Цвета [1963 Штейнгауз А.И. - Девять цветов радуги]

Прежде чем говорить о природе цветного зрения человека, необходимо выяснить законы образования самих цветов.

В спектре солнечного света, состоящем из бесконечного множества плавно переходящих друг в друга чистых цветовых тонов, человеческий глаз в состоянии различить более 150 оттенков. Обычно спектр разделяют на несколько цветовых групп: группу фиолетовых тонов, синих, голубых, голубовато-зеленых, зеленых, желтых, оранжевых и красных. Вот границы между соответствующими группами, выраженные в длинах волн: 439, 459, 492, 532, 571, 596 и 645 миллимикронов. Границы концов видимого участка спектра соответствуют длинам волн 380 и 770 миллимикронов. Интересно отметить, что границы цветовых групп, впервые намеченные Ньютоном, при переводе на язык волновой теории почти не отличаются от указанных. Кстати, Ньютон усматривал аналогию между восприятием цветовых и музыкальных тонов. Мы знаем, что одинаковые ноты в соседних октавах звучат согласно и отличаются только высотой тона. Частоты таких тонов находятся в соотношении 1:2, длины волн - 2:1. Если взять границы видимого спектра, то их длины волн тоже относятся, как 2:1. А если приглядеться, можно уловить цветовое сходство между крайними частями спектра - между глубоким красным и глубоким фиолетовым тонами. "Цвета, - писал Ломоносов, - удивительно согласуются с музыкой". В наше время этой аналогии не придают значения. Однако известно много случаев в науке, и мы о некоторых хорошо знаем, когда идеи, считавшиеся умершими, воскресали вновь.

Тона солнечного спектра далеко не исчерпывают всего многообразия цветов, встречающихся в природе. По существу, цветов бесконечно много, и наш глаз может различать в этом беспредельном многообразии с трудом исчислимое количество их.

Кривая чувствительности (кривая видности) человеческого глаза и границы между соответствующими группами цветов

Если подсчитать все слова в русском языке, обозначающие цвета и оттенки, их наберется порядочно. Поэтому мы совершенно не испытываем затруднений, описывая даже очень тонкие различия в цветах. Тем не менее это описание оказывается недостаточным в тех случаях, где требуется точное знание о цвете. У профессионалов, даже у маляров и изготовителей вывесок, не говоря уже о живописцах, в ходу другие слова. Так, краски, дающие различные оттенки красного, имеют следующие названия: краплак, бриллиант-лак, киноварь, кадмий, кармин, сурик и так далее. За этими названиями стоят уже вполне определенные оттенки, потому что краска - это неизменная из года в год рецептура и технология; потому что на фабрике красок всегда есть эталонные образцы, по которым проверяется вновь выпускаемая продукция. Большую помощь в точном подборе цветов оказывают и колерные книжки-блокнотики, в которых каждый лист имеет строго определенный цвет - колер.

Но при современном развитии науки и промышленности этого далеко не достаточно. Техника вообще предпочитает пользоваться точными цифрами, а не словами, в толковании которых всегда будет присутствовать большая или меньшая неопределенность. Поэтому возникла и развилась специальная отрасль оптики - колориметрия, занимающаяся количественными методами определения цветов и законами их образования. В основу колориметрии положены точные знания определенных свойств цветового зрения человека. Она опирается на законы образования цветов в глазу человека, установленные многочисленными и много-кратно проверенными исследованиями.

Однако не надо спешить с описанием этих законов. Продолжим еще разговор о цветах.

Прежде всего следует отметить, что в колориметрии белый, черный и все промежуточные цвета, отсутствующие в спектре, столь же равноправны, как и все остальные. Правда, они составляют особую категорию так называемых ахроматических цветов (буквально - цветов, не имеющих цвета). Вся гамма серых цветов может быть получена смешением черного и белого в различной пропорции. В принципе эта гамма содержит бесконечное число цветов, но наш глаз может различить в ней около 300 градаций, что тоже не мало.

