää tietoa valokuvauksen fysiikasta sitä kaipaaville. Niille, joilla päämääränä on vain "hyvä kuva" on sitten enemmän kuin runsaasti muita sivuja.

    "Metallin taitekerroin ei ole ääretön. Pikemminkin hyvin pieni. Valoa absorboivan aineen taitekerrointa kuvataan kompleksiluvulla tyyliin:
    N = n - ik
    Tuossa n kuvaa perinteistä taitekerrointa ja imaginääriosa k on valon vaimenemista luonnehtiva termi. Esimerkiksi hopealla asia numeroarvoina:
    N = 0,075 - i3,41
    Yllä olevaa ja siitä seuraavaa hankalaa matematiikkaa tuskin yksikään vakavasti otettava valokuvaaja on hallinnut."

    Yllä olevasta voidaan vetää yksi suora ja yksi epäsuora johtopäätös

    1. Metalli on sähkön johde, esim. timantti on eriste. Timantin taitekerroin on suuri ja siksi sen heijastuvuus on suurta. Valon suuri heijastuvuus metalli pinnasta ei johdu eristeen tavoin taitekertoimen arvosta vaan valon vaimenemisesta sen tunkeutuessa metallin sisään.

    2. Tilanteen matematiikka on kieltämättä aika hankalaa. Luin juuri teorian Matti Linkoahon ja Jukka Valjakan yliopistotason oppikirjasta "Valo-oppi". Ymmärsin ainakin omasta mielestäni asiaan liittyvän matematiikan, joten siitä päätellen tuskin kuulun vakavasti otettavien valokuvaajien joukkoon. Olen siis, kuten ennenkin on väitetty, wannabe-valokuvaaja.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Jaa. Sen kompleksiluvun reaaliosa riittänee taitekertoimeksi tässä tapauksessa; kromille se on 3,3.
      Metallien taitekertoimet löytyvät mm sivulta

      http://refractiveindex.info/?group=METALS&material=Chromium

      Delete
    2. Kromi itse asiassa on aika huono heijastaja pienillä tulokulman arvoilla (kohtisuoraan pintaa vasten tulevat säteet). Ei paljoa epämetalleja parempi ja suurilla tulokulman arvoilla lähes kaikkien aineiden heijastuminen on noin 100%.

      Sen sijaan peileissä käytetty hopea heijastaa lähes 100% kaikilla tulokulman arvoilla. Mm. siksi se niin hyvä materiaali peilissä. Metalleilla on paljon eroja heijastumiskyvyn suhteen, kuten viineilläkin - tosin ei heijastumisen suhteen.

      Delete
  9. Kiitos mielenkiintoisesta artikkelista!

    ReplyDelete
  10. Jos haluat oppia tekniikkaa opiskele av-viestintää, jos haluat oppia ilmaisua opiskele kuvallista ilmaisua. Tämä ei ole kuitenkaan koko totuus, sillä pystyäkseen ilmaisemaan itseään valokuvin tarvitaan myös tekniikkaa. Media-assistentiksi valmistuu av-viestinnän perustutkinnosta. Kuvallisen ilmaisun perustutkinnosta tulee valokuvaajia, vai tuleeko?

    ReplyDelete
  11. Kuvallisen ilmaisun perustutkinto valmistaa mm. valokuvaajia. Kuinka valmiita he ovat pärjätäkseen ammatissa, on ihan eri juttu.

    Valokuvaus on yksi kilpailluimmista ammateista tällä hetkellä. Pärjätäkseen on oltava tarjottavana jotain sellaista, mitä ei muilla ole. Ei ainakaan liian monella. Siksi se ei voi olla esimerkiksi kamera, minkä omistaminen oli aivan riittävää valokuvaajan ammatin harjoittamiseen muutamia vuosikymmeniä sitten. Myöskään nuorilla ammattilaisilla paljon esiintyvällä suurella egolla on aika vähän todellista markkina-arvoa.

    Minä ryhdyin ammattikuvaajaksi 7 vuotta sitten. Minun kilpailuvalttini oli entisen ammattini, eli fysiikan opettajan ja valokuvaajan ammatin yhdistäminen. Markkinarako oli kapea ja leipä ehkä vielä kapeampaa, mutta eipä ollut kilpailijoitakaan. Niillä eväillä kitkuttelin valokuvaajana eläkeelle asti, saavutus, joka jää monelta nykyfotarilta tekemättä.

    ReplyDelete
  12. Kuvallisen ilmaisun perustutkinnossa on kolme erilaista koulutusohjelmaa.

    http://www.opintoluotsi.fi/fi-FI/koulutusalat_ja_ammatit/opetusohjelma.aspx?StudyProgrammeId=e2afd9e0-6321-49bf-a37f-69bdbfec4dcc

    ReplyDelete
  13. Todella mielenkiintoinen juttu!

    Terveisin,
    Teemu, Digikuvaaja.net

    ReplyDelete
  14. Saisiko olla vielä lisää saturaatiota:

    Kun eräs kuvallisen ilmaisun tutkinnosta valmistunut valokuvaaja meni studioon assariksi, ei hän osannut kasata edes valaisujalustaa, kertoi samassa studiossa työskentelevä audiovisuaalisen viestinnän harjoittelija. Osasi hän sentään keittää kahvia ja puhella asiakkaille mukavia. Mutta työnantajalta valintakriteereitä kysyttäessä, alan vanha konkari selitti uuden työntekijän, että asiakkaat, varsinkin mainostoimistojen ad:t haluavat aina perusteluja valokuvaajan ratkaisuille, ennenkuin hyväksyvät työn.

    Ammattilaisenkin on usein vaikea kertoa valinnoistaan, sillä visuaalisen työn tekijältä sanallinen ilmaisu puuttuu. Tunnettu kuvaaja oli löytänyt henkilön joka osasi kertoa hänen asiakkailleen, mitä kuvat esittää ja miksi juuri nämä valokuvat ovat juuri sellaisia, kuin asiakas tarvitsee. Tämä säästi valokuvaa turhalta laukomiselta, ja kuvankäsittelyltä, josta harvoin saa arvostusta, kunniaa tai edes lisäkorvausta ;)

    ReplyDelete