Все секреты верного цвета. Часть 2 - парадоксы цвета

Если мы говорим о цвете, то здесь нас ждёт множество сюрпризов. Как это уже было понятно из предыдущей статьи, создать единое описание, пригодное для использования в разных отраслях человеческой деятельности, попросту невозможно. Взять хотя бы области применения наших теорий. Даже не теорий, а просто-таки разных отраслей знания.

Применение инженерное – к примеру, нам необходимо обеспечить излучение со строго определенной длиной волны – и физика нам, безусловно, поможет. Вспоминаем спектр, собираем квантовый генератор и получаем искомое.

Мерилом точности и приемлемости в данном подходе выступает прибор – независимый от причуд и прихотей человека датчик.

Второй подход – бытовой. Биологический. Промышленный… Да как угодно можно назвать те процессы, когда человек пытается воспроизвести цвет для того чтобы затем воспринимать его глазами – в телевизоре, на одежде, на лице в виде косметики, в еде и напитках для пущей привлекательности и так далее. Понятно, что в столь широком спектре областей применения невозможно сделать единую технологию воспроизведения света. Понятен и ответ на вопрос, который задают гениальные малыши из детских садов: А почему, если у радуги самые чистые цвета, её нельзя взять, перемолоть, и потом красить всё этими чистыми цветами?

В данной статье я «склею» две точки зрения на цвет, физику с биологией. Благо, на просторах российского Интернета мне не встречалось ни одной статьи, в которой ставилась бы эта цель и давалось комплексное описание проблемы.

Цвет – это один из признаков или свойств света. Можно сказать, что цвет – это свойство видимого излучения, определяемое по вызываемому им у человеческого глаза ощущению. Цвет связан с такой характеристикой электромагнитного излучения, как длина волны. Если вы думаете, что есть более вразумительное определение, которое как-то лучше показывает природу и суть цвета – прошу его найти и прислать мне.

Белый свет – это излучение, которое содержит в себе все длины волн видимого спектра. Притом, поскольку N миллионов лет на нашей планете исправно светило солнце, то и белый свет – некоторая «основа», а лучше сказать, опора зрения – должен быть близок к солнечному по долевому, энергетическому присутствию каждого цвета в этом белом.

Берём объективные данные. Распределение энергии в солнечном излучении в зависимости от длины волны. На графике 3 кривые, построенные для разного времени суток. И мы наглядно видим, что в течение дня меняется вклад разных длин волн в создание белого излучения.

Вот вам и первая предпосылка величайшей адаптабельности глаза. Меняется не только яркость, но и спектральный состав опорного света. Природа создала в мозгу механизм компенсации. В течение дня мы воспринимаем цвета предметов одинаково.

Глаз может воспринимать как очень сильные световые потоки, так и очень слабые. Для примера можно взять освещение в яркий солнечный день и в сумерках того же дня. Многие из нас, кто занимался фотографией в доцифровую эпоху, прошли через удивление: как это вдруг не получается сделать хорошо экспонированный кадр в 7 часов вечера, когда в 6 это ещё было возможно? Ведь, вроде бы, освещённость и не изменилась? Однако это не так. Освещённость предметов меняется в течение дня и вечера даже не в разы, а в миллионы раз.

Рассмотрим далее более подробно, как осуществляется восприятие цвета глазом человека.

Сетчатка содержит своего рода мозаику из рецепторов четырёх типов: палочек и трех типов колбочек. Каждый тип рецепторов содержит свой особый пигмент. Разные пигменты отличаются друг от друга в химическом отношении, а в связи с этим и способностью поглощать свет с различной длиной волны. Палочки ответственны за способность человека видеть при слабых освещенностях без восприятия цвета объектов. Палочковый пигмент родопсин обладает наибольшей чувствительностью в области – около 510 нм в зелёной части спектра.

Каждая палочка или колбочка сетчатки глаза содержит пигмент, поглощающий излучение в каком-то участке спектра лучше, чем в других. Поэтому, если бы можно было собрать достаточное количество такого пигмента и посмотреть на него, он выглядел бы окрашенным. Согласно современным представлениям, зрительный пигмент обладает особым свойством: при поглощении им светового фотона он изменяет свою молекулярную форму и при этом высвобождает энергию, запуская таким образом цепь химических реакций, которые в конце концов приводят к появлению электрического сигнала. Пигментная молекула в своей новой форме, как правило, обладает совсем иными светопоглощаюшими свойствами, и если, как это обычно бывает, она поглощает свет хуже, чем в исходной форме, то говорят, что она «выцветает» под действием света. Затем сложный химический механизм глаза восстанавливает первоначальную конфигурацию пигмента.