Положите книгу перед собой, возьмите в руку карандаш и поместите его между фотографиями. Затем начните медленно приближать карандаш, следя за ним глазами. Когда вместо двух фотографий увидите три, осторожно уберите карандаш, продолжая смотреть на среднюю. Проделайте это несколько раз - и в конце концов увидите стереоскопическое изображение

Любая поверхность, которая одинаково (плохо или хорошо) отражает все составляющие солнечного спектра, имеет ахроматический цвет. В равных условиях освещения поверхность, отражающая больше лучей, кажется светлее менее отражающей. Самой белой будет поверхность, покрытая окисью магния или бария, - она отражает до 98 процентов падающего света. Чистый белый снег (иногда выпадает снег, имеющий оттенок) на ее фоне покажется сероватым, он отражает всего лишь 85 процентов, а такая белая краска, как цинковые белила, и того меньше - всего 70-75 процентов. Очень черными кажутся поверхности, покрытые пористой сажей, но еще чернее - черный бархат; некоторые сорта его отражают не более 0,3 процента падающего света. Чернее бархата только черное тело - специальное устройство, о котором упоминалось в предыдущей главе¹.

¹ (Не следует забывать, что черное тело может не только поглощать, но и излучать свет. В колориметрии же считается, что тела черного цвета только поглощают свет.)

Все цвета, кроме белого, черного и серых, составляют группу хроматических (цветных) цветов. Ее, в свою очередь, можно разделить на две подгруппы: в первую войдут спектрально чистые тона, или монохроматические, цвет которых определяется только одной длиной волны; во вторую - сложные, составленные из нескольких монохроматических цветов. Таких цветов - большинство. А вернее сказать, бесконечно много. Недаром живописцы утверждают, что в природе вообще не бывает двух совершенно одинаковых цветов.

Эти фотографии надо рассматривать через цветные очки. Одно стекло должно быть розовое, другое - голубовато-зеленое. Вместо стекол можно взять листки целлофана

Как установили ученые, все это многообразие может быть получено смешением исходных чистых тонов.

Чтобы яснее это представить, можно с помощью очень простого прибора провести несколько весьма интересных опытов. Для изготовления прибора надо взять небольшой кусок чисто вымытого и отполированного зубным порошком стекла и кусочек черного бархата. Не беда, если бархата не окажется, вместо него можно воспользоваться книгой в черном матовом переплете. Кроме стекла и бархата, понадобятся также кусочки белой бумаги, раскрашенные акварельными красками в следующие цвета: красный, оранжево-красный, желтый, желто-зеленый, голубовато-зеленый, синий и фиолетовый. Краску следует наносить как можно ровнее по нескольку раз, давая просохнуть предыдущему слою.

Вид прибора показан на рисунке. Принцип действия его заключается в том что с помощью стекла удается совместить потоки света (и изображения) от двух участков поверхности и направить их в глаза наблюдателя. Один из участков поверхности лежит за стеклом; мы видим его потому, что стекло прозрачно. Второй участок находится перед стеклом; его изображение попадает в глаза наблюдателя, отразившись, как в зеркале, от передней поверхности стекла. Обычно оно отражает не более 10 процентов падающего света. Поэтому поток отраженного света будет значительно слабее потока, приходящего из-за стекла, но это поправимо.

Цветовой график. Для наглядности поле цветового графика раскрашено. Цветовой график охватывает бесконечное многообразие цветов и позволяет специалистам решать важные практические задачи

С помощью прибора мы можем смешивать лучи света двух различных цветов. Источниками света будут служить раскрашенные листки бумаги. Нам известно, что листок синего цвета отразит синие лучи, листок желтого - желтые, и так далее.

Расположите листки так, чтобы их изображения, видимые в стекле, накладывались друг на друга. Затем попробуйте наклонять стекло на себя. Этим вы увеличите количество отраженного света и уменьшите количество проходящего света.

Таким образом, меняя наклон стекла, можно смешивать два цвета в самых разнообразных пропорциях.

Простейший прибор для аддитивного образования цветов. Перед стеклом и сзади него следует положить раскрашенные листы бумаги (лучше всего их класть на черный бархат); в стекле будет виден результирующий цвет

Освоившись с методикой опыта, обратите внимание на изменение цвета совмещенного изображения. Для сравнения сместите листки друг относительно друга так, чтобы на каждом из них оставались неперекрытые участки. Тогда вы увидите в стекле одновременно два исходных цвета и результат их смешения.

