Когда в 1903 г. французский химик Луи Жан Люмьер (тот самый, который вместе со своим братом Огюстом изобрел кинематограф) решил заняться цветной фотографией, он ничего не знал о том, как устроена сетчатка курицы. И при всем при том почти буквально повторил в своем новом изобретении важную особенность ее конструктивной схемы (сетчатки, конечно, а не курицы).
У курицы, как и у многих птиц, и у некоторых видов черепах, природа поставила перед совершенно одинаковыми рецепторами сетчатки светофильтры — жировые клетки красного, оранжевого и зеленовато-желтого цветов. И еще бесцветные. А Люмьер брал зерна крахмала, окрашивал их в красный, зеленый и синий колеры, после чего посыпал этим трехцветным порошком фотопластинку.
Изобретатель руководствовался теорией цветового зрения, которую принято называть сейчас трехкомпонентной. Она ведет начало от речи «Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее, в публичном собрании Императорской Академии Наук июля 1 дня 1756 года говоренное Михаилом Ломоносовым».
Наш великий ученый сообщал слушателям: «Я приметил и через многие годы многими прежде догадками, а после доказательными опытами с довольною вероятностью утвердился, что природа эфирных частиц имеет совмещение с тремя родами действующих первоначальных частиц, чувствительные тела составляющих... От первого рода эфира происходит цвет красный, от второго — желтый, от третьего — голубой. Прочие цвета рождаются от смешения первых... Натура тем паче всего удивительна, что в простоте своей многохитростна, и от малого числа причин произносит неисчислимые образы свойств, перемен и явлений».
Эта смелая мысль не была тогда по достоинству оценена научным миром. Лишь спустя полвека к ней обратился английский физик Томас Юнг, который отметил, что идеи Ломоносова дали ему, выражаясь нынешним лексиконом, материал для размышлений. Юнг обратил свой взор на вроде бы самоочевидный факт: сетчатка обязана сообщать мозгу о форме и цвете предметов, а между тем любая часть изображения может быть окрашена в любой, вообще говоря, тон. Как же глаз ухитряется видеть все многообразие красок? Неужели на любом кусочке сетчатки находится бесчисленное множество элементов, призванных реагировать каждый на свой цвет? Вряд ли: уж очень сложно.
(Несколько опережая события, скажем, однако, что уже в наши дни обнаружили это бесчисленное множество воспринимающих цвет полей — только не на сетчатке, а в мозговой коре...)
Вполне логичным выглядело иное предположение: ощущающих цвет клеток сравнительно немного, но благодаря совместной их работе возникают ощущения бесконечного богатства красок. Три эфира, упомянутые Ломоносовым, трансформировались у Юнга в три цветоощущающих элемента сетчатки.
Эти предположения детально развил Гельмгольц в своем «Справочнике по психологической оптике», изданном в 1859—1866 гг. в Гейдельберге, где он читал физиологию студентам университета. После этого трехкомпонентная теория Юнга— Гельмгольца вполне утвердилась в науке о зрении.
Сейчас уже точно установлено, что в сетчатке имеются цветовые фотоприемники — колбочки — именно трех родов: у одних максимальна чувствительность к желтым лучам, у других к зеленым, у третьих к синим. Удалось даже подобраться с измерительным прибором к колбочкам обезьяны, которая различает цвета почти так же, как человек. Связь чувствительности элементов с частотой электромагнитного излучения оказалась очень близкой к той, которая следовала из теории трехкомпонентного зрения. Графики ответов занимают обширные области; размазанность кривых, перекрывающих друг друга, обеспечивает цветовое восприятие.
Но природа не поставила никаких светофильтров перед фоторецепторами нашей сетчатки. Она сделала хитрее: создала несколько разновидностей светочувствительных пигментов, каждый из которых лучше всего ловит «свои» кванты — минимальные порции света и вообще электромагнитных колебаний.
Глаз человека — система невероятно высокочувствительная. Академик Сергей Иванович Вавилов писал в книге «Глаз и Солнце», что порог раздражения палочек, с помощью которых мы видим ночью, эквивалентен силе света обыкновенной свечи, рассматриваемой с расстояния двухсот километров. Тогда на кусочек сетчатки, где находится примерно 400 палочек, попадает всего лишь шесть—девять квантов. То есть для срабатывания фоторецептора достаточно одного-единственного кванта, ибо совершенно невероятно, чтобы даже две частицы света попали точно в один и тот же рецептор. Долгие годы этот результат, к тому же подтвержденный опытами, во время которых глаз действительно ощущал квантовый характер света (ни один прибор не способен похвастать подобной чувствительностью!), казался граничащим с чудом: как ухитрилась природа сконструировать такой механизм? Новейшие исследования дали ответ: влетевший в светочувствительную клетку фотон — это как бы палец, нажимающий на спусковой крючок ружья.