Кстати, палочковый пигмент родопсин, имея максимум поглощения в зелёной области, отражает синие и красные лучи и поэтому сам выглядит пурпурным. Поскольку в сетчатках он присутствует в количествах, достаточных для того, чтобы химически смогли его выделить и на него можно было посмотреть, он получил название зрительного пурпура.

Восприятие цвета осуществляется колбочковым аппаратом сетчатки. Пигменты колбочек трех типов имеют максимумы поглощения в области 560, 530 и 430 нм; поэтому разные колбочки условно называют «красными» (R, red), «зелёными» (G, green) и «голубыми» (В, blue). Кривые спектральной чувствительности трёх типов колбочек представлены на рисунке

Каждый тип колбочек имеет широкие зоны чувствительности со значительным перекрыванием, особенно для красных и зелёных колбочек. Отметим, что свет с длиной волны, например, 600 нм вызывает наибольшую реакцию красных колбочек, пик чувствительности которых расположен при 560 нм, он же вызывает также некоторую, хотя и более слабую, реакцию колбочек двух других типов. Таким образом, «красная» колбочка реагирует не только на длинноволновый свет, она лишь реагирует на него лучше других колбочек. Сказанное относится и к колбочкам других типов.

Это достаточно современные данные (всего лишь прошлого века), и пришли они к нам с «биологической» стороны. То есть, как и было сказано, описывают процесс восприятия цвета человеком.

Задумывался ли Ньютон о необходимости исследования восприятия, я не знаю. Но история развития представлений о цветовом зрении основана на исследованиях, начатых им в 1704 году. Изобретательность, которую проявил Ньютон в своих экспериментах, трудно переоценить: в работе, посвящённой цвету, он, при помощи призмы расщепляя белый свет, воссоединял его компоненты второй призмой, вновь получая белый свет; изготовил волчок с цветовыми секторами, при вращении которого опять-таки получался белый цвет. Эти открытия привели к осознанию того, что солнечный свет состоит из непрерывного ряда лучей с различными длинами волн.

В XVIII столетии постепенно выяснялось, что всякий цвет можно получить путем смешения трёх цветовых компонентов в надлежащих пропорциях при условии, что длины их волн достаточно отличаются друг от друга. В этом заключается трихроматичность цвета. М.В.Ломоносов в 1756 г. высказал мысль о наличии в глазу светочувствительных аппаратов трёх видов.

В 1802 г. Томас Юнг выдвинул чёткую и простую теорию, объясняющую трихроматичность: он предположил, что в каждой точке сетчатки должны существовать по меньшей мере три «частицы» – крошечные структуры, чувствительные соответственно к красному, зелёному и фиолетовому цвету. Решающие эксперименты, прямо и недвусмысленно подтверждающие, наконец, идею Юнга, были проведены лишь в шестидесятые годы XX столетия, когда под микроскопом была изучена способность отдельных колбочек поглощать свет с различной длиной волны и были обнаружены три и только три типа колбочек.

Герман Гельмгольц принял и отстаивал теорию Юнга, которая приобрела известность как теория Юнга-Гельмгольца. Именно Гельмгольц объяснил, наконец, феномен, долгое время являвшийся камнем преткновения трехцветной теории зрения и заключающийся в том, что смесь желтой и синей красок даёт зеленую, а смешение жёлтого и синего света дает белый свет. Но даже ему не удалось объяснить коричневый цвет.

Параллельно теории цвета Юнга-Гельмгольца возникла, и до недавнего времени казалось с ней несовместимой, вторая научная школа. Немецкий физиолог Эвальд Геринг (1834–1918) предположил, что в глазу и/или в мозгу существуют три оппонентных процесса: один для ощущения красного и зелёного , другой – для жёлтого и синего и третий, качественно отличный от двух первых, – для чёрного и белого. Геринга поразило отсутствие цветов, которые можно было описать как желтовато-синий или красновато-зелёный, а также «взаимное уничтожение» синего и жёлтого или красного и зелёного при их смешении в надлежащих пропорциях – цвет при этом полностью исчезает, т.е. возникает ощущение белого цвета. По Герингу, жёлтый, синий, красный и зелёный могут считаться основными цветами, а третий оппонентный процесс регистрирует соотношение чёрного и белого. Ощущение чёрного и серого порождается не просто отсутствием света, поступающего от некоторого объекта или поверхности, а возникает тогда и только тогда, когда от объекта приходит меньше света, чем в среднем от окружающего фона. Ощущение белого возникает только в том случае, если фон темнее и отсутствует цвет. По теории Геринга, чёрно-белый процесс предполагает пространственное сравнение или вычитание отражающих способностей, в то время как жёлто-синий и красно-зелёный процессы происходят в одном определённом участке поля зрения и не связаны с окружением.