Для начала положите за стеклом "красный листок, а перед ним - белый.

Когда стекло установлено перпендикулярно к основанию, отражение от белого света мало, зато красный свет проходит почти полностью. Поэтому цвет, видимый в стекле, получается ярким и чистым, особенно если листки лежат на черном бархате.

Такой яркий цвет в колориметрии называется насыщенным или чистым.

При увеличении доли белого света результирующий цвет становится все более белесым, все более блеклым. Чистота его уменьшается по мере увеличения наклона стекла. Подобные же результаты получатся, если опыты повторять с листками других цветов.

На основании этих опытов придем к выводу, что смешение белого света с хроматическим приводит к уменьшению чистоты или насыщенности цвета. При изменении чистоты меняется и цвет. Как и в случае смешения черного с белым, создается целая гамма цветов, отличающихся друг от друга только чистотой. Но, хотя цвета в этой гамме и различны (и их бесконечно много), основной цветовой тон не зависит от количества добавляемого белого света - тон остается неизменным.

Теперь уже можно наметить некоторые параметры, характеризующие каждый отдельный цвет в такой гамме.

Вот они: цвет исходного тона и чистота цвета. Если мы по-прежнему будем обозначать цветовой тон только словами, то это будет недостаточно понятно. Поэтому исходный цветовой тон всегда связывают с длиной волны. Тогда все становится совершенно определенным. Так, цветовой тон λ=400 миллимикронам означает, что из группы фиолетовых тонов выбран такой, длина волны которого равна названной.

Что касается чистоты цвета, то она дается в процентах и показывает, сколько единиц светового потока белого света и сколько единиц светового потока с заданным цветовым тоном содержится в получившемся при смешении цвете.

Что произойдет, если смешивать два хроматических тона?

Это можно выяснить с помощью нашего прибора. Для начала заме-ним белый листок желтым. Результирующие цвета в зависимости от на-клона стекла будут меняться от красного к желтому, проходя через разные оранжевые оттенки. Такой результат не удивителен. Едва начав рисовать, мы уже знаем, что желтый и красный цвета, смешиваясь, дают оранжевый.

Но во всех ли случаях интуиция и опыт позволят предугадать новые цвета?

Попробуйте предсказать, какие получатся цвета, если смешивать:

Лучше при этом записать свои предположения, особенно если опыт проводится не в одиночестве, и лишь потом проверить на приборе. Проводя проверку, следует каждый раз так подбирать наклон стекла, чтобы получающийся новый цвет не содержал исходных цветов. Опыт надо проводить крайне тщательно и без всякого предубеждения к результатам. Их тоже следует записать.

Боюсь, что ни один из полученных ответов не сойдется с тем, что было предсказано. Но огорчаться не стоит. Ведь в науке предвидеть что-либо можно, лишь опираясь на теорию. Нам же она пока неизвестна.

Зато если вы внимательно разберетесь в том, что получилось, то удастся обнаружить очень важный для создания этой теории факт. Все пары выбранных цветов, смешиваясь в определенной для каждой пары пропорции, дают один и тот же цвет. Более того, получается серый, ахроматический цвет, хотя во всех случаях исходными были хроматические цвета.

Вполне возможно, что получить настоящие ахроматические цвета не удастся, а вместо них будут наблюдаться белесовато-грязные оттенки. Но это объясняется тем, что, называя цвета, мы продолжали пользоваться обычными названиями цветов, и тем, что листки трудно окрасить достаточно хорошо. Если же подобные опыты провести более тщательно, то результат будет совершенно определенный - получающийся новый цвет окажется белым (или серым, в зависимости от яркости). Зная результаты опыта, можно вновь повторить его, на этот раз с большим успехом.

Опыты такого рода, проведенные учеными, имели чрезвычайно важное значение. Они показали, что устройство нашего глаза таково, что ощущение белого цвета можно вызывать, смешивая не все цвета солнечного спектра, а всего лишь два. Таковы первое, проверенное нами опытным путем свойство цветового зрения человека и правило смешения цветов.

Конечно, не всякая пара цветов дает при смешении белый. Это ясно на примере пары "красный - желтый".