В фоторецепторах любого живого существа находится несколько видоизмененный витамин А — ретиналь. У его молекулы есть небольшой хвостик длиной в три атома углерода. Пока фотон не попал в молекулу, она изогнута так, что хвостик перпендикулярен плоскости, в которой лежат все остальные углеродные атомы. Квант заставляет хвостик повернуться, молекула становится плоской. В тонких наружных члениках палочек и колбочек молекулы ретиналя прикреплены к плоским дискам, собранным в стопку, словно монеты. Дисков множество, в палочке глаза лягушки, например, их около двух тысяч, на них несколько десятков миллионов молекул ретиналя. У фотона мало шансов проскочить мимо. Какой-нибудь диск да окажется удачливым хозяином ретиналя, поглотившего квант света.
И тогда начинается самое интересное. Стенка наружного членика фоторецептора — мембрана — вместе с окружающей жидкостью представляет собой миниатюрную электростанцию, генератор постоянного тока. Пока квант не попал в фоторецептор, мембрана почти одинаково хорошо пропускает через себя ионы калия и натрия: калий — в клетку, натрий — из клетки. Каждый ион — носитель электрического заряда, и генератор вырабатывает небольшое напряжение. «Выстрел ружья» сразу меняет картину. В мембране начинает работать насос, резко увеличивающий поток натриевых ионов и, следовательно, напряжение, отдаваемое генератором. В итоге внутренние структуры фоторецептора усиливают энергию фотона, этот первоначальный сигнал, примерно в два миллиона раз. И экспериментатор видит на экране осциллографа импульс светочувствительной клетки — ответ на попадание фотона. Все это гораздо дольше рассказывается, чем происходит. После «нажатия на спуск» сигнал фоторецептора поступает в нейронные цепи сетчатки через три тысячные доли секунды. Самое же замечательное, что природа остается верна этой схеме процесса в зрительных органах всех животных, от моллюсков до человека.
Современные цифровые модели цвета.
Итак, какие же у нас есть модели цвета? А их всего две:
аддитивная и субтрактивная.
Если Вас пугают такие термины, то использую русские слова: слагательная и вычитательная.
Аддитивная модель используется в излучающих свет устройствах. Это телевизоры, мониторы, проекторы… Аддитивную модель часто называют RGB (Red Green Blue – Красный Зеленый Синий) по основным цветам из которых в результате смешения происходят все остальные.
Субтрактивная модель используется в отражающих свет устройствах и э… материалах. Помните, я говорил, что понятия «цвет предмета» в науке не существует? Настало время объяснить. Есть источники света, они излучают свет и можно говорить об их цвете как функции спектра их излучения. А большинство предметов ничего сами в видимом диапазоне не излучают, а только отражают свет от источников. Так вот, у каждого материала есть спектральный коэффициент диффузного отражения.
Необходимо четко различать цветовые модели (RGB, CMY, CMYK) и цветовые системы (HSV, XYZ, Lab): первые описывают способ воспроизведения цветовых ощущений, вторые – измерение этих ощущений. Данные RGB и CMYK являются аппаратными данными, мало что говорящими о цветовых ощущениях без привязки к конкретному аппарату. Чтобы добиться совпадения цветов, полученных на разных аппаратах и с помощью разных цветовых моделей, у нас есть только один количественный способ — добиться равенства их цветовых координат.
Переходим к координатным системам.
•CIE RGB.
Немного об истории ее создания.
Т.к. цвет все же ощущение человека, его измерения должны быть измерениями именно цветовых ощущений человека. Однако все люди воспринимают цвет немного по-разному. Что же, измерять?
В начале 30-х годов 20-го века Международная Комиссия по освещению (CIE — Communication Internationale de l'Eclairage) с этой целью провела масштабную акцию, профинансированную компаниями — производителями красок. Для измерения цветовых ощущений был проведен коротко описанный ниже эксперимент.
Комиссия CIE ввела в обиход понятие "стандартный наблюдатель" (standard observer): окончательные данные измерений были получены за счет усреднения результатов эксперимента, проведенного в строго определенных условиях с большим числом наблюдателей. Поэтому результаты эти не дают точного представления о свойствах цветового зрения каждого конкретного человека, а относятся к т.н. усредненному стандартному колориметрическому наблюдателю.
•Полностью разрешить проблему описания цвета не удалось до сих пор, однако попытки предпринимаются. В результате CIE разработал более однородные цветовые шкалы — CIE L*a*b* и CIE L*u*v. Из этих двух моделей более широко применяется модель CIE L*a*b*.
Для измерения и синтеза цветовых оттенков лаборатория CIE разработала однородные цветовые шкалы — CIE L*a*b*. Хорошо сбалансированная структура цветового пространства L*a*b* основана на той теории, что цвет не может быть одновременно зеленым и красным или желтым и синим. Следовательно, для описания атрибутов “красный/зеленый” – (а) и “желтый/синий” – (b), можно воспользоваться всего двумя координатами. Для описания светлости цвета была предложена третья координата (L) – (черный – белый)
Точность измерения цветовых координат в цифровом цветовом пространстве Lab достигает 0,4%.