Страница 5 из 6
Тема 4. Основы трехкомпонентной теории смешения цветов. Принципы оптического аддитивного и субтрактивного смешения цветов, их особенности
Заслуги Г. Гельмгольца, являющегося крупнейшей фигурой в области физиологической оптики в XIX в., обобщившего известные в его время научные знания о цвете как физическом (оптическом) и психофизиологическом явлении, заключались, во-первых, в разработке основы строгой научной систематизации цвета (Гельмгольц нашел способ измерения цвета путем числового выражения трех его характеристик: цветового тона, насыщенности и светлоты); во-вторых, в определении двух принципиально различных типов смешения монохроматических цветовых излучений – слагательного (аддитивного) и вычитательного (субтрактивного), а также в отличии результатов смешения цветных лучей света и красок аналогичного цветового тона; в-третьих, в разработке трехкомпонентной теории цветового зрения.
Аналогичные исследования проводились и сходные результаты были получены в XIX в. специалистами из других стран, в частности шотландским физиком Д. К. Максвеллом (1831–1879) и американским художником и преподавателем Массачусетской художественной школы в Бостоне, занимавшимся вопросами цветоведения, А. Х. Манселлом (1858–1918).
Поэтому в литературе по цветоведению, изданной в англоязы чных странах, чаще ссылаются на цветовые системы и исследования в области смешения цветов Д. К. Максвелла и А. Х. Манселла, чем на основоположника теории измерения и числового обозначения характеристик цвета, а также смешения цветов – немца Г. Гельмгольца [1], [11].
Трехкомпонентная теория цветового зрения Г. Гельмгольца базируется на идее ученого Томаса Юнга о трех родах нервных волокон, воспринимающих три основные цвета: красный, зеленый и синий (точнее – сине-фиолетовый). Степень возбуждения трех родов нервных волокон Гельмгольц изображал в виде схемы (рис. 1), где на горизонтальной линии отмечены цвета спектра от красного (R) до фиолетового (V). Кривые на схеме обозначают волокна, возбуждаемые красным, зеленым и фиолетовыми цветами. Простой (чистый) красный цвет (волны наибольшей длины в спектре) сильно возбуждает волокна, ощущающие красный цвет, но слабо – два других типа волокон. Простой желтый значительно возбуждает зрительные волокна, ощущающие красный и зеленый цвета, но слабо – фиолетовые. Простой зеленый сильно возбуждает зеленоощущающие волокна и слабо – остальные два типа и т. д. Тот или иной сложный оттенок цвета зависит, по-видимому, от разной степени возбуждения этих трех типов волокон. А равномерное возбуждение всех типов дает ощущение белого цвета.
Рис. 1. Схема ощущения трех основных цветов по Гельмгольцу
Г. Гельмгольц не обнаружил анатомического доказательства существования трех цветоощущающих родов зрительных волокон (колбочек). Его нет и в наше время. Есть ряд новых данных о цветовом зрении, но другая теория взамен теории Юнга – Гельмгольца пока не создана (с позиций психофизиологии цветоощущения). Но в то же время теория Гельмгольца хорошо объясняет многие факты физиологии цветового зрения и широко используется в ряде отраслей науки и техники (в том числе в фотографии, цветном телевидении, кино, видео, полиграфии, компьютерной технике и т. д.) [11].
Цветовая система смешения цветов из трех основных цветовых тонов геометрически изображается в виде равностороннего треугольника (рис. П. 1.3), в углах которого обозначены три первичных цвета: красный, зеленый, синий (сине-фиолетовый). Аддитивным (слагательным) смешением монохроматического света трех длин волн, соответствующих этим цветам, можно получить очень широкий диапазон цветов, включающий все цветовые тона разной чистоты (насыщенности). Равные количества первичного красного и синего дают луч пурпурного цвета; синего и зеленого – луч голубого цвета; зеленого и красного – луч желтого цвета. На линии, соединяющей точку, обозначающую желтый цвет (на правой стороне треугольника), с точкой в вершине треугольника, обозначающей зеленый цвет, получается желто-зеленый цвет. А на линии, соединяющей точку, обозначающую красный цвет (правый угол треугольника), с точкой, обозначающей голубой цвет (посередине левой стороны треугольника), между точкой Е, условно обозначающей белый цвет (как смешение всех цветов), и точкой R (красный цвет) помещается точка Р, обозначающая розовый цвет (pink). Чем ближе к точке Е, тем он бледнее, чем ближе к точке R, тем насыщеннее, темнее.
Таким же образом можно на этом треугольнике показать все смешения насыщенных цветов (размещаемых на сторонах и в углах треугольника) и смешения всех ненасыщенных (разбеленных) цветов внутри этого треугольника в соответствующих точках на условной сетке, полученной пересечением горизонтальных и наклонных линий, параллельных сторонам равностороннего треугольника [1].
Аддитивное (слагательное) смешение цветов
(рис. П.1.4, а) получается в результате проекции на белый экран трех частично перекрывающих друг друга монохроматических световых потоков цветных источников света (получаемых от трех проекционных фонарей со светофильтрами – красным, зеленым и синим). В местах попарного перекрывания световых лучей получаются: желтый цвет (оптическое смешение зеленого и красного), голубой цвет (смешение зеленого и синего), пурпурный цвет (смешение красного и синего).
В центре взаимно перекрывающих друг друга красного, зеленого и синего кругов получается белый цвет. Это возможно только при совершенно определенном соотношении между яркостями красного, зеленого и синего пятен света на экране и определенного расстояния от экрана.
При изменении соотношения яркостей цветных потоков света (например, при приближении к экрану одного из них, удалении другого, оставлении на прежнем месте третьего) изменяются цвета в местах перекрывания цветных пятен (при той же цветности яркость может стать иной) и вместо белого цвета в центре фигуры появится какой-либо хроматический цвет.
Изменяя положение взятых источников света относительно экрана можно получать различные цвета спектра и пурпурные цвета. Аддитивное смешение цветов (монохроматических световых потоков цветных источников света) базируется на описанной выше трехкомпонентной теории смешения цветов.
Субтрактивное (вычитательное) смешение цветов (рис. П.1.4, б) получается вычитанием из белого цвета соответствующих излучений при помощи определенных светофильтров для получения желаемых цветов.
Белый пучок света пропускается на белый экран через частично перекрывающие друг друга светофильтры пурпурного, голубого и желтого цветов. В центре пересечения цветных пятен получается черное пятно. В местах попарного перекрывания пурпурного и желтого получается красный цвет, желтого и голубого – зеленый цвет, а пурпурного и голубого – фиолетовый цвет.
Голубой светофильтр поглощает из состава белого цвета красный и оранжевые излучения, а пропускает синие, зеленые, фиолетовые цвета. В совокупности они и дают зрительное ощущение голубого цвета. Желтый светофильтр поглощает из белого света (как смеси всех цветов спектра), как бы вычитает фиолетовые и синие излучения и пропускает зеленые, желтые и красные. В совокупности они создают зрительное ощущение желтого цвета.
При сложении желтого и голубого светофильтров и пропускании через них мощного света лампы накаливания получается следующий эффект: желтый светофильтр поглощает из белого света фиолетовые и синие и пропускает красные, оранжевые, желтые и зеленые. Голубой светофильтр поглощает красные, оранжевые и желтые излучения и пропускает только зеленые излучения. Таким образом, на пересечении желтого и голубого пятен света получается ощущение зеленого цвета.