Два цвета, которые, смешиваясь в определенной пропорции, дают белый или какой-либо другой цвет из ахроматического ряда, называются дополнительными. В природе существует бесконечное множество пар дополнительных цветов, в том числе и монохроматических или спектрально чистых.

Для того чтобы ваш опыт наверняка удался, следовало бы взять следующие пары:

оранжево-красный ( =608 ммк) и голубовато-зеленый ( =490 ммк),

Любителям живописи следует обратить особое внимание на то, что дополнительные цвета, нанесенные рядом друг с другом или один на фоне другого, дают сильный и приятный для глаза цветовой контраст. Об этом свойстве дополнительных цветов догадывались уже очень давно - во времена Возрождения. А художники нового времени сознательно прибегал к нему. Так знаменитый французский художник Дега даже в рисунках пользовался этим свойством, достигая великолепных эффектов. Дега часто рисовал не на белой, а на тонированной бумаге: зеленой, розовой, серовато-зеленой. При этом цвет карандаша он выбирал дополнительным к цвету бумаги или же подкрашивал отдельные места рисунка дополнительным цветом.

Любителей живописи заинтересует и другой факт. В любой паре дополнительных цветов один всегда принадлежит к группе теплых, а другой - к группе холодных. Теплые тона - это такие, в которых содержатся лучи красного и оранжевого цвета, холодные же тона содержат лучи синего и голубого цвета.

Можно ли без специальных приборов наблюдать дополнительные цвета? Оказывается, да. Один из способов основан на инерционности зрения, точнее, на использовании негативных последовательных образов.

Так, например, после пребывания в течение нескольких минут при свете синей медицинской лампы обычный свет кажется совсем желтым. За последние два года на улицах Москвы появилось много ртутных ламп. Они дают очень сильный зеленоватый свет. Глаз, привыкая к такому свету, видит ночное небо города необычным: оно приобретает фиолетовый оттенок. Посмотрев через зеленую целлофановую пленку и затем отняв ее от глаз, можно увидеть окружающее в розовом свете.

Наблюдать цветные последовательные образы можно, воспользовавшись приготовленными для предыдущих опытов цветными листками. Повернитесь спиной к свету и, держа хорошо освещенный листок перед глазами, пристально смотрите на него в течение 30-40 секунд. Затем быстро переведите взгляд на равномерно освещенный лист белой бумаги. Через несколько секунд появится негативный последовательный образ, сперва туманный и едва заметный, затем более яркий и отчетливый.

Не следует удивляться, если обнаружится, что его размеры отличаются от размеров окрашенного листка. Их изменение зависит от соотношения расстояний, на которых находились окрашенный и белый листок. Если расстояния равны, то равны и размеры последовательного образа и объекта. Если белый лист находится на большом удалении, то последовательный образ окажется увеличенным и более блеклым. Если же белый лист находится на меньшем расстоянии от глаза, чем раскрашенный листок, то последовательный образ уменьшается, а его кажущаяся яркость увеличивается¹. Лучше всего объект (в нашем случае - окрашенный листок) рассматривать на расстоянии вытянутой руки, а белый лист держать сантиметрах в тридцати от глаз. В этом случае последовательный образ - получается достаточно ярким. Начинать опыты лучше всего с красного или зеленого листка.

¹ (Тем, кто хочет более глубоко изучить свойства глаза, стоит подумать над этим фактом и попытаться объяснить его. При этом следует учитывать законы построения изображения в глазу, которые здесь совсем не затрагивались. Что же касается изменения чистоты дополнительного цвета последовательного образа в зависимости от расстояния, то для объяснения надо принимать во внимание изменение площади участка белого листа, на фоне которого наблюдается или на который проектируется последовательный образ.)

В опытах по смешению цветов нам приходилось иметь дело с цветами не очень высокой чистоты. К сожалению, в домашних условиях почти невозможно провести их с чистыми спектральными тонами. А они дают очень интересные результаты. Так, если в некоторых пропорциях смешивать два спектральных цвета, каждый из которых обладает чистотой в 100 процентов, получающийся цвет будет иметь чистоту, меньшую 100 процентов. В предельном случае, то есть при смешении дополнительных цветов, чистота результирующего цвета снизится до 0 процентов. Иными словами, он станет белым. Правда, и в этом правиле есть исключение: тона спектра с длинами волн от 575 до 700 миллимикронов, смешиваясь, вызывают ощущение чистого спектрального цвета, с длиной волны, находящейся внутри указанного диапазона.