Замечательный пример, который это иллюстрирует – картинка шахматной доски с тенью от цилиндра. В это сложно поверить, но клетки А и В имеют совершенно одинаковый цвет! Просто в одном случае рядом с ними находятся более светлые поля, а в другом – более темные. Вот глаз и воспринимает клетку в одном случае как белую, а в другом – как черную.

Если не верите – загрузите Фотошоп и пипеткой возьмите пробу цвета в одной и в другой клетке.

Теория Геринга позволила объяснить не только все спектральные цвета и уровни насыщенности (чистоты), но и такие цвета, как коричневый и оливково-зелёный, которые отсутствуют в спектре и не могут быть воспроизведены путем смешения любых цветов. Коричневый цвет получается лишь в том случае, если жёлтое или оранжевое световое пятно будет окружено в среднем более ярким светом. Коричневый цвет можно считать смесью чёрного, получаемого в условиях пространственного контраста, с оранжевым или жёлтым. По теории Геринга, при этом работают по меньшей мере две системы – чёрно-белая и жёлто-синяя.

Теория Геринга о трёх оппонентных системах – красно-зелёной, жёлто-синей и яркостно-теневой – до середины 20-го века рассматривалась как альтернативная по отношению к трёхкомпонентной («красный, зелёный, синий») теории Юнга-Гельмгольца. Современные исследования в области нейрофизиологии зрительного восприятия привели к осознанию того, что обе теории, на протяжении десятилетий называвшиеся несовместимыми, оказались верны: теория Юнга-Гельмгольца справедлива для рецепторного уровня, а теория Геринга об оппонентных процессах – для последующих уровней зрительной системы.

Детально эта проблема изложена в замечательной книге лауреата Нобелевской премии за работы в области нейрофизиологии зрения Д.Хьюбла. Американцы Давид Хьюбл (David H.Hubel) и Торстен Вайзел (Torsten N.Wiesel) получили Нобелевскую премию 1981 года за исследование зрения. В числе прочего они показали, что глаз предоставляет в мозг вовсе не информацию о красном, зелёном и синем. Вместо этого мозг получает:

• разницу светлого и тёмного,
• разницу зелёного и красного, а также
• синего и жёлтого, где жёлтый — сумма красного и зелёного.

Практически это выражается в том, что мы можем воспринимать цвет предметов одинаково при разных источниках освещения. Приведём пример. Вот две фотографии, обе они сделаны на фотопленку. Одна – при освещении галогенными лампами, другая – при освещении источником, спектрально близким к Солнцу.

Фотоплёнка не умеет адаптироваться к «опорному» свету. Она фиксирует именно тот свет, те длины волн, которые на неё падают. Поэтому фотография, сделанная при свете галогенных ламп, настолько сильно «уходит» в красно-оранжевый. Внизу справа увеличенный фрагмент – глаз. Видно, что белок глаза оранжевый. Но ведь галогенные лампы широко применяются в быту, и при их свете наши глаза совершенно нормально определяют цвет предметов!

Можете сами провести простой эксперимент. Поставьте любое видео и сделайте стоп-кадр на моменте, когда лицо актрисы или актёра в фильме будет показано крупным планом. А теперь откройте глянцевый журнал, на котором изображена какая-нибудь красотка, и наложите журнал на экран телевизора. Разница в том, что мы воспринимаем как нормальный телесный цвет, в одном и в другом случаях будет потрясающей!

И это, безусловно, замечательно. Благодаря такому устройству нашего восприятия, мы с вами можем понимать самые разные изображения – и чёрно-белые, и написанные красками, и отображённые на световом табло стадиона, и цветные фотографии, и телевизионное изображение.

Соответственно, нельзя, по большому счёту, и говорить о цветопередаче без указания технологии воспроизведения цветов. Понятно, что большой слайд, подсвеченный равномерным белым светом, даст гораздо лучшую цветопередачу, чем даже откалиброванный монитор – не говоря уже о газетной бумаге. Поэтому можно лишь говорить о целесообразности применения той или иной технологии воспроизведения цвета для наших конкретных задач. Ну, и с этой целью сравнивать результаты.

Также внутри каждой технологии воспроизведения цвета есть множество хитростей – как подготовить изображение, чтобы были использованы все преимущества данной технологии. О моделях, которые для этого разработаны, и их практическом применении – в следующих статьях. До встречи.