Статья недели. «ХиЖ» 2023 №8)
Вопрос, ответ на который кажется очевидным большинству людей, пока они не задумаются, становится все более актуальным в наше время компьютерных технологий и искусственного интеллекта. В учебниках по физике нет подробного разбора этой темы, а объяснения специализированных руководств часто выглядят натянутыми и непоследовательными. Они нередко противоречат интуиции людей, профессионально работающих с цветом: художников, дизайнеров, ювелиров.
Сегодня колоссальные исследовательские ресурсы мира брошены на решение проблемы автоматического распознавания образов. И цвет играет в ней далеко не последнюю роль. Инженеры и ученые постоянно разрабатывают новые источники света для гаджетов, телевидения, уличного освещения. Иногда их цвет неотличим от традиционных источников, но наши глаза почему-то начинают испытывать неприятные ощущения. И это далеко не полный перечень причин, по которым нелишне углубиться в основы преставлений о цвете и историю их появления.
Цвет и белый свет
Мир полон красок. В среднем человек различает десять миллионов оттенков, особо одаренные натуры — в десять раз больше. Тема цвета близка каждому и волнует людей столько, сколько существует человечество. Испокон веку она особенно интересовала людей искусства. Живописцы и древние философы накопили многовековой опыт в колористике. В донаучный период именно они были главными экспертами по цвету.
Ещё в 5 веке до н.э. греческий философ Эмпедокл учил, что существуют основные цвета, смесь которых дает любой колер. Несколько столетий назад после знаменитого опыта Ньютона цвет стал предметом науки.
С тех пор полного консенсуса у физиков и художников нет. Эклектичность представлений о цвете заметит каждый, кто займется детальным изучением проблемы. Строгая теория цвета остается делом будущего. Сегодня же большинство экспертов сходятся в том, что цвет есть результат психической деятельности мозга, который по-своему интерпретирует поступающие от зрительных рецепторов сигналы. Есть и другие мнения.
До сих пор окончательно не понят механизм восприятия цвета человеческим глазом и мозгом. Так, в книге «Компьютерная графика» В.И. Мураховского читаем: «Вопросы описания цветовых характеристик относятся к одной из наиболее сложных и запутанных областей не только прикладного предмета компьютерной графики, но и фундаментальных наук: биологии, физики, других дисциплин».
Однако чтобы использовать явление, необязательно понимать его природу. Сегодня на базе установленных опытным путем цветовых закономерностей вполне успешно функционируют кино, телевидение, полиграфия, фотография, компьютеры и пр.
Кит ослу, жирафу, зайке голубые сшил фуфайки
Многие столетия считалось, что основные цвета — это красный, синий и желтый. Пока в мир не явился Исаак Ньютон, благодаря идеям которого существует наша техногенная цивилизация. Он внес сумятицу в устоявшиеся веками представления и положил начало научному эмпирическому изучению природы цвета. Три столетия назад он провел свой классический опыт по разложению белого света на радужные цвета при его прохождении через треугольную призму.
В опыте с призмой великий англичанин выделял семь цветов радуги, от красного до фиолетового. О том, почему их должно быть семь, по числу нот в музыкальной гамме (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), а не, скажем, пять, до сих пор идут дискуссии. Правда, в отсутствие теории цвета с ясными основаниями они не очень плодотворны.
Расположив цвета радуги по периметру окружности, Ньютон свел их в замкнутую систему. Эта цветовая модель, однако, была не полна. Смешение составивших ее цветов в разных пропорциях не исчерпывало всех цветов, различаемых глазом. Между фиолетовым и красным существует еще диапазон пурпурных оттенков
Изучал Ньютон и глаз. Он, дававший фору в медицине любому эскулапу и всю жизнь лечившийся сам, запускал тонкий щуп из слоновой кости себе в глазницу и давил его кончиком на глаз сзади. При этом он наблюдал концентрические цветные круги. Также они появлялись в его опыте по отражению света от прижатой к стеклянной пластине линзы. Теперь их называют кольцами Ньютона.