В природе существует одна очень важная группа цветов, полностью отсутствующая в спектре. Это все пурпурные цвета. Они составляются из смеси красных лучей с фиолетовыми или красных с синими. Такая смесь дает очень красивые оттенки. О них можно получить представление, вновь обратившись к помощи нашего прибора.

Итак, смешивая два хроматических цвета или хроматический с белым, можно получить бесконечное количество новых цветов. Можно ли таким способом получить любой из существующих цветов? Да, можно. Но для этого потребуется непрерывно менять пары исходных хроматических цветов. Если же пара остается неизменной, то, как мы знаем, можно получить бесконечную гамму цветов, но отнюдь не всю совокупность существующих цветов.

Ученых и живописцев уже с давних пор интересует вопрос: какое же наименьшее количество неизменных исходных (основных) цветов потребуется, для того чтобы, смешивая их в разных комбинациях и пропорциях, можно было получить все существующие в природе цвета?

Вот как отвечал на этот вопрос образованнейший человек своего времени, знаменитый архитектор эпохи Возрождения Леон Баттиста Альберти (1404-1472):

"Мне кажется очевидным, что цвета изменяются под влиянием света, ибо каждый цвет, помещенный в тени, кажется не тем, какой он на свету. Тень делает его темным, а свет, в том месте, куда он ударяет, делает его светлым. Философы говорят, что нельзя видеть ничего, что не было бы освещенным и окрашенным. Итак, цвета в отношении видимости очень родственны светам; а насколько они родственны, вы видите по тому, что при отсутствии света отсутствуют и цвета, а по возвращении света возвращаются и цвета. Итак, сначала мне хочется сказать о цветах, а затем исследуем, как они изменяются при свете. Будем рассуждать, как живописцы. Я утверждаю, что от смешения цветов рождается бесконечное множество других цветов, но истинных цветов столько, сколько стихий¹, - четыре, от которых, постепенно умножаясь, рождаются другие виды цветов. Цветом огня будет красный, воздуха - голубой, воды - зеленый и земли - серый или пепельный. Другие цвета, как яшма или порфир, - смесь этих цветов. Итак, существуют четыре рода цвета, которые образуют свои виды в зависимости от прибавления темного или светлого, черного или белого; эти виды почти неисчислимы...

...Итак, примесь белого не меняет род цвета, но создает его разновидности. Так же и черный цвет обладает подобными же свойствами - производить своею примесью бесчисленные разновидности цветов. Мы видим, что в тени цвета густеют, а когда усиливается свет, цвета становятся ярче и светлее. Поэтому нетрудно убедить живописца, что белое и черное не суть настоящие цвета, но лишь изменения других цветов..."

Столь длинная выписка из работы Альберти была сделана для того, чтобы читатель яснее представил, как много знали, а вернее - гениально предчувствовали, лучшие люди итальянского Возрождения. Ведь с тех пор, как Альберти написал свои "Три книги о живописи", прошло несколько сот лет! Но как много из того, что утверждал он на основании своего опыта и поразительной наблюдательности, подтвердилось наукой почти через пятьсот лет.

Из приведенных слов совершенно ясно следует, что четыре цвета - красный, голубой, зеленый и серый - являются основными, а все остальные - производными. Это утверждение очень близко к истине, но все же не сама истина. Если бы в число названных Альберти цветов не входил серый, знаменитого архитектора можно было бы считать основателем современной теории цветов.

Первым, кому удалось точно указать количество основных исходных цветов, был М. В. Ломоносов. В своем "Слове о происхождении света, новую теорию о цветах представляющем, в публичном собрании Императорской Академии наук июля 1 дня 1756 года говоренном" Ломоносов высказал мысль, что все цвета можно произвести, смешивая лишь три исходных. В подтверждение "сея системы" Ломоносов ссылался на многочисленные опыты, "которые особливо мною учинены в изыскании разноцветных стекол к мозаичному художеству".

