生活科普:煙花那麽好看,為什麽我永遠拍不出來?
來源:環球科學
發布時間:2022-08-03
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是鏡頭的問題還是屏幕的問題?

微信圖片_20220725162034.jpg

圖片來源:pixabay


撰文 不周


審校 | 王昱



每次選購新的“身體(ti) 器官”——手機時,看著令人眼花繚亂(luan) 的配置,我們(men) 總會(hui) 糾結許久。大部分人都會(hui) 關(guan) 注幾個(ge) 重要參數,比如處理器、續航、屏幕素質等,其中屏幕素質中最直觀的參數是分辨率。遺憾的是,即使你買(mai) 到目前屏幕技術最先進、分辨率最高的手機,它也無法為(wei) 你呈現最真實的煙花景象


夜幕中,煙花點燃後升空,在黑暗的背景下快速炸開,展示給我們(men) 的是明亮而絢爛的視覺盛宴。然而,對手機屏幕而言,完美呈現色彩複雜多變的煙花綻放卻是最艱難的挑戰。



色彩的呈現


在理解這個(ge) 挑戰之前,我們(men) 需要了解:色彩是如何被感知和呈現的?色彩的感知,本質上取決(jue) 於(yu) 物體(ti) 反射、發出或透過的光線。視網膜上的視錐細胞(cone cell)在接收到不同波長的光線時,會(hui) 將信號傳(chuan) 輸給大腦,大腦繼而識別出不同顏色。紅、綠、藍三種色光的隨機組合,能調出其他顏色,因此被稱為(wei) 光學三原色(比如紅光和綠光的疊加是黃光)。


明度(lightness)可以描述顏色的明暗深淺,它與(yu) 白色的摻雜比例相關(guan) 。如果我們(men) 設定黑色明度值為(wei) 0,白色的明度值為(wei) 10,那麽(me) 所有顏色的明度都介於(yu) 0與(yu) 10之間。同一個(ge) 顏色摻入的白色越多,明度就越高,顏色看上去就越淺。有趣的是,如果一個(ge) 物體(ti) 的亮度(luminance,單位麵積光通量,單位是尼特,nit)更高,那麽(me) 它的顏色看上去也會(hui) 更淺。


看起來,明度與(yu) 亮度都會(hui) 影響顏色的深淺。但明度是色彩的屬性,而亮度反映的是人眼感知物體(ti) 表麵發光或反光的強弱。亮度既與(yu) 光強有關(guan) ,也與(yu) 人眼對不同波長光線的敏感程度有關(guan) 。比如,光強相同的綠光和藍光,我們(men) 會(hui) 本能的認為(wei) 綠光更亮。而亮度過高或過低時,你甚至無法看清物體(ti) 的顏色。


自然界中多數物體(ti) 通過反射光線呈現不同的顏色,人造的電子屏幕則必須主動發射光線到人眼。電子屏幕隻要有三色的發光器件,並可以調整三色摻雜的比例,便能呈現出不同顏色。


但事實上,手機屏幕從(cong) 早年的LCD(Liquid Crystal Display, 液晶顯示)技術發展到最新的OLED(Organic Light-Emitting Diode, 有機發光半導體(ti) )技術,依然受硬件所限,無法顯示出所有顏色,比如高純度的綠色和紅色。


人眼對光線的明暗變化極為(wei) 敏感,不僅(jin) 能察覺顏色極細微的動態變化,也能感知極大的色彩動態範圍。因此為(wei) 了提升視覺體(ti) 驗,無論是手機還是電視屏幕都在推進HDR(High Dynamic Range,高動態範圍)技術的發展——亮度範圍更寬,承載的色彩信息量更大、也更接近現實。但即使這樣,這些屏幕也還是無法完全還原真實世界的色彩與(yu) 亮度。




最艱難的挑戰


說回到煙花,它與(yu) 電子屏幕相似,都是主動發射光線到人眼。但煙花的顯色原理本質上是焰色反應——金屬原子在受熱時,電子會(hui) 吸收能量,而後再以特定波長的光線釋放能量。這種顯色方式決(jue) 定煙花的光譜主要發射線構成——光的能量集中在非常狹窄的波長範圍內(nei) 。不同金屬及金屬化合物在灼燒時,火焰會(hui) 呈現不同的顏色。比如金屬鈉灼燒時的火焰呈黃色,而金屬鋇則是黃綠色火焰等。


為(wei) 了讓煙花的顏色絢麗(li) 多彩,煙花製造過程中通常會(hui) 加入顯色劑,也就是金屬鹽,如呈現紅色的鍶鹽、鋰鹽;呈現橙色的鈣鹽;呈現藍色的銅化合物;呈現銀色的鎂粉等。經煙花設計師調配,高溫作用下的金屬鹽會(hui) 隨溫度和時間改變煙花火焰的顏色。但電子屏幕以RGB三色顯示顏色的方式,注定它無法顯示所有單色光(波長固定的光/無法色散的光)


煙花在空中炸開的一瞬間,顏色可能會(hui) 從(cong) 極高溫的白色、變為(wei) 黃色、再過渡到橙色(若添加鎂粉,還會(hui) 有銀白色的火花四散);亮度會(hui) 從(cong) 爆發時耀眼的光芒轉變到消散時的黯淡。在夜幕黑暗背景的襯托下,這些跨度極大的變化,在電子屏幕上看卻是由明至暗的黃色花火,細節與(yu) 層次盡失。煙花在手機屏幕上與(yu) 現實中的差距,很可能就像你肉眼看煙花禮炮與(yu) 仙女棒煙花的差距。因為(wei) 煙花綻放時色彩和亮度的變化,精細且跨度極廣,其複雜程度已遠超目前電子屏幕的顯示能力。所以不難理解,耀眼奪目的煙花在手機屏幕上定然會(hui) 大打折扣。




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