Основатель механики считал свет потоком частиц, а цвет — результатом давления этих корпускул. В те же времена существовала и альтернативная, волновая теория света, разработанная голландцем Христианом Гюйгенсом. К сегодняшнему дню физика пришла к пониманию двойственной, корпускулярно-волновой природы света. Согласно теперешним представлениям, при распространении свет ведет себя как волна, при излучении и поглощении — как частица. Однако корпускулярно-волновой дуализм до сих пор оставляет у многих исследователей чувство незавершенности.
Теория дисперсии световых волн объяснила опыт Ньютона. Гармоническая электромагнитная волна задается определенной частотой (и обратно ей пропорциональной длиной волны). Набор волн составляет спектр, который характеризует зависимость энергетического вклада каждой волны от ее частоты. Волны разных частот, вместе составляющие белый свет, распространяются в призме с разной скоростью. Поэтому на ее границах они преломляются под разными углами, порождая на выходе набор семи цветов.
Этого знания физикам, в общем-то, оказалось достаточно, так как позволило каждому из семи цветов радуги присвоить свой диапазон частот (или длин волн), то есть перевести цвет в число. Такой подход исключает из рассмотрения глаз, то есть заменяет его свойства стандартизованными средними характеристиками. Описание цвета как волны с определенной частотой (длиной волны) дало возможность конструировать преобразующие цвет аппараты и однозначно воспроизводить его с помощью различных светотехнических устройств.
Крон, кармин и кобальт
Двести лет назад, в начале XIX века, в спор с теорией Ньютона вступил Иоганн Вольфганг Гёте. Он написал объемную книгу, которую сам ценил выше всех своих поэтических произведений. Она называлась «К теории цвета» («Zur Farbenlehre»). Сам поэт полагал, что его книга будет оценена лишь в 2000 году.
Естествоиспытателей работа не впечатлила, так как не выдвигала никакой научной теории, то есть не давала возможности однозначно предсказывать результаты цветовых экспериментов. Тем не менее автор утверждал, что он единственный человек своего века, обладающий истинным знанием о цвете. Это знание для него было интуитивным, как сегодня принято говорить, эзотерическим. В своей работе Гёте проводил философские параллели между восприятием цвета и закономерностями психического и духовного постижения мира человеком.
Книга Гёте пользовалась широкой популярностью среди образованных людей своего времени. Ее высоко ценили и некоторые известные ученые XX века, например один из создателей квантовой механики Вернер Гейзенберг. К неоспоримым достоинствам книги следует отнести то, что она содержала описание всех известных к тому времени оптических экспериментов с цветом, скрупулезно повторенных поэтом. Многие из этих опытов ждут своего объяснения до сих пор.
Гёте предлагал и свои цветовые системы, которые, правда, не были оригинальным достижением поэта. Широко известен его цветовой треугольник, в вершинах которого расположены красный, желтый и голубой цвета. Любой колер может быть получен смешением в разных пропорциях этих основных тонов. Если между ними поместить промежуточные тона, оранжевый, зеленый, фиолетовый, то получится шестигранник или круг Гёте.
Поэт опирался на опыт художников, которые ориентированы на естественный свет, отражаемый поверхностями произведений искусства. Они обычно покрыты красками, пигментами, тканями, мозаикой, стеклом и другими материалами, которые поглощают и выборочно отражают разные длины волн источника света. Таким образом, в глаз наблюдателя попадает спектр, в котором отсутствуют волны некоторых частот. Иными словами, они вычитаются из него. Это приводит к изменению цвета в сравнении с необработанной поверхностью, которая обычно рассеивает белый свет на своих неоднородностях без изменения его спектрального состава.
Цвет обладает свойством неоднозначности — разные по спектральному составу световые лучи способны давать одинаковое цветовое ощущение, одинаковый отклик глаза и мозга, то есть один и тот же цвет. Это называют эффектом метамерии, а соответствующие цвета — метамерами. Например, флуоресцентные лампы, которые имеют спектр из нескольких узких полос, выглядят такими же белыми, как и широкополосный дневной свет. Однако физически цвет связан с тем, как его поглощает, отражает и рассеивает поверхность предмета. При искусственном свете она будет выглядеть иначе, чем при дневном.
