Все секреты верного цвета. Часть 2 - парадоксы цвета

Алексей Алексеев, 

Если Вы думаете, что о цвете все сказал еще Исаак Ньютон, то Вас ждет множество сюрпризов. Единая Теория цвета до сих пор не разработана, самому цвету до сих пор не дано строгое определение, да и вообще, цвет – понятие относительное не только на отпечатке принтера, но и в промышленности. Но – кто предупрежден, тот вооружен. Статья продолжает цикл о практическом применении знаний о цвете для домашней печати.

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.

Цвет – это один из признаков или свойств света
Увеличить

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.

Распределение энергии в солнечном излучении

Распределение энергии в солнечном излучении: I – за пределами атмосферы; II – при положении Солнца над головой; III – при высоте Солнца 30° над горизонтом; IV – при условиях, близких к восходу и закату, 1° над горизонтом

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.

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

Кривые спектральной чувствительности трех типов колбочек

Кривые спектральной чувствительности трех типов колбочек

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.

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

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!

фотография, сделанная при свете галогенных ламп, сильно «уходит» в красно-оранжевый

фотография сделанная при солнечном освещении

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.


Автор
Алексей Алексеев

Комментарии