Современная теория цветов и цветового зрения была создана трудами Юнга и Гельмгольца. Очень многое сделал в этой области и Максвелл.

Колориметрия наших дней, основанная на принципе трех основных цветов, представляет собой стройную науку. Она позволяет точно предсказывать результаты смешения и определения состава сложных цветов. Она дала в руки специалистов простой и надежный метод расчетов, пригодных для всей бесконечной совокупности существующих в природе цветов. В качестве трех основных цветов выбраны чистые спектральные тона: красный (λ=700 ммк), зеленый (λ=546,1 ммк) и синий (λ=435,8 ммк)¹.

¹ (Основными могут быть взяты и три других тона, но обязательно из группы красных, зеленых и синих)

Нет смысла объяснять здесь теоретические тонкости колориметрии и методы расчетов. Важно одно: теория и практика колориметрии целиком основаны на свойствах цветового зрения человека, определенных опытным путем и выраженных в соответствующих математических соотношениях.

Эти соотношения, в частности, позволили ученым создать сравнительно несложный цветовой график. Пользуясь им, специалисты могут отвечать на все вопросы, связанные с образованием цветов. Вы можете увидеть цветовой график на рисунке. В принципе каждая точка на поверхности графика соответствует одному из существующих в природе цветов. Этот график отличается от практически применяемых отсутствием ряда вспомогательных линий и тем, что художник для наглядности нанес на нем цвета. Разумеется, он не мог нанести бесконечное количество их, но общее расположение и переходы цветов выполнены правильно.

До сих пор мы говорили о смешении цветов путем добавления друг к другу световых потоков разных цветов. Такой способ называется аддитивным (буквально - слагательным) смешением цветов.

Другой способ основан на слиянии в глазу отдельных чистых тонов, наносимых на поверхность мелкими точками в непосредственной близости друг к другу. В этом случае используется известное нам свойство глаза - острота зрения. Если расстояние между точками и их размер таковы, что глаз не может различить их как отдельные, то они сливаются в единое пятно, цвет которого определяется тонами отдельных точек.

Такой метод смешения красок применяли некоторые художники, однако в живописи этот метод не оказался особенно плодотворным, и в настоящее время он не применяется. Зато в текстильной промышленности он применяется очень часто: ткань составляется из тонких нитей различных цветов. В результате смешения ее цветовой тон отличается от цветов нитей.

Но, пожалуй, наиболее полезным метод пространственного смешения цветов оказался в телевидении. В настоящее время все системы цветного телевизионного вещания и многие цветные телевизионные системы специального назначения созданы на основе этого принципа.

Пытались применить его при создании фотопленки для цветной фото-графии и кинематографии. Перед второй мировой войной она даже поступила в продажу. Но в последующие годы от такой пленки отказались.

В настоящее время широкое распространение получила цветная пленка, в которой образование цветов осуществляется субтрактивным (буквально - вычитательным) методом.

Возможность такого образования доказывает, в частности, существование дополнительных цветов. В самом деле, какой цвет мы увидим, если каким-либо путем вычтем из лучей белого света красные лучи? Мы увидим дополнительный к красному - зеленый цвет.

Действие светофильтров как раз и основано на субтрактивном образовании цветов. Так, про зеленый светофильтр можно, сказать, что он пропускает зеленые лучи. Но столь же верно и то, что зеленый светофильтр не пропускает лучей красного цвета; то есть, находясь на пути белого света, он вычитает из него все красные лучи. Подобным образом действуют и светофильтры остальных цветов.

Теория показывает, что субтрактивный метод также позволяет образовывать из белого света все цвета с помощью трех светофильтров: красного, голубого и зеленого. Для получения нового цвета необходимо подбирать в определенном соотношении плотность (пропускание света) каждого из светофильтров. При фотографировании на цветной пленке такой подбор происходит автоматически.

Цветная печать в полиграфии, пользование акварельными и некоторыми другими видами красок тоже основаны на субтрактивном образовании цветов. В этих случаях, однако, процессы их образования осложняются целым рядом дополнительных обстоятельств, которые не позволяют столь же просто и точно предсказывать цвета не опробованных еще сочетаний красок. Поэтому часто приходится прибегать к практической проверке и пробам.