Если структуру поверхности модифицировать, например нанести на нее тонкие пленки, то может измениться и ее цвет. Такие цвета могут быть результатом интерференции света на поверхности, например на покрывающих ее пленках или повторяющихся вдоль нее структур, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким свойствами обладают крылья бабочек, перья птиц, надкрылки жуков, внутренние поверхности ракушек и пр.
Цвет медицины
В последние несколько столетий идеи Ньютона были развиты и дополнены. В конце XVIII века врач по образованию, известный английский физик Томас Юнг соотнес три базовых цвета с тремя типами гипотетических «чувствующих элементов» глаза. В середине XIX века на основе этого представления о цветовой рецепции измерением цвета занялся Джеймс Максвелл, впоследствии основатель теории электромагнетизма. Его работы диктовались не только научным интересом, но и потребностями технической революции, в частности рождением фотографии. Максвелл разработал приборы и методы, позволяющие определять характеристики цвета, которые используют и сегодня.
К началу XX века естествоиспытатели досконально изучили анатомию глаза и сильно продвинулись в понимании его физиологии. Крупнейший немецкий врач и физик Герман Гельмгольц предложил объяснение механизма цветового зрения. Он связал три базовых цветовых тона с тремя видами так называемых колбочек, сенсорных клеток сетчатки глаза, и определил их спектральную чувствительность. Согласно теперешнему пониманию, подтверждаемому биохимическими исследованиями, возбуждение этих рецепторных клеток в различной пропорции и дает разные цвета.
Фиолетово-синие колбочки типа S (Short) наиболее чувствительны к длинам волн около 0,45 мкм. Генетически они очень сильно отличаются от зеленых (0,54 мкм) колбочек типа M (Middle) и близких им зелено-желтых (0,57 мкм) колбочек Типа L (Long), которые иногда называют красными. Все колбочки чувствительны в довольно широком диапазоне длин волн. Глаз преобразует свет любого состава в три основных сигнала, соответствующих спектральному диапазону каждого типа.
В сумерках колбочки нечувствительны, поэтому цвета неразличимы. При промежуточном освещении, когда сигнал колбочек слаб, цвета изменяются. К примеру, при низких интенсивностях оранжево-желтый выглядит коричневым, а желто-зеленый — оливково-зеленым.
Кроме колбочек, глаз содержит и другие светочувствительные клетки, палочки. Они функционируют при слабом свете и не воспринимают цвета. При достаточном освещении палочки не работают, сигналы дают лишь колбочки.
Если направить на глаза слишком яркое излучение, то их фоторецепторы могут потерять свою чувствительность. Спустя секунды после окончания облучения их сигнал будет слабее обычного. Он, конечно, восстановится, но в эти секунды наблюдаемая картина будет выглядеть так, как будто в ней отсутствует цвет насыщенного рецептора определенного типа.
Из-за такого последействия человек видит яркий предмет в дополнительном цвете, то есть в том, который в сумме с основным дает белый. Это, например, пары голубой — оранжевый, фиолетовый — желтый, красный — зеленый. Взглянув на яркий предмет и закрыв глаза, мы наблюдаем черный силуэт предмета (пара белый — черный).
Трехцветная теория — это сильное упрощение. Она справедлива для статичного, неизменного окружения. В реальности все гораздо сложнее. Зрение постоянно адаптируется к динамике, к перемещению и смене освещенности предметов. И делает это так, чтобы их цвета, по возможности, оставались постоянными. Более современные теории в той или иной степени модифицируют трехцветную теорию для описания цвета в динамике.
Зрительную функцию мозга изучают давно. Так, половина Нобелевской премия 1981 года по медицине была присуждена за работы, посвященные механизмам обработки мозгом зрительной информации, в том числе цветовой. Здесь интересно то, что из глаза в мозг информация о цвете одновременно передается по трем каналам, каждый из которых собран из сигналов колбочек. Это красно-зеленый и сине-желтый каналы, а также черно-белый канал яркости.
Триколор в полях чудес
Сегодня специалисты уверены в том, что основные полуэмпирические закономерности восприятия цветов уже установлены. Как сказано выше, большинство цветов, которые различают люди, можно получить смешением трех основных колеров. То есть любой цвет можно задать тремя независимыми переменными. Этот факт используют для воспроизведения цвета в фотографии, полиграфии, телевидении, и пр.
В наше время считается, что основные цвета — это не качество света, а свойство человеческого глаза. Поэтому их выбор для технических устройств достаточно произволен. Существует множество вариантов представления одного цвета через три независимых переменных. Эти способы называются цветовыми пространствами или моделями. Часто они очень не похожи друг на друга. Причина этого в уже отмеченном отсутствии однозначного соответствия между цветом и физическими характеристиками световых волн. Каждое из пространств имеет свои преимущества и недостатки.
Существуют аддитивные и субтрактивные модели. Первые применяют для светоизлучающих приборов, где смешение, «сложение» трех максимальных сигналов, например от красных, зеленых и синих светодиодов, дает белый свет. При «вычитательном», субтрактивном смешении цветов, соответствующем смеси красок на палитре художника, цвета получаются вычитанием из белого цвета базовых цветов, например бирюзового, пурпурного и желтого. Такие модели удобны для книгопечатания.
Исторически сложилось так, что одной из основных цветовых моделей стал телевизионный стандарт передачи цвета RGB. Любой цвет в модели RGB представляется суммой красного (Red), зеленого (Green) и синего (Blue), поэтому модель называется аддитивной. Вообще же выбор основных цветов достаточно произволен.
Модель RGB сегодня основная для цветовоспроизводящих устройств, например дисплеев, так как их пространственный элемент изображения, пиксель, составлен из трех частей разных цветов, которые глаз не разделяет и воспринимает как единый колер. Так дисплеи компьютеров и гаджетов содержат микроизлучатели красного, зеленого (желтого) и синего цветов.
Любой оттенок имеет качественные и количественные характеристики. Первая — это собственно цветовой тон. Чистый, насыщенный тон задается спектрально чистым цветом (по Ньютону). Кроме спектральных тонов, существуют пурпурные цвета, с точки зрения человеческого глаза средние между красным и фиолетовым.
Вторая характеристика цвета — насыщенность, так сказать, глубина цвета. При снижении насыщенности цвет становится более блеклым и стремится стать серым. Третья количественная энергетическая характеристика цвета — это светлота или яркость. Оттенки одного тона могут различаться насыщенностью и яркостью. Измеряют цветовые параметры колориметрами и спектрофотометрами.
В модели HSL координатами служат цветовой тон (Hue), насыщенность (англ. Saturation) и светлота (Lightness). Модель удобна для сравнения оттенков разных цветов. Познакомиться с этой моделью может любой пользователь компьютера, если нажмет правую кнопку мыши на рабочем столе монитора и изучит его цветовые настройки. Тут же числовые параметры HSL автоматически переводятся в числа модели RGB.
Хорошо известна применяемая в полиграфии модель CMYK, построенная на основе дополнительных к R, G и B цветов: бирюзового (Cyan), пурпурного (Magenta) и желтого (Yellow). Художникам эта субтрактивная модель наиболее близка из-за вычитания цветов при падении естественного света на предмет. Разработаны и другие модели, в частности модель международной комиссии по освещению (CIE) Lab. Она позволяет без искажений воспроизводить изображения на самых разных устройствах вывода. Разные цветовые модели применяют в разных технологических отраслях и областях знания.
Колористика иных миров
Глаз человека содержит колбочки трех типов, но у большинства млекопитающих их только два. Другие позвоночные, птицы, рептилии, амфибии и костные рыбы, как правило, обладают колбочками четырех типов. Это значит, что они могут видеть разными те цвета, которые мы видим одинаковыми. Некоторые беспозвоночные, например ротоногие (раки-богомолы) имеют целую дюжину типов светочувствительных колбочек. Можно только пожалеть, что среди них нет художников.
Нейрофизиологи давно спорят о том, есть ли среди людей особи, которые видят в четырех основных цветах. Дело в том, что это теоретически возможно — примерно половина женщин обладает четырьмя типами колбочек. Могут ли они различать цветов больше, чем обычные люди, вопрос пока нерешенный. Некоторые люди от природы способны узнавать сотню миллионов оттенков. Обычно это художники. Таким, по-видимому, был знаменитый русский живописец Архип Куинджи, известный своими цветовыми экспериментами.
Цвет — это не только земное свойство. Астрономы давно наблюдают разнообразную цветомузыку звезд и галактик. Полеты космических аппаратов внутри Солнечной системы принесли массу цветовых открытий. Достаточно вспомнить желто-черный спутник Юпитера Ио.
Однако если снимки сделаны в неземных условиях, то цвета могут отличаться от того, как бы их увидел глаз. Дело в том, что спектральные характеристики телескопов космических аппаратов выбирают так, чтобы они были особо чувствительны к спектрам определенных химических соединений, обнаружить которые предполагают на поверхности космических тел, в атмосферах и облаках звезд и галактик. Задача правильного воспроизведения цвета поверхности здесь не стоит. Например, после полетов советских и американских аппаратов к Луне большинство человечества было уверено, что поверхность Луны серая. И лишь последние китайские лунные миссии заставили вспомнить, что она имеет коричневатый оттенок.
Из-за того что многие приборы космических аппаратов делают снимки в невидимом для глаза спектральном диапазоне, астрономические фотографии обычно представляют объект в искусственных цветах. Способы преобразования спектров инфракрасного, ультрафиолетового, да и любого другого излучения, в привычный нашим глазам набор цветов опираются на спектральный подход Ньютона.
Цветная психология
Интуитивному постижению цветовосприятия посвятил свои работы не только Гёте. На этом поприще отметились многие художники, искусствоведы и философы. Цветовосприятие давно стало предметом широких, иногда довольно экзотических исследований. Например, лингвисты сопоставили количество слов, обозначающих названия цветов в языках разных народов. Оказалось, оно очень сильно варьируется.
Классикой психоколористики стало фундаментальное сочинение швейцарского художника и искусствоведа Йоханнеса Иттена под названием «Искусство цвета». Он считал, что восприятие цвета субъективно, а цветовые раздражения затрагивают весь телесно-духовный организм человека. Оранжевый и красный цвета воспринимаются как возбуждающие, зеленые — успокаивающие. Голубой цвет создает впечатление глубины, а желтый — радости.
Цветам приписывают свойство теплоты. Самые теплые тона — это красный, оранжевый, желтый. Они напоминают цвет огня. Холодные цвета, голубые, синие и фиолетовые, напоминают лед и воду. Цвета различают и по активности. Красный цвет самый активный, зеленый — самый пассивный.
Такие соответствия качеств, определяемых разными органами чувств, принято называют синестезией. Пифагор испытывал ее и писал об этом еще в 550 году до н.э. Пифагорейцы соотносили цвета с музыкальной гаммой. Это, впрочем, совсем неудивительно для любого музыкально одаренного человека.
Психологи давно доказали, что каждый человек обладает своей внутренней, одному ему свойственной цветовой шкалой и может в цвете выразить свое настроение, особенности характера, представления и чувства. Йоханнес Иттен писал, что у каждого человека есть целая шкала любимых цветов. На этом основан тест Люшера, широко применяемый в современной психологии, когда человеку предлагают ранжировать разные цвета в порядке личного предпочтения.
На основании суждений И. Гёте, Й. Иттена и других классиков в книге Г. Фрилинга и К. Ауэра «Человек — цвет — пространство» сделан следующий вывод: «Так как склонность человека к тому или иному цвету может меняться под воздействием материальных или духовных факторов, то возникает мысль, что личную цветовую шкалу можно в известной мере рассматривать как выражение индивидуальности».
Природа цвета по-прежнему остается предметом споров физиков и художников. Опыт, знания тех и других со временем становятся их интуициями, которые сильно отличаются. Хотя уже намечены точки соприкосновения. Тысячелетняя система, которая утверждает, что основных цветов три (красный, желтый, зеленый) не встраивается в концепции современной физики, но по-прежнему сохраняет свое влияние в искусстве. Что ж, при отсутствии бесспорной теории цвета каждый волен иметь о нем собственные представления.
А. Гурьянов
Купить номер или оформить подписку на «Химию и жизнь»: https://hij.ru/kiosk2024/
Благодарим за ваши «лайки», комментарии и подписку на наш канал
– Редакция «Химии и